環境溫濕度模糊識別傳感系統設計與仿真分析

陳克忠，房建東

（內蒙古工業大學內蒙古呼和浩特010051）

環境溫濕度模糊識別傳感系統設計與仿真分析

陳克忠，房建東

（內蒙古工業大學內蒙古呼和浩特010051）

針對現有溫濕度傳感器存在的缺點和不足，根據模糊測量原理，設計了以"人體舒適度"為輸出對象的智能溫濕度傳感器系統，該系統融入了專家系統，綜合考慮了環境溫度、濕度和季節等相關因素對人體舒適度的共同影響。在MATLAB條件下建立仿真模型，對該系統進行了仿真測試，仿真結果表明，該系統能夠根據推理規則很好的輸出"人體舒適度"的模糊語言值，比傳統單一數值式傳感器的測量更加智能化和人性化。本設計可在一定程度上彌補傳統溫濕度傳感器只能輸出固定值，不具有判斷能力的缺陷。

溫濕度傳感器；模糊測量；人體舒適度；MATLAB仿真

傳統傳感器實現的功能是信息到數值的轉換，一般流程是敏感元件監測被測環境后經過計算給出具體數值，其轉換的結果是定量信息，它的精度高，冗余少，但同時它也存在著測量結果不易理解，數據存儲量大和涉及人類自然行為以及某些高層邏輯信息難以描述的問題。而模糊算法可以在不需要復雜的數學建模的情況下，即可將多個因素綜合評價以得到預期結果［1］。所以就有了模糊傳感器的產生。

在人們越來越關注公共場所和居室環境舒適度的今天，環境溫濕度的監測已成為人們監測居住環境的重要部分［2］。而傳統的溫濕度傳感器也是數值傳感器，它將溫度、濕度映射到實數集中，以精確的數值來描述被測溫度，濕度狀態，即以定量的形式對溫濕度加以描述。但是由于環境溫濕度的多維性，溫度與濕度之間存在著復雜的相關性［3］，只進行單純的數值測量且對測量結果以數值符號來描述存在很大缺陷。基于以上原因，文中設計了一款以溫濕度為基礎的人體舒適度指數模糊傳感器系統。本設計綜合考慮溫度與濕度的共同作用，在經典的數值測量基礎上，經過模糊推理與知識集成，以自然語言符號描述的形式輸出當前環境的人體舒適度指數，可以作為智能家居的環境檢測方案。

1　頂層結構設計

本設計的總體思想是將“傳統數值測量”與“模糊語言符號”相結合，并且將多傳感器融合處理，得出一個不可直接測量的模糊語言輸出。它以數值測量為基礎，將數值量作為中間量，然后根據模糊判斷規則，最終輸出被測對象信息自然語言符號化表示。

該系統前端采用傳統溫濕度傳感器，通過空氣溫度、濕度敏感元件感知空氣溫度和含水量，然后通過數值測量單元將空氣溫度、濕度轉化為具體的數值［4］。考慮人體在不同季節對溫濕度的感受不同，引入季節參變量。建立模糊規則，最終得出模糊語言輸出。其整體原理框圖如圖1所示。

圖1　模糊濕度傳感器系統框圖

2　模糊溫濕度傳感器設計步驟

2.1數值量的模糊化定義

多傳感量融合模糊傳感器的模糊語言輸出量是由其復合概念的語義融合而成的。所以本設計的模糊輸出也是由溫度、濕度和季節的語義量融合而成的。首先建立溫度和濕度的模糊隸屬度函數，建立季節隸屬度函數，然后建立輸出舒適度隸屬度函數。

2.2隸屬度函數的建立

分別建立溫度、濕度季節和輸出舒適度的隸屬度函數。本設計采用高斯型函數對溫度、濕度的論域建立隸屬度函數。這種隸屬度函數的特點是連續且點點可求導，比較適合于自適應、自學習模糊控制的隸屬函數修正［5］。

2.2.1溫度隸屬度函數建立

設環境溫度為0～40℃，對該范圍內的溫度數據（T）進行模糊化處理，從數值量轉換到對應的語言量模糊集的論域。定義該論域分5個檔次，T=｛冷、涼、適中、熱、很熱｝，字母表示為T=｛CD、CL、M、H、VH｝。定義其隸屬度函數如公式（1）。

2.2.2濕度隸屬度函數建立

設環境相對濕度為0～100%，對該范圍

內的濕度數據（H）進行模糊化處理，從數值量轉換到對應的語言量模糊集的論域。定義該論域分5個檔次H=｛過低、偏低、適中、過高、很高｝，字母表示為H=｛VL、LL、M、LH、VH｝。定義其隸屬度函數如公式（2）。

2.2.3季節隸屬度函數建立

由于人體對溫濕度感應只在夏季和冬季差別較大，所以季節（S）輸入分為夏季和冬季，并且為確定的二值量，S=｛夏季、冬季｝，字母表示為S=｛S、W｝。隸屬度函數如公式（3）。

其中0代表夏季，1代表冬季。

2.2.4輸出舒適度隸屬度函數建立

根據經驗將輸出舒適度（F）的論域定義為四個等級C=｛很不舒適、不舒適、舒適、很舒適｝，字母表示為C=｛VNC、NC、C、VC｝。定義其隸屬度函數如公式（4）。

其中0代表很不舒適，1代表不舒適，2代表舒適，3代表很舒適。

2.3模糊規則建立

通過實驗，專家提出最適宜人的室內溫度和濕度是：冬天溫度15～25℃，濕度30～80%；夏天溫度23～28℃，濕度30～60%。

在這種環境下感覺舒適的人占95%以上［6］。文中采用if…Then形式設計模糊規則表，如表1。

表1　模糊規則表

3　MATLAB仿真分析

3.1仿真平臺搭建

為了驗證本設計的有效性，文中在MATLAB環境下，搭建了推理機的仿真模型，如圖2所示。

圖2　模糊推理機模型

仿真模型的參數表如表2所示。

表2　仿真參數表

3.2仿真結果及分析

在MATALB下建立模糊隸屬度函數，和模糊判定規則后，輸出結果如圖3～5所示。

圖3溫濕度和舒適度的關系圖

圖3是在季節相同的情況下，溫濕度對人體舒適度的影響。從圖中信息可以看出：只有溫度和濕度同時達到合適的范圍時，傳感器的輸出值才是“很舒適”。當溫度和濕度在不同范圍時，傳感器將溫濕度的值融合，得出一個合適的“舒適度”輸出量。

圖4是在濕度相同的情況下溫度、季節對人體舒適度的影響。從圖中信息可以看出：冬季和夏季人體對溫度的感應有所不同，要達到最佳舒適度，夏季比冬季需求的溫度要稍高。

圖5是在溫度相同的情況下濕度、季節對人體舒適度的影響。從圖中信息可以看出：冬季和夏季人體對濕度的感應有所不同，要達到最佳舒適度，夏季比冬季需求的濕度要稍低。

通過以上仿真數據可以看出，本設計綜合了環境溫度、濕度和季節3個方面的因素，并且能夠根據推理規則很好的輸出“人體舒適度”的模糊語言值，比傳統單一數值式傳感器的測量更加準確和智能。

圖4　溫度、季節和舒適度的關系圖

圖5　濕度、季節和舒適度的關系圖

4　結論

本文根據模糊測量原理，以“人體舒適度”為輸出需求背景，構造智能模糊溫濕度傳感器系統。選取溫度，濕度和季節作為模糊輸入，人體舒適度作為系統輸出。對輸入輸出建立相應的隸屬度函數，根據相關資料和筆者的經驗定義里模糊規則庫，完成了模糊溫濕度傳感器的設計。在MATLAB下搭建仿真平臺，分析仿真輸出結果，結果表明本設計能夠較好的融合溫度、濕度和季節3個參量，輸出人體舒適度的模糊語言值。本設計可在一定程度上彌補傳統溫濕度傳感器只能輸出固定值，不具有判斷能力的缺陷。

［1］陸亞芳，易可夫.基于模糊理論的無線傳感器網絡多層分簇式路由算法［J］.傳感技術學報，2014，27（7）:933-934.

［2］莫小錦，周嚴.基于射頻技術與無線網絡的溫濕度遠程監測系統［J］.傳感技術學報，2011，24（10）:1501-1503.

［3］行鴻彥，彭基偉.一種濕度傳感器溫度補償的融合算法［J］.傳感技術學報，2012，25（12）:1711-1715.

［4］韓俊峰.基于溫濕度的模糊傳感器舒適度合成法研究［J］.傳感器技術，2002，21（38）:19-24.

［5］王耀南，孫煒.智能控制理論及應用［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［6］王明輝.房間內應保持適宜的溫度和濕度［J］.中國初級衛生保健，1992，6（4）:42.

Design and simulation analysis of fuzzy identification sensor system for environment temperature and humidity

CHEN Ke-zhong，FANG Jian-dong
（Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010080，China）

Aiming at the shortcomings and deficiencies of the existing temperature and humidity sensor，according to the principle of fuzzy measurement，an intelligent temperature and humidity sensor system is designed，which takes"human comfort"as the output object.The system is integrated into the expert system.The combined effects of environmental temperature，humidity，season and other factors on the comfort of human body were considered.Simulation model is established under the condition of MATLAB，the results show：the system can output the fuzzy linguistic value of"human comfort"according to the rules of reasoning，which is more intelligent and humane than the traditional single numerical sensor. The design can make up for the defect which is the traditional temperature and humidity sensor can only output fixed value，not have the ability to judge.

seneor of temperature and humidity；fuzzy measurement；comfort degree of human；simulation

TN6

A

1674－6236（2016）12-0057-03

2015-11-06稿件編號：201511059

內蒙古自治區科學基金項目（2014MS0619）；內蒙古自治區科技計劃項目（20120304）

陳克忠（1989—），男，山東菏澤人，碩士研究生。研究方向：智能信息處理與決策支持。