摘要：針對我國北方冬季供暖系統(tǒng)的特點及存在的不足，設(shè)計了基于嵌入式系統(tǒng)的ARM-Linux 平臺及模糊控制技術(shù)的室內(nèi)智能溫度控制系統(tǒng)。采用DS18B20 及ZigBee 無線組網(wǎng)技術(shù)完成了多點溫度采集，采用模糊控制技術(shù)實現(xiàn)了室內(nèi)溫度的精確控制，并建立了QT 用戶界面，優(yōu)化了人機交互環(huán)境，采用GPRS 技術(shù)實現(xiàn)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，給用戶帶來很大方便。系統(tǒng)的實現(xiàn)將對減少熱能浪費及提高人們生活質(zhì)量起著重要作用。在大力提倡節(jié)能減排以及追求高質(zhì)量生活的今天，冬季供暖系統(tǒng)存在的不足日益顯現(xiàn)出來。我國北方城市大部分采用集中供暖，在整個供暖期內(nèi)，無論室內(nèi)有人與無人，系統(tǒng)全天連續(xù)供暖；系統(tǒng)熱能的輸送是不變的，不能根據(jù)室內(nèi)外溫度的變化以及個人對室溫的不同要求做出相應(yīng)的調(diào)整。這就造成了熱能的嚴(yán)重浪費以及供暖不人性化等問題。本文設(shè)計實現(xiàn)了一種基于嵌入式系統(tǒng)ARM-Linux 平臺的室內(nèi)智能溫度控制系統(tǒng)，通過實時檢測室內(nèi)外溫度的變化，合理調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，降低了熱能消耗，提高了人們的生活質(zhì)量。
1 系統(tǒng)功能及總體結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)硬件框圖如圖1 所示，主要由ARM9 控制器，溫度檢測模塊，觸摸屏顯示模塊，ZigBee 無線收發(fā)模塊，暖氣控制模塊，GPRS 模塊等組成。
圖1 系統(tǒng)硬件框圖
其中溫度檢測包括室外溫度檢測、室內(nèi)溫度檢測和暖氣溫度檢測。為了避免繁瑣的布線，各溫度檢測點通過Zigbee 技術(shù)與ARM 控制器實現(xiàn)無線連接，組成一個星型無線網(wǎng)絡(luò)。各檢測點溫度值通過Zigbee 無線傳輸?shù)紸RM 控制器，ARM 控制器根據(jù)接收到的各點溫度值進行綜合處理分析，輸出相應(yīng)的控制信號給暖氣控制模塊，從而實現(xiàn)室溫的智能調(diào)節(jié)。信息顯示與輸入模塊由LCD 觸摸屏實現(xiàn)，用來顯示當(dāng)前室內(nèi)溫度與輸入的溫度值，且可以設(shè)定低溫、室溫等不同工作模式。ARM 控制器通過GPRS 與外部實現(xiàn)無線連接，用戶通過手機可以隨時對系統(tǒng)的工作模式進行遠(yuǎn)程控制。比如在回家的路上，用戶可以通過手機切換系統(tǒng)工作模式，當(dāng)回到家時，室溫已回升至正常溫度，給用戶帶來很大方便。
1.1 ARM 智能控制模塊
ARM 智能控制模塊由ARM9 控制器、FLASH、SDRAM、電源及復(fù)位模塊、LCD 觸摸屏及相關(guān)外圍電路組成。系統(tǒng)選用SAMSUNG 的基于ARM920T 內(nèi)核的處理器S3C2440 作為控制器。S3C2440 處理器功能強大、性價比高、功耗低，除具有一般嵌入式芯片所具有的總線、SDRAM 控制器以外，還具有豐富的擴展功能接口，便于構(gòu)建外圍電路。
LCD 觸摸屏采用TFT 型LCD 模塊TD035STEB1,該模塊采用LTPS TFT 作為開關(guān)器件，集成了四線電阻式觸摸屏和背光電路，從而簡化了外圍電路。系統(tǒng)在觸摸屏的基礎(chǔ)上建立了基于QT/Embedded 的圖形用戶界面（GUI），用來實現(xiàn)信息的顯示與控制輸入，優(yōu)化了人機交互環(huán)境，給用戶帶來很大方便。
1.2 溫度檢測傳輸模塊
溫度檢測傳輸模塊由溫度檢測模塊和Zigbee 無線傳輸模塊組成。溫度檢測模塊采用數(shù)字化溫度傳感器DS18B20.其測量范圍為-55℃~125℃，在-10℃~85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃，完全滿足本設(shè)計的要求。ZigBee 是一種新興的短距離、低功耗、低成本的雙向無線通信技術(shù)，非常適合于組建小型無線網(wǎng)絡(luò)。ZigBee 模塊采用支持IEEE802.15.4 協(xié)議，技術(shù)成熟的CC2430 芯片，其高性能的處理能力和豐富的接口資源給硬件設(shè)計工作帶來了極大的方便。
在溫度檢測模塊中，室內(nèi)溫度檢測將多個溫度傳感器分別放置在室內(nèi)的不同房間，以檢測室內(nèi)多個位置的溫度；室外溫度檢測將傳感器放置在室外，檢測室外的溫度。暖氣溫度檢測的傳感器放置在暖氣水管外壁，檢測水管中熱水的溫度。室內(nèi)、室外以及暖氣溫度信息通過Zigbee 無線傳輸給ARM 控制器，ARM控制器經(jīng)過綜合處理分析，再給暖氣控制模塊最佳的控制量，以實現(xiàn)室內(nèi)溫度的智能控制。
1.3 暖氣控制模塊
暖氣控制模塊采用數(shù)字流量閥作為執(zhí)行部件。數(shù)字流量閥是一種控制液體流量的閥門，可控制的流量分辨率高，響應(yīng)速度快；驅(qū)動信號是二進制信號，可以與ARM 控制器直接相連。ARM 控制器根據(jù)收到的各監(jiān)測點溫度值以及輸入的控制信息，輸出相應(yīng)的二進制信號來控制數(shù)字流量閥，從而調(diào)節(jié)暖氣熱水的流量，實現(xiàn)室內(nèi)溫度的智能調(diào)節(jié)。
1.4 GPRS 模塊
GPRS 即通用分組無線服務(wù)技術(shù)，是一種以GSM為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。用戶永遠(yuǎn)在線且按流量、時間計費，通信成本低等優(yōu)點，使GPRS 技術(shù)成為家庭智能控制系統(tǒng)中無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴堰x擇。GPRS模塊主要功能是通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)ARM控制器與戶主手機之間的數(shù)據(jù)交換。經(jīng)過性能與成本的綜合考慮，系統(tǒng)選用西門子公司的MC55 GPRS 模塊。
2 自適應(yīng)模糊控制器設(shè)計
因為室內(nèi)溫度系統(tǒng)是一個大純滯后系統(tǒng)，無法建立精確的數(shù)學(xué)模型，所以本系統(tǒng)采用模糊控制技術(shù)對室內(nèi)溫度進行控制，以提高室內(nèi)溫度的控制精度。對于室內(nèi)溫度系統(tǒng)來說，隨著室外溫度及暖氣溫度的變化，原來完善的模糊控制規(guī)則可能會不適合變化后的新環(huán)境，從而導(dǎo)致控制效果不佳。因此，本設(shè)計采用了自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)，以適應(yīng)不斷變化的環(huán)境。自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)
自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)可以連續(xù)和自動地測量被控對象的動態(tài)特性并把它們與理想模型的動態(tài)特性相比較，再用兩者之差去改變比例因子、模糊控制規(guī)則等可調(diào)參數(shù)，以使系統(tǒng)具有優(yōu)化的性能。本系統(tǒng)采用動態(tài)改變相關(guān)比例因子的方式來實現(xiàn)模糊控制系統(tǒng)的自我調(diào)整。如圖2 所示，為了降低模糊控制器的復(fù)雜度，減小計算量，系統(tǒng)采用二輸入單輸出模型。系統(tǒng)設(shè)定溫度值T0與當(dāng)前室內(nèi)溫度值T 的偏差e 和偏差率ec 為輸入變量，控制量u 為輸出變量。室外溫度值T1 與暖氣溫度值T2 為系統(tǒng)參考量。e= T0-T,ec=de/dt.ke 和kec 分別為溫度偏差和偏差變化率比例因子，ku 為控制量比例因子。系統(tǒng)根據(jù)e、ec 的變化并參考T1、T2 的值進行綜合分析，性能辨識，然后動態(tài)的調(diào)整比例因子ke 與kec,從而實現(xiàn)模糊控制系統(tǒng)的自我調(diào)整，以適應(yīng)不斷變化的環(huán)境。
圖3 自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)仿真波形圖
根據(jù)專家知識和實際測試，選擇合適的論域、隸屬度函數(shù)及相關(guān)比例因子，建立合理的模糊控制規(guī)則，在Matlab7.1 中的Simulink 下建立系統(tǒng)仿真模型。
系統(tǒng)設(shè)定溫度為24℃，輸出波形如圖3 所示，超調(diào)量不超過0.5℃，在室內(nèi)暖氣大純滯后環(huán)境下，控制品質(zhì)已相當(dāng)優(yōu)良。實際測試表明，系統(tǒng)具有很好的控制效果及很強的魯棒性。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計主要是基于ARM-Linux,與其他嵌入式操作系統(tǒng)相比，Linux 操作系統(tǒng)具有完整的TCP/IP 協(xié)議，良好的穩(wěn)定性和實時性，很好的滿足了智能控制系統(tǒng)對系統(tǒng)可靠性的要求；此外，Linux 易于移植裁減、內(nèi)核小、效率高、源代碼開放并有眾多的開發(fā)者，為系統(tǒng)的開發(fā)提供了良好的技術(shù)支持。
系統(tǒng)開發(fā)首先建立交叉編譯環(huán)境，然后引導(dǎo)bootloader,移植操作系統(tǒng)，裝載文件系統(tǒng)，開發(fā)圖形界面，最后編寫應(yīng)用程序。本系統(tǒng)采用Linux2.6內(nèi)核，其具有強大的進程、中斷、內(nèi)存和設(shè)備管理功能，支持各種文件系統(tǒng)。系統(tǒng)采用了基于QT/E 的圖形用戶界面，Q/E 延續(xù)了Qt 在桌面系統(tǒng)的所有功能，豐富的API 接口和基于組件的編程模型使得嵌入式Linux 系統(tǒng)中的應(yīng)用程序開發(fā)更加便捷。
系統(tǒng)程序流程如圖4 所示，系統(tǒng)應(yīng)用程序主要由一系列用來實現(xiàn)相應(yīng)功能的子程序組成，主要包括溫度檢測程序、ZigBee 無線通信程序、模糊控制程序、GPRS 無線通信程序等。
圖4 系統(tǒng)程序流程
4 結(jié)束語
本文介紹了一種基于ARM 的室內(nèi)智能溫度控制系統(tǒng)，給出了詳細(xì)的系統(tǒng)架構(gòu)方案，從軟、硬件兩方面闡述了設(shè)計思路和實現(xiàn)方法。系統(tǒng)采用ZigBee 技術(shù)組建小型無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了多點溫度采集，避免了繁瑣的布線；采用模糊控制技術(shù)，提高了室內(nèi)溫度的控制精度；建立了QT 用戶界面，優(yōu)化了人機交互環(huán)境；采用GPRS 技術(shù)實現(xiàn)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。本系統(tǒng)彌補了我國北方冬季供暖系統(tǒng)存在的不足，隨著我國計量取暖的逐步實施，具有很好的實際運用價值。
