基于ZigBee的車載溫濕度模糊PID控制系統設計

摘要：合適的溫濕度是生鮮食品保鮮的重要條件，車載系統溫濕度的實時監控采用ZigBee網絡的無線通信方式。為提高其精度，采用參數模糊自整定方法完善了模糊PID控制系統的自適應性能。結果表明，該系統精度高、成本低、可靠性高、超調量小、動態響應好，更有利于實時監控。

關鍵詞：食品保鮮；溫濕度；ZigBee網絡；CC2530芯片；實時監測

中圖分類號：TP216 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）06-1475-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.06.050

Abstract： The appropriate temperature and humidity are important conditions for fresh food preservation. Real-time monitoring system of temperature and humidity was designed based on the ZigBee network communication. In order to improve the accuracy， fuzzy parameter adaptive control method was used to further perfect the adaptive performance of fuzzy PID control. The results showed that the system had high precision， low cost， high reliability， small surplus， good dynamic response. It improved the control of progress. It is better for real-time monitoring.

Key words： fresh food preservation；the temperature and humidity；ZigBee network；CC2530 chip；real-time monitoring

準確監控車載溫濕度能提高農副產品在運輸過程中的保鮮度。隨著新型菜籃子工程的發展，以湖北省武漢市“家事易”生鮮農產品的供應為研究對象，合適的溫濕度是市內生鮮食品運輸保鮮的關鍵。車載溫濕度系統是純滯后環節的一階慣性系統，存在多個干擾因素，一般PID控制很難達到溫濕度精度的要求，模糊PID控制技術對溫濕度偏差進行處理，能對控制參數自定義調節，魯棒性好、超調量小、動態性能好，提高了控制的精度。該車載系統是基于ZigBee網絡的無線通信方式，每個溫濕度傳感器作為一個節點，主節點匯聚節點信息通過串口通信線路連接到前端中控中心。利用電腦將溫濕度數據存儲到數據庫，以便實現溫濕度的實時監控和管理，實現了生鮮食品運輸溫濕度監控的數字化、網絡化和設備配置的無線化。

1 基于ZigBee的車載溫濕度監控系統設計

基于ZigBee網絡的車載溫濕度系統由溫濕度傳感器、中繼器、協調器、網關和上位PC機構成[1]。溫濕度傳感器采用SHT10數字式傳感器采集車載系統的實時溫濕度，采用CC2530芯片無線通信模塊[2]。該模塊集成了8051處理器，工作頻段2.4 GHz，以低成本建立強大的網絡節點，具有一個IEEE 802.15.4兼容無線收發器[3]，RF內核控制模擬無線模塊。信息通過中繼器傳給協調器，在通過網關傳給上位PC機終端，控制中心對采集的不同車載系統的溫濕度進行實時分析并對偏差進行處理，發送指令控制繼電器和報警器等執行機構，使車載系統溫濕度保持在食品保鮮的合適溫濕度，其基于ZigBee的車載溫濕度監控系統框圖如圖1所示。

2 模糊PID控制器設計

2.1 模糊自整定PID參數控制器

傳統PID算法是將比例、積分、微分3種調節作用結合起來的。PID算法只有在非時變系統中效果較好，而Fuzzy對帶滯性、非線性和時變性系統具有一定的適應能力，同時有較強的抑制能力。Fuzzy-PID控制以系統誤差e和誤差變化ec作為輸入變量，利用模糊控制規則對PID參數進行自整定，結合PID和Fuzzy控制的優點，采用Fuzzy-PID控制溫濕度能達到良好的控制效果[4]。模糊自整定PID參數溫濕度控制器的結構如圖2所示。該系統在標準的PID控制器上加了一個模糊PID參數調節器。

2.2 模糊PID控制系統設計

2.2.1 模糊PID算法 以輸入量的變化值為對應論域，變化數據對應一個模糊語言而形成模糊集合，即模糊語言值的形式，用隸屬函數A（x）表示輸入的變化量和對應的模糊語言值之間的關系。車載溫濕度模糊PID控制參數整定系統是一個兩輸入三輸出的系統，在該系統中，輸入量誤差e乘以自己的量化因子轉化到對應的模糊論域，定義該論域為[-3，3]；誤差變化ec乘以自己的量化因子也轉化到對應的模糊論域，定義該論域為[-3，3]。2個輸入的語言值的模糊子集均設為7段：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，分別是呈正態分布的隸屬度函數，3個輸出量ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊論域均為[-3，3]，其語言值的模糊子集與輸入相同，為方便反模糊化和MATLAB仿真，隸屬函數A（X）選用三角形全交疊式分布，該系統兩輸入e、ec三輸出ΔKp、ΔKi、ΔKd的隸屬度函數曲線如圖3所示。

2.2.2 邏輯關系 模糊條件語句組成模糊規則庫，用數學理論和控制規則綜合評估，得到模糊輸出量，成為模糊邏輯推理過程，即輸入域輸出的邏輯關系[5]，得到對3個控制參數ΔKP、ΔKi、ΔKd的模糊規則（表1），與輸入量對應的二元連續函數關系為 Kp=f1（e，ec），Ki=f2（e，ec），Kd=f3（e，ec）。其字母定義的含義分別為：PB正大、PM正中、PS正小、ZO零、NS負大、NM負中、NB負小。

2.2.3 反模糊化 反模糊化（Defuzzification）又稱為模糊判決[6]，將模糊輸出量轉化為精確輸出量的過程，模糊決策一般采用Mamdanis（min—max）決策法。解模糊一般采用重心法（Centroid），該方法針對誤差e和誤差變化ec論域的每個元素，求出的模糊集合的隸屬度作為帶判決的因素，作出精確的模糊判決。

2.3 基于ZigBee的溫濕度監控流程圖

通過模糊PID控制規則表可以得到3個參數ΔKp、ΔKi、ΔKd對應的模糊值，3個參數的模糊論域值的查表查詢與程序中的定義為：intΔKp、intΔKi、intΔKd[7]。此模糊規則表的數據及對應的模糊控制表子程序保存在ZigBee系統的存儲器數據模塊中。在監控系統中，處理控制器能時時檢測和顯示誤差信號和變化率信號，每隔20 s調用查詢模糊控制表子程序，實現基于ZigBee的溫濕度監控的軟件流程如圖4所示。

3 系統軟件設計

3.1 傳感器節點程序/組網程序設計

終端設備溫濕度傳感器主要負責采集各輛車車內的溫濕度信息，每個傳感器均有一個獨立對應的ID號，將采集到信息匯聚到中心控制節點，由ZigBee模塊將采集的溫濕度上傳，系統設計采用被喚醒的方式與中心節點進行數據的接收和發送。系統節點采用的星型結構，協調器[7]進行初始化的網絡建立，其方法是選擇一個相對空閑的信道和一個ID，然后啟動網絡，當節點加入網絡時候，協調器會自動給其分配惟一的16位網絡地址。系統的組網流程圖如圖5所示。

3.2 串口溫濕度數據顯示設計

ZigBee網絡通信將多點的小信息量組織起來通信，通過多跳的方式送給核心處理器件來進行溫濕度數字信息的分析處理。在Z-Stack協議棧[8]下，選擇“EndDevice”工程配置，對溫濕度節點終端設備燒錄程序，選擇“Router”工程配置，對中繼路由燒錄程序，選擇“Coordinator”工程配置，對中心節點協調器燒錄程序，通過串口調試助手，可以得到4輛車在不同時刻的溫濕度數據，采用周期為5 s。對應的顯示中，每個信息量為8個字節，其中第4、5位字節為溫度的十六進制碼，第6、7位字節為濕度的百分比，數據段為TH TL HH HL，前面TH TL為溫度，后面HH HL為濕度，則溫度計算：T=（TH×256+TL）/100，濕度計算：H=（HH×256+HL）/100，通過串口調試助手得到實時溫濕度數據如圖6。上位機軟件采用Visual C++6.0進行開發，通過上位機軟件實現傳感器節點信息在PC機上的數據設置，顯示良好的人機界面，利用RS-232串行口實現中心控制節點的串行通信。

4 MATLAB軟件仿真

溫濕度控制采用模糊PID算法，在MATLAB仿真[9]中，建立一個K.FIS模塊和一個推理模糊控制系統，用READFIS命令將K.FIS文件加載到模糊控制器模塊（Fuzzy logic controller）中進行仿真。設置車載系統的溫濕度一階慣性系統的參數為K=0.91，T=142 s，τ=30 s，則系統的傳遞函數為：G（s）=e-30 s，其Simulink 的仿真結構如圖7所示。采用模糊PID控制的動態響應曲線較好，動態響應快、超調量小、高精度，而且這種方法抗干擾能力也很強，同時對溫濕度一階慣性滯后環節的適應能力很強。

5 小結

針對車輛溫濕度采集和監控問題，傳統方式中存在接線復雜、設備難維護等缺點，基于ZigBee的車載溫濕度模糊PID控制系統采用SHT10溫濕度傳感器采集溫度，利用ZigBee無線傳感網絡進行通信，利用中控中心對溫濕度數據進行顯示、存儲、計算、分析。對溫度的處理采用模糊PID計算方法，動態響應快、超調量小、高精度、抗干擾能力強。該系統使用性能好，測量數據實時性能快，準確度高，PC機界面友好，有較大的實用價值。

參考文獻：

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[8] Microchip.Microchip stackfor the ZigBeeTMprotocol V1.0-3.6[EB/OL]. http：//www.wanfangdata.com.cn.

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