基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變風(fēng)量空調(diào)末端智能控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本實(shí)用新型屬于中央空調(diào)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變 風(fēng)量空調(diào)末端智能控制系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 中央空調(diào)末端控制器是中央空調(diào)系統(tǒng)熱交換的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，更是中央空調(diào)系統(tǒng) 中最重要的裝置之一。特別是對恒定送風(fēng)溫度而改變送風(fēng)量的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)而言，其對 空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能有著重要意義。此外，無線、多點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集方式可W提高大型空調(diào)房間環(huán) 境表征的靈活性和準(zhǔn)確性，對于保持大型空間舒適度也有著十分重要的意義。因此，設(shè)計(jì)一 個(gè)能靈活、準(zhǔn)確地表征大型空間環(huán)境特征，并在不同送風(fēng)條件和負(fù)荷下達(dá)到節(jié)能、高效控制 效果的末端控制器，是節(jié)能和保持舒適度的關(guān)鍵。
[0003] 影響中央空調(diào)系統(tǒng)末端控制效果的因素有很多，特別是在變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中，由 于送風(fēng)管道壓力的變化、送風(fēng)濕球溫度的差異W及空調(diào)房間負(fù)荷的差異等，使之具有較強(qiáng) 的非線性和不確定性。目前，對于變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)末端裝置控制器的選擇，現(xiàn)有研究多采用 普通單片機(jī)作控制器，而運(yùn)些單片機(jī)資源少、功能單一、控制性能差、人機(jī)交互不友好，用其 作控制器僅適用于常規(guī)PID控制策略和較為簡單的控制功能；在數(shù)據(jù)采集方式上，現(xiàn)階段 大多采用單一、有線的傳感器來采集環(huán)境溫濕度，運(yùn)種數(shù)據(jù)采集方式雖易實(shí)現(xiàn)，但其僅適用 于客房等獨(dú)立的小型空間，而對于商場、劇院、體育館和火車站等溫濕度具有分布特性的大 型空間，其采集到的單點(diǎn)數(shù)據(jù)無法準(zhǔn)確表征整個(gè)空間的溫濕度情況，另一方面，繁雜的布線 也使之不夠靈活、美觀；在顯示與操作方面，目前大多采用LCD液晶顯示屏與鍵盤按鍵操作 相結(jié)合的方式，該方式顯示美觀，按鍵便捷，但按鍵長時(shí)間使用，其與鍵盤連接處可能因老 化而失靈，一旦按鍵失效，將無法通過控制面板控制末端控制器，更換控制面板也是價(jià)格較 高且十分不便的，同時(shí)它只能用于接收來自控制面板的調(diào)溫，而不能接收來自于手機(jī)等其 它無線移動(dòng)設(shè)備的調(diào)控，運(yùn)對于家中有行動(dòng)不便的老人或大型空調(diào)房間控溫等情況都是十 分不便的；在控制策略應(yīng)用上，近年來國內(nèi)外學(xué)者對于末端裝置的控制主要WPID為主，有 些還采用模糊控制等控制策略，但對于具有非線性、不確定性，同時(shí)要求較高控制精度的情 況，運(yùn)些控制策略已經(jīng)無法滿足人們對于高品質(zhì)生活環(huán)境和空調(diào)節(jié)能效率的要求。 【實(shí)用新型內(nèi)容】：
[0004] 1、實(shí)用新型目的： 陽〇化]為解決上述問題，本實(shí)用新型提供了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)的中 央空調(diào)末端控制系統(tǒng)及方法。其目的在于解決W往所存在的問題。
[0006] 采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可對網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)多點(diǎn)進(jìn)行無線、實(shí)時(shí)檢測，替代W往單 點(diǎn)、有線的數(shù)據(jù)采集方式，并采用數(shù)據(jù)融合的方法，提高對于商場、劇院、體育館和火車站等 大型空調(diào)空間中系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的靈活性和環(huán)境信息表征的準(zhǔn)確性；采用ARM9處理器W及 Linux嵌入式操作系統(tǒng)，替代W往單線程任務(wù)為主的單片機(jī)或微處理器，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理 能力和控制效率；基于TCP/IP協(xié)議，應(yīng)用Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)和智能手機(jī)APP，改進(jìn)W往顯示屏 和按鍵，提高了空調(diào)房間溫濕度顯示與設(shè)定的便捷性；采用模糊PID控制策略，實(shí)現(xiàn)智能控 制策略，改善末端智能控制器的實(shí)際控制效果。 陽007] 2、技術(shù)方案：
[0008] 本實(shí)用新型是通過W下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：
[0009] 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變風(fēng)量空調(diào)末端智能控制系統(tǒng)，其特征在于：該智能控制 系統(tǒng)主要包括嵌入式主控模塊、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)房間信息監(jiān)測模塊、輸出控制模塊W及移 動(dòng)終端模塊，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)房間信息監(jiān)測模塊連接嵌入式主控模塊，嵌入式主控模塊連 接輸出控制模塊W及移動(dòng)終端模塊。
[0010] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)房間信息監(jiān)測模塊包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，各采集節(jié)點(diǎn) 通過2. 4GHz頻段無線網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器無線連接，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過串口與嵌入式主控模 塊串行連接；
[0011] 嵌入式主控模塊內(nèi)設(shè)置有主控制器和觸摸屏，主控制器與觸摸屏、輸出控制模塊 和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)房間信息監(jiān)測模塊內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器連接；
[0012] 輸出控制模塊包含D/A轉(zhuǎn)換電路和末端風(fēng)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)，D/A轉(zhuǎn)換電路與末端風(fēng)閥 執(zhí)行機(jī)構(gòu)和嵌入式主控模塊內(nèi)的主控制器連接；
[0013] 移動(dòng)終端模塊包括無線路由器和手機(jī)終端；
[0014] 嵌入式主控模塊的主控制器通過網(wǎng)線與無線路由器連接，手機(jī)終端通過無線路由 器提供的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)與嵌入式主控模塊連接。
[0015] 嵌入式主控模塊包括ARM9高性能微處理器、TFT真彩液晶屏、NANDFlash存儲器、 UART模塊、邸EP模塊。
[0016] 利用上述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的變風(fēng)量空調(diào)末端智能控制系統(tǒng)所實(shí)施的智能 控制方法，其特征在于：該方法將多個(gè)無線采集節(jié)點(diǎn)6分布在大型空調(diào)房間內(nèi)的不同位 置，采集該大型空調(diào)房間內(nèi)多點(diǎn)溫濕度值，并由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器5組建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過 2. 4GHz頻段將運(yùn)多點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)無線發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器5,網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器5通過串口通信將 運(yùn)多點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送至嵌入式主控模塊1，經(jīng)線性補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、加權(quán)平均算法、智能控制算法 等數(shù)據(jù)處理算法，嵌入式主控模塊1完成數(shù)據(jù)顯示并輸出控制量W控制末端風(fēng)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu) 4,調(diào)節(jié)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)末端風(fēng)閥開度，完成對大型空調(diào)房間的多點(diǎn)信息采集、多點(diǎn)數(shù)據(jù)融 合與溫度巧制功能。
[0017] 本實(shí)用新型采用模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，模糊PID控制器W回風(fēng)溫度，即室內(nèi)溫度 偏差e及其變化率ec作輸入，利用模糊控制規(guī)則在線校正PID=個(gè)控制參數(shù)kp、ki、kd，把模 糊控制與PID控制結(jié)合起來，構(gòu)成模糊PID控制，使其既具有模糊控制能夠解決非線性、不 確定性和有較強(qiáng)魯棒性的優(yōu)點(diǎn)，又具有傳統(tǒng)PID控制精度高的特點(diǎn)，解決了PID參數(shù)難W在 線調(diào)整的問題，保證了控制系統(tǒng)的控制精度；在數(shù)據(jù)處理上，本實(shí)用新型采用溫度補(bǔ)償和線 性補(bǔ)償對各采集節(jié)點(diǎn)的濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償處理，消除來自溫、濕度運(yùn)對禪合量的禪合干擾， 從而保證空間中濕度采集的準(zhǔn)確性；并采用數(shù)據(jù)融合算法對各經(jīng)補(bǔ)償處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行加 權(quán)平均處理，根據(jù)大型空間中人員密集程度不同等因素所導(dǎo)致的負(fù)荷差異，為各采集點(diǎn)數(shù) 據(jù)分配不同的權(quán)重后取加權(quán)平均值作為環(huán)境溫濕度值，從而提高多點(diǎn)數(shù)據(jù)表征大型空間整 體環(huán)境信息的有效性和準(zhǔn)確性；再采用模糊PID控制算法，解決了PID控制參數(shù)在線調(diào)整的 難題，改善變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)末端控制器的控制精度。
[001引本實(shí)用新型中考慮到空間環(huán)境中溫、濕度是相互禪合量，因此為提高測量精度，在 用DHTlO傳感器測量空間溫濕度時(shí)，需要對其輸出的"相對濕度"進(jìn)行線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償 后，才能得到較為準(zhǔn)確的濕度值；可由下式補(bǔ)償傳感器非線性的相對濕度數(shù)字輸出量：
[0019] RHiinear= C1+C2? S〇KH+C3 ? S〇kh2 (% RH)
[0020] 式中：RHii。。。為線性補(bǔ)償后的濕度值，soKH為相對濕度的測量值，C1、C2、Cs為線性 補(bǔ)償系數(shù)，對于12位數(shù)據(jù)位其依次取值為：Ci= -4,C2= 0. 0405,C3= -2. 8 ? 10 6;
[0021] 由于溫度對濕度影響很大，而實(shí)際溫度和測量參考溫度25°C不同，因此還要對線 性補(bǔ)償后的濕度值進(jìn)行溫度補(bǔ)償；下式為其補(bǔ)償公式： 陽02引冊加6= (T ,C-2f5) ? (ti+t2 ? SQJ+RHiinear
[002引式中：RHtf。。為經(jīng)線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償后的濕度值，Tt為測試濕度值時(shí)的溫度，Vt2為溫度補(bǔ)償系數(shù)，對于12位數(shù)據(jù)位其依次取值為：t1= 0. 01，12= 8 ? 10 5;
[0024]由于DHTlO是采用PTAT能隙材料制成的溫度敏感組件，因而具有很好的線性輸 出；補(bǔ)償后的數(shù)字輸出轉(zhuǎn)化為實(shí)際溫度值可由下式算得：
[00巧]Temperature二di+ds ? S〇T 陽0%] 式中，SOt為溫度的數(shù)字量輸出；d1和d2為特定系數(shù)，d1與DHTlO工作電壓有關(guān)，d2 與DHTlO內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換分辨率有關(guān)；對于3. 5V工作電壓，14位A/D轉(zhuǎn)換分辨率下的溫度轉(zhuǎn) 換系數(shù)應(yīng)為：di(°C) = -39. 66,dz(°C) = 0.Ol;
[0027] 又考慮到大型空間中人員密集程度不同等因素所導(dǎo)致的負(fù)荷差異，為各采集點(diǎn)數(shù) 據(jù)分配不同的權(quán)重后，采用數(shù)據(jù)融合算法對各經(jīng)補(bǔ)償處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均處理，最 終取得到的加權(quán)平均值作為空間環(huán)境溫濕度的有效值，其計(jì)算公式如下：
[0028] WAtemperature = Wl ? T1+W2 ? T2+W3 ? T3+......
[0029] WAhumidity = Wl ? H1+W2 ?肥+W3 ?冊+......
[0030] 式中，WAtemperature為空間溫度的加權(quán)平均值，WAhumidity為空間濕度的加權(quán) 平均值，Wi為第i點(diǎn)的權(quán)重，Ti為第i點(diǎn)的溫度值，化為第i點(diǎn)的濕度值；
[0031] 對于采用的模糊PID控制算法，其W回風(fēng)溫度（室內(nèi)溫度）偏差e及其變化 率ec作輸入，利用模糊控制規(guī)則在線校正PID=個(gè)控制參數(shù)kp、ki、kd;e和ec模糊集為 (NB,醒，NS,Z0,PS，PM,PB}，根據(jù)《采暖通風(fēng)空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ19-87)規(guī)定，并結(jié)合干 球溫度、濕球溫度效應(yīng)對人體舒適度的影響，冬季空調(diào)室內(nèi)溫度應(yīng)為18~22°C，夏季應(yīng)為 24~28°C，因此e和ec的論域?yàn)閧-18, 1到，選S角函數(shù)作其隸屬度函數(shù)；另選取Akp論域 為[-0. 3, 0. 3]，間隔0. 1 ;Aki、Akd論域?yàn)閇-0. 06, 0. 06]，間隔0. 02,S個(gè)參數(shù)隸屬度函數(shù) 選用=角函數(shù)； 陽03引由PID控制原理：kp用于加快響應(yīng)速度，提高精度；k用于消除穩(wěn)態(tài)誤差；kd用于 改善動(dòng)態(tài)特性，故對于不同的e和ec，被控過程對參數(shù)kp、ki、kd的自整定應(yīng)滿足W下規(guī)律： 陽03引（1)當(dāng)H較小時(shí)，應(yīng)取較大的kp和kiW及適當(dāng)?shù)膋d，W避免在平衡點(diǎn)附近出現(xiàn) 震蕩，使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能；
[0034]似當(dāng)IeI中等時(shí)，應(yīng)取較小的kpW及適當(dāng)?shù)膋1和kd，