基于FPGA的智能建筑濕度檢測控制系統設計

熊殿華

(成都藝術職業學院,成都 610000)

基于FPGA的智能建筑濕度檢測控制系統設計

熊殿華

(成都藝術職業學院,成都 610000)

在信息化社會，智能建筑越來越多的被提及，智能建筑是指對建筑內外信息交換、舒適性、便利性和節能性的要求;建筑物室內濕度是人們在其中生活、工作、生產的重要考量因素;而隨著技術發展，以高效穩定的FPGA芯片為核心的控制系統開始向智能建筑領域應用部署;因此文章提出并設計了基于FPGA的智能建筑濕度檢測控制系統方案;文中采用硬件分析和軟件設計相結合的方法;硬件分析需要對系統做一個整體把握并尋找經濟實惠、穩定可靠的芯片，硬件的可靠是系統穩定工作的前提;軟件設計需要將系統的工作方式和實際可能遇到的問題考慮進去，提高系統的容錯能力;最后軟硬結合并實驗實踐操作驗證系統的可靠性;在實驗結果中，該系統可以有效的調節室內的濕度并根據遇到的問題發出警告提示;得出結論，以FPGA控制器為核心的系統，可以擔起智能建筑的濕度檢測控制任務，并穩定工作。

FPGA；濕度；檢測控制

0 引言

智能建筑領域得到了廣泛關注并迅速發展，為人們提供了更加舒適的生活和工作環境創造了條件[1-3]。室內空氣濕度自動調節是智能建筑中重要的組成部分。潮濕的空氣易于細菌的繁殖和傳播，是生活在其中的人也會受到濕氣的影響，威脅身體健康。另一方面，過于干燥的空氣也會使人不適。智能建筑能擁有適宜的空氣濕度是急需解決的問題。

近年來，現場可編門陣列(field programmable gate arrays, FPGA)因其可反復寫入編程，縮短開發周期、速度快、集成度高、可靠性強等優點，在許多領域得到了廣泛的運用。用戶可以利用計算機平臺來編程實現專有功能，大大降低了硬件設計的成本，同時提高系統的可靠性。若將智能建筑系統中各個控制系統用FPGA來實現，從而達到減少外圍線路走線布局，整體提高系統的穩定性，同時是系統體積減少、方便靈活。另一方面，使用編程可以快速的修改參數設置[4-6]。

2013年，賀婷的基于FPGA的智能鞋柜控制系統設計[7]；2015年，劉艷昌等人的基于FPGA的火蔬菜大棚環境監測控制系統[8]。2013年，林柏林提出了基于FPGA技術的智能照明系統[9]；這些系統的設計說明FPGA技術越來越成熟并受到廣泛關注和運用。

本文提出，在建筑物中以基于FPGA技術來建設一個智能的濕度調節系統是一個實用性強的有效方案。以FPGA為核心，傳感器和外圍電路完成信息采集，蜂鳴器、除濕機、加濕器和外圍電路構成工作電路。方案通過實驗獲得成功，驗證了基于FPGA技術系統的穩定高效性。

1 系統總體方案

該濕度檢測控制系統框架結構如圖1所示，系統硬件主要由傳感器、FPGA控制器、顯示設備、控制設備、警示設備等組成。

圖1 智能濕度控制系統框架圖

系統以FPGA為核心部分，并加上4個輸入端和4個輸出端構成濕度調劑系統的總體框架。分布在空間不同地方的多個濕度探測器在系統運行后，開始采集空間內的參數，系統核心將濕度傳感器輸送的電流信號轉化為數值作為后續使用。濕度傳感器是測量濕度參數的重要器件，器件部署太少不足以說明空間內的潮濕程度，太多了效果沒有增加反而增大了系統成本。壓力傳感器是用來測量門和窗戶等建筑物與外界的交換窗口。因為當室內除濕或者加濕機開始工作時，如果門窗等長時間打開，外界空氣和室內空間有流通，那么除濕或者加濕機是在做無用功。此時系統需要知道門窗的打開時間，如果一直開著，就報警并停止工作。濕度設置是通過按鍵設定希望達到的濕度值，系統將設定值和實際探測的值比較，來確定工作方式。模式選擇輸入是選擇系統內部設定的默認濕度值，針對用戶不清楚設定多大值得情況下，可以選擇提供的幾種模式：舒適模式，干爽模式，濕潤模式。不同的模式對應系統內設定的默認值。

圖1所示輸出端有4個接口：工作方式、兩類報警和數據顯示。主控中心將探測到的濕度值和設定值比較來判斷工作狀態。在工作過程中，要實時監測門窗是否打開以及打開的持續時間。當持續時間過長時，說明室內人門忘記關閉，此時室內和室外空氣聯通，工作機器將做無用功，需要報警提醒并停止工作。當開始除濕作業時，需要將空氣中的水汽收集存儲到水箱中，其目的是當進行加濕作用時，水箱為其提供水資源。當時當水箱溢滿或水用盡后，除濕或者加濕不能繼續工作了，需要報警提醒。控制中心將濕度傳感器收集的數據通過液晶屏顯示出來，供用戶實時了解當前空氣濕度狀態。

2 系統硬件

2.1 濕度傳感器和檢測電路

濕度傳感器測量技術是將待測空氣中水分含量轉化為電信號表示出來。

文中系統濕度傳感器采用的是DHT11溫濕度一體式復合傳感器，輸出已經校準的數字信號。它使用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，從而確保產品的可靠性和穩定性。傳感器內部包括一個電阻式感濕元件并與一個高性能8位單片機相連接，因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。電阻式濕度傳感器是基于電阻-濕度特性原理來實現的，環境中空氣中水分被傳感器中材料吸收，改變了材料的電阻而導致電流的變化。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，使其成為該類應用中，在苛刻應用場合的最佳選擇。由于采用數字式數據輸出，因此減少了模擬信號向數字信號轉換的電路，提高了速率。它采用1-Wire總線接口，適用了常溫環境，精度為±2 ℃，測量濕度范圍為20%～90%RH，精度為±5%RH，信號傳輸距離可達20 m以上，能夠滿足大多數室內環境的使用。溫濕度傳感器的硬件連接如圖2所示。

圖2 DTH11傳感器與控制中心連接圖

圖2是DTH11濕度傳感器與控制器的電路連接圖。圖中接上了5100歐的上拉電阻，為了使信息傳輸的距離滿足實驗需要。

2.2 壓力采集電路

力學傳感的種類繁多，壓阻式傳感器用途廣泛。壓阻式壓力傳感器是利用單晶硅材料的壓阻效應以及外圍的電路技術構成的傳感器。壓阻效應是指，當存在一個力作用到單晶硅時。晶體會產生形變，這個形變導致晶體內部的載流子發生遷移，導致了晶體總體結構的電阻率的變化。電阻率與壓力存在的對應特性以及電阻與電流的關系，可以使用集成電路來完成對壓力大小的測試。

圖3是信號采集電路圖，使用4個壓力電阻搭建了4之路電橋，當受壓導致電壓變化。使用放大器對電壓信號放大輸出。該電路可以過調節滑動變阻器來調控失調電壓大小。

圖3 信號采集電路圖

由于輸出的數值是模擬信號，需要進行A/D轉換。本方案采用ADC0832，一種大量使用的模數轉換芯片。0832與控制器接口連接主要4條數據線，分別是片選，時鐘，數據輸入、輸出。

圖4說明了ADC0832的工作方式。當片選由高變低時，選中0832。在時鐘上升沿，數據輸入到內部寄存器。在第一個時鐘期間，數據輸入保持高位表示啟動位。緊接著兩個配置為，此時選通了模擬通道，轉換開始。0832在第四個時鐘下降沿輸出轉換的數據。先輸出高7位再發送低7位。當片選為高電位時，內部寄存器清零和輸出停止。所以，片選應該在整個工作周期內保持低電平，否則芯片不工作。

圖4 ADC0832工作時序圖

3 系統軟件

3.1 加權平均算法

在對多參數綜合評價中，人類社會擁有多種多樣評價方法。采用不同的評價方法對同一事物將得到不完全相同的結論。某一方法對整體事物的評估即有合理性也存在不足，因此需要探究寫能盡可能使評估結果符合目標需要的方法。

加權平均算法是對多參數條件下對評價事物的綜合評價值進行組合的方法。它有兩個個基本步驟:

(1)加權平均:對待評價參數賦予不同的權重值進行組合計算;

(2)事后檢驗:組合后考察結果與設定目標是否密切相關, 來判斷計算結果多大程度上符合原定目標。

設存在N個待評價單元參數值ni(i=1,2…N)，目標值為M。由于N個參數值對目標的影響程度不一樣，所以對N個參數賦予不同測權重值ai(i=1,2…N),由此得到:

(1)

公式(1)中m是由參數加權相加然后取平均后得到的結果值。這里m是加權系數，m值越大，表示相應的目標越重要，在決策中應予考慮的比重越大。加權平均法通過不同的系數來體現不同指標的重要程度，因而使用較為廣泛，但如何正確地對權系數定值，則是一個重要問題。

Δm=m-M

(2)

公式(2)中Δm是結果值與目標值之間的誤差值。事實上取不同的權重ai，得到的誤差將不同。

使用迭代算法模型確定權重。由:

(3)

I為第n個樣本第i個指標的輸入值;O為與第n個樣本對應的目標輸出值。第n個樣本的輸出與期望輸出之間的誤差為:

(4)

將權重的這兩個約束條件解除變成無約束模型, 定義權重為:

(5)

再有:

(6)

l為迭代次數，由(3)(4)(5)(6)可以得到權重值。

3.2 軟件流程圖

圖5所示為系統工作的流程圖。如圖，系統開始工作后，要讀取當前設定的目標數值A，該目標值通過按鍵調節或者選取適當的模式，每個模式有對應的目標值。隨后，系統程序需要將當前的實際室內濕度數值B與目標數值A進行比較。值B的獲取依賴于分布在各個地方濕度傳感器。當A與B的差值在3%以內時，這個差值在合理的浮動范圍內，系統向下執行相關步驟，而是在這里檢測空氣濕度，一旦濕度超出合理方位，開始執行下一步。如圖中對|B-A|<=3%盤判決。

A與B的差值決定了系統的工作方式。當實際測量值B小于目標值A超過3個單位時，說明空氣濕度低于要求值，需要進行加濕作業；相反，如果B大于A超過3個單位，空氣濕度過大，需要進行除濕作業。如圖，系統沒有立刻開始作業，而要先完成其它檢測。如果需要進行加濕作業，需要知道水箱水源是否用盡，若水源用盡，加濕無從談起，觸動蜂鳴報警。如果進行的是除濕作業，系統要將空氣中的水汽集中并儲存于水箱，若水箱水滿，繼續收集空氣中的水會導致水溢出，此刻需要觸動蜂鳴報警。

圖5 系統工作流程示意圖

水箱水位適合后，系統開始作業但要判斷門窗的開閉問題。若門窗開著，室內外保持空氣流通，此時系統作業沒有效果。但人員進出需要開關門，所以系統需要監視門窗從系統開始工作時，門窗的連續打開時間。門窗的開關通過安裝壓力傳感器檢測。一旦門窗打開持續時間找過要求值，系統才觸發報警提醒。

最重要的是，當系統工作時，當室內環境與目標值誤差達到合理值時，系統依然保持工作直到設定值，然后停止。此時，系統檢測環境濕度，知道環境濕度和目標值超出合理范圍，將再次工作。當測量值接近目標值時，可以適當降低功率。

4 算法及濕度檢測

為了更好的評估，權重的取值顯得格外的重要。在本文章中，檢測控制的是室內濕度，然而室內空氣相對流通緩慢，不同位置空間的濕度存在差值。人們在室內活動的空間分布相對固定，所以我們需要設定，人們相對活動頻繁的位置的空間濕度更要接近于人體舒適濕度，即此處的取得的濕度參數值在整個濕度評估過程中的衡量權重更大。

利用加權平均算法計算室內空間濕度值，我們選擇了5個空盒，通過噴霧等增加盒子內部的濕度，是5盒子里有不同的濕度值。然后使用5個濕度探測器，每個探測器賦予不同的權重值，測量結果如表1所示：對測到的數據賦予不同的權重，表中間部分。對于相同的濕度值參數，賦予不同的權重值，得到的計算結果也不同。計算值比較靠近權重值大的參數。結果與理論要求一致。

表1 使用加權算法計算得到的濕度值

5 實驗結果與分析

5.1 實驗結果

為了驗證FPGA為核心的智能建筑濕度檢測控制系統的有效和可靠性。實驗選取了40平米面積的室內空間，擁有一扇門和兩扇窗作為通氣口。實驗開始前，打開門窗一段時間讓室內外的濕度保持一致。實驗選取除濕機的功率為750W，除濕量參數為36 L/d(30℃，80%RH)。加濕器選用功率為30 W，加濕量為280 ML/h。

圖6展示的是封閉環境測試，即在實驗過程中不打開門窗，盡可能降低室內環境和外界環境的空氣流通。實驗開始時，室內外濕度為38%，實驗過程中，每30分鐘使用第三方濕度計測量并記錄一次空氣濕度值。圖6展示的是系統的除濕過程，室內的空氣濕度的目標值設定為20%。通過圖可以知道，該次實驗總用時210分鐘，濕度曲線是呈下降趨勢，在第180分鐘的測量值已經達到目標值，在第210分鐘的測量值依然保持為濕度20%。圖7是系統的加濕過程，選定潮濕模式系統默認室內的空氣濕度的目標值設定為50%。該次實驗總用時210分鐘，濕度曲線是呈上升趨勢，在第180分鐘的測量值接近目標值，在第210分鐘的測量濕度值為50%。

圖6 封閉環境下的除濕

圖7 封閉環境下的加濕

圖8～9展示的是非封閉環境測試，即在實驗過程中測試長時間打開門窗，盡可能增加室內環境和外界環境的空氣流通。實驗開始時，室內外濕度為38%。圖8展示的是系統的除濕過程，室內的空氣濕度的目標值設定為20%。在第60分鐘后，打開門和窗戶時間超過30分鐘，然后在90分鐘時關閉。通過圖可以知道，該次實驗總用時270分鐘，濕度曲線是呈下降趨勢但是在60-90分鐘間室內濕度是上升的，因為此時門窗是打開的，室內外空氣流通，室內空氣濕度回升，80分鐘時系統停止除濕作業。在第240分鐘的測量值已經達到目標值，在第270分鐘的測量值依然保持為濕度20%。圖9是系統的加濕過程，選定潮濕模式系統默認室內的空氣濕度的目標值設定為50%。在第60分鐘后，打開門和窗戶時間超過30分鐘，然后在90分鐘時關閉。該次實驗總用時270分鐘，濕度曲線是呈上升趨勢，在第210分鐘的測量值接近目標值，在第240分鐘的測量濕度值為50%。

圖8 非封閉式環境下除濕

圖9 非封閉式環境下除濕、加濕

5.2 實驗結論分析

觀察圖6～9中的曲線，可以得到以下結論：

1)除濕或者加濕過程中，圖6～9的曲線總體呈現下降或上升趨勢，且測量結果趨于目標值，說明系統能夠穩定正常的作業；

2)圖6～9的曲線呈現凹凸形，說明當系統剛開始工作時，系統工作效率較高，當室內濕度趨近目標值時，曲線趨于平和，此時系統效率有所降低；3)圖8～9中，曲線中間出現波動，是由于窗戶或者門窗的長期打開導致室內外空氣流通，濕度改變。實驗結果與理論相符合；

4):由圖6～9比較可得，于中途出現空氣長時間流通，使得工作時間變長。

5.3 本方案的不足

本方案操作簡單，安全高效，利用了很多現成的設備，降低了自研的時間和成本。但是也存在一些問題：

1)噪音，除濕機的工作噪音未進行處理，影響室內人員工作；

2)對于水源沒有做到完全自給自足，需要人員補充或者傾倒；

3)報警聲音不夠友好，報警提示有待改進。

6 結論

基于FPGA作為控制系統的核心控制芯片，設計實現室內濕度測量與控制系統，使之高效穩定安全運行，有效減少電能消耗．經過對系統實驗分析，本系統達到了較好的效果，其運行穩定，定位準確，達到了室內濕度合理調節并科學節能管理．

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FPGA-based Design of Detection and Control System of Intelligent Building Humidity

Xiong Dianhua

(Chengdu Art Vocational College, Chengdu 610000,China)

More intelligent buildings have been mentioned in the information society. In fact, intelligent building refers to the exchange of information inside and outside the building, comfort, convenience and energy efficiency requirements. Humidity of indoor is an important factor for people to work and production. With the development of technology, the control system with high efficiency and stable FPGA chip as the core has been deployed in the field of intelligent building. Therefore, this paper puts forward and designs the intelligent building humidity control system based on FPGA. In this paper, hardware and software design are combined. The hardware analysis needs to make a whole grasp of the system to look for the economical, stable and reliable chip. The software design to take into account the system's the problems that may be encountered, and improve the fault tolerance of the system. Finally, the software and hardware are combined to verify the reliability of the system. The experimental results show that the system can effectively adjust the indoor humidity, and provide warning for problems. It is concluded that the system of FPGA controller can be used to control the humidity of the intelligent building.

FPGA; humidity detection; intelligent control system

2016-12-27；

2017-01-18。

熊殿華(1974-)，男，四川瀘州人，副教授，主要從事建筑信息化方向的研究。

1671-4598(2017)03-0105-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.029

TP3

A