具有WIFI傳輸功能的智能變風量溫控系統

王 哲，王延年

（西安工程大學電子信息學院，西安710048）

具有WIFI傳輸功能的智能變風量溫控系統

王 哲，王延年

（西安工程大學電子信息學院，西安710048）

針對傳統用89C51單片機控制的溫控器不具備進行無線傳輸和設定的特點，以WIFI通訊協議為架構，配合以增強型STM32為核心的嵌入式系統，以單風管變靜壓VAV系統為控制環境構成智能工業空調系統。重點闡述其外部統構，變頻風機模糊控制器設計和基于CC2540的射頻模塊方案，并在STM32平臺上闡述硬件設計和軟件驅動及WIFI網絡通訊結構的搭建。通過無線溫度采集系統和VAV系統控制器對室內溫度實現無線監控和調節，溫控器系統內部集成變頻風機的兩種模糊自適應控制算法，由使用者確定并進行相關參數設定。該溫控器實現了通過WIFI通訊協議，上位機與溫控器之間的準確調節，通過設定通信，使控制系統更加智能。

工業中央空調；WIFI通信棧協議；VAV控制系統；模糊自適應控制；嵌入式應用；Linux系統移植

1 引言

大多數空調系統都是基于89C51+DS18B20的系統，具有相對的穩定性，并且硬件開銷低，穩定性好。但在工業環境中，其布線復雜度以及大量有線電路的損耗和浪費都是科研工作者集中解決的課題。基于近幾年無線技術的高速發展，具有近距離無線傳輸功能的溫控系統作為研究課題越來越多，大多數具有無線傳輸功能的溫控系統研究都是基于Zigbee通訊協議棧配合防碰撞網關，實現應用層分層通訊。Zigbee作為近年熱門的點對多點通訊協議具有穩定性好、融合性高的優點，其缺點是傳輸速率較低，功耗較高，很難應用到1Mbpsits/S以上高傳輸速率的無線通訊設備上[1]。

基于以太網和TCP/IP協議技術，以符合工業無線標準IEE802.11b的WIFI通訊協議棧為底層核心來實現節點數據傳輸[2]。WIFI作為近幾年在家用和商業領域很熱門的無線通訊協議，其特性是傳輸速率高，距離較短。分別通過遠程人機端嵌入式硬件系統，以及軟件分層操作系統結構詳細介紹了如何通過在VAV系統中的無線終端設備實現工業空調現場傳感器數據的采集和傳送。重點闡述和介紹了VAV系統內部變頻風機的兩種控制算法，以及與傳統PID控制算法比較在積分環節（PI）的穩定性優勢，以及終端傳感器SHT11的數據采集和發送程序及算法子程序設計。

2 VAV系統構建

2.1 閉環單風管變靜壓VAV系統環境

一般全空氣空調系統通常通過兩種方法來維持室內所需要的溫度和濕度：一種是固定送風量，改變送風溫度；另一種是固定送風溫度，改變送入室內的風量[3]。后者就被稱為變風量空調系統（Variable air volume system）。為了減少定靜壓法在傳感器位置及數量設定上的難確定，以及其成本較高、節能效果差這一缺點，采用節能效果更高、成本更低的單風管變靜壓VAV控制系統。變靜壓單風管VAV溫控系統是一個雙閉環系統，其結構主要由變頻風機、智能溫濕度傳感器SHT11、控制閥門（風量末端的風閥）等組成。雙閉環設計為多變量的VAV系統保持各回路之間的良好耦合[4]。系統結構如圖1所示。

圖1 VAV雙閉環控制系統結構框圖

機組的架設由風閥控制器、靜壓傳感器、VAV裝置和變頻風機等組成[5]。內部控制是由末端檢測的風量值作為參數值，室內溫度測量值與設定值的偏差作為模糊自適應控制算法的輸入值，結果傳輸給控制模塊作為確定參數值的指標[6]。通過在送風機的電源線路上加裝變頻器的方法由SC（system control）系統控制器指示送風機控制轉速。控制系統結構如圖2所示。

圖2 VAV單風管變靜壓控制系統結構

2.2 變頻風機模糊自適應控制算法

針對傳統的PID算法調節，即“先比例，再積分，最后微分”，其在超調量性能上的不足，將模糊自適應改進控制算法應用到變頻風機的智能調節中。在模糊控制中，控制器維數越高，控制精度越好，但由于變頻風機的被控對象較多，使用多維模糊控制器會使復雜程度增加，算法的難度和仿真結果的準確性也會降低。在此本文創新型采用維控制器，一維控制器牢牢抓住設定值與被測值誤差作為模糊控制器的輸出，其輸入輸出結構如圖3所示。二維控制器選用反饋檢測值與輸入值作為系統輸入量，由使用者來進行選擇，其輸入輸出結構如圖4所示。并將自適應控制應用到已經設計完成的回路中，以獲得更好的控制效果，加強模糊控制器的學習功能。

圖3 一維模糊控制器I/O結構框圖

圖4 二維模糊控制器I/O結構框圖

自適應控制器相較于一般的模糊控制器增加了三個環節：性能測量、控制量矯正和控制規則修正。選擇反饋信號和輸入信號的誤差作為模糊控制器的兩個輸出，以E和EC來表示；控制器的一個控制輸出作為增量，記做ΔU，則論域和模糊集合定義如下：

E、EC和ΔU的模糊集為：

{NB，NM,NS,ZO,PS,PM,PB};

E和E的論域：

{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5,6}

ΔU的論域：

{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5,6，7}

在建立模型前規則庫的建立為推理機提供模糊規則，根據控制環境采用經驗歸納法，用關系連詞對變頻風機風道靜壓回路進行模糊規則的設定。在變頻風機算法中常用模糊規則為：靜壓低，且靜壓上升不快，則提高變頻風機頻率；靜壓高，且靜壓快速上升，則降低變頻風機頻率。如用關系連詞表示輸入變量為誤差和誤差變化，以及輸出的控制量增量，即可表示為：if e is NB and ec is PC，then Δu is PM;if e is PB and ec is PB,then Δu is ZO。根據規則推理出的模糊值并不能用于被控對象，需通過解模糊根據推理的結果求得最能反映控制量的真實分布。采用加權平均法求得期望值，其計算公式為：

一般情況下則可表示為：

對系統需要進行仿真，即需要對變頻風機風道靜壓回路進行數學建模并對模糊控制系統進行仿真。采用階躍響應法對變頻系統，在MATLAB環境下運用Simulink對動態系統進行組態和模型仿真，并將獨立的比例積分PI子系統加入到系統前端，通過反復調整達到設計要求并增加穩定性。

3 基于WIFI協議棧的系統內部結構

3.1 帶有終端傳感器的網絡結構

通過在測試室內加裝溫度傳感器SHT11連接節點設備CC2540（芯片為SOC片上系統的WIFI射頻模塊），由CC2540控制傳感器進行數據采集，然后將數據以無線方式發給WIFI集中器，通過SPI串口由控制模塊終端發送到協議棧物理層，再通過應用層程序實現通信控制功能，從而控制風閥扇葉準確調節風壓。采集流程如圖5所示。

圖5 CC2540數據采集流程圖

3.2 系統硬件和軟件層程序設計

嵌入式硬件部分為處理器、存儲設備、電源電路、通信接口（SPI和JTAG等）、以太網模塊和外圍設備（LCD顯示、USB、外設鍵盤、鼠標等）。核心處理器采用增強型STM32F103VET6，STM32F103VET6芯片是基于ARM公司Cortex-M3內核的高性能、低功耗的32位Flash微處理器，其硬件層構成如圖6所示。軟件層可分為應用層、OS層和驅動層三部分，應用層的作用主要是通過開發應用層程序對采集的信號在OS層進行實時管理，選擇Linux系統對圖形界面程序、射頻模塊數據采集程序等嵌入式操作系統進行裁剪、移植[7]。在驅動層部分，使用Linux Kernel分別對LCD、USB、WIFI等進行模塊加載驅動。軟件層結構如圖7所示。

圖6 智能溫控器硬件層組成

圖7 智能溫控器軟件層結構

在程序操作部分重點介紹射頻模塊發送程序流程設計和控制算法子程序設計。射頻模塊首先需要對CC2540進行初始化并進行信道掃描，收到節點匯聚的信標后發送信號，請求連接成功后開始發送數據，如沒有通過則繼續連接直到成功[8]。每次數據發送成功節點需休眠等待下次數據傳輸時喚醒。其程序流程圖如圖8、9所示。

圖8 射頻模塊發送數據流程圖

在算法的程序設計環節，需考慮系統模糊控制量系數，它根據采集環境溫度來確定，并選擇閥門的首次開度[9]。并且，在選擇好調節參數后系統還要對選擇的參數進行檢測，以確定是否合適[10]。通過對比測量值與設定值來控制閥門開度和靜壓值參數，最終使室內溫度與用戶設定的目標溫度相等，反之亦然[11]。其算法程序流程圖如圖10所示。

圖9 射頻模塊接收數據流程圖

圖10 控制算法子程序流程圖

4 結束語

主要闡述了以WIFI通訊協議的射頻模塊為核心，通過STH11配合CC2540將無線數據采集和傳輸功能應用到變風量的溫控系統。在單風管變靜壓VAV溫控系統的構建和內部控制基礎上，兩種變頻風機模糊控制器的設計實現了系統控制的靈活性和智能化。帶有終端傳感器的機組架構通過WIFI無線網絡經AP端實現數據的采集和傳輸，通過SPI與上位端SOC通訊并在應用層OS操作端進行控制管理。在上位機端，分別完成了在增強型STM32平臺上實現系統硬件的嵌入式設計和軟件驅動設計，重點介紹了變頻風機模糊自適應算法及相較于傳統PID控制在超調量性能上的優勢。本設計基本實現了無線溫控系統的基本需求，在硬件和軟件以及外部環境方面詳細描述了溫控器的設計實現，對變頻風機自適應控制算法在MATLAB環境下進行了系統階躍相應曲線仿真，如圖11所示，并與實際實驗測得的階躍響應曲線進行擬合，如圖12所示。

圖11 變頻風機風道靜壓回路階躍響應仿真

圖12 模型仿真階躍輸入信號曲線擬合

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VAV Control System with WIFI Transmission Function

Wang Zhe，Wang Yannian
（College of Electronic Information,Xi’an Polytechnic University,Xi’an 710048,China）

In view of the traditional thermostat controller,using single chip microprocessor 89C51,without the characteristics of wireless transmission and setting,the intelligent industrial air conditioning system base on VAV control system with single-duct variable hydrostatic,with WIFI communication protocol architecture and collocation with enhanced STM32 core on Embedded System，is designed.It focuses on its external system configuration,including frequency fan fuzzy controller design and RF module program base on CC2540,and describes the hardware design and software drivers on STM32 and the construction on WIFI network communications structure.The indoor temperature can be monitored and regulated in wireless by wireless temperature acquisition system and VAV system controller.The thermostat internal system,integrated with two Fuzzy adaptive control algorithms of frequency fan,is identified and set for related parameters by the user.The accurate adjustment between the host computer and the thermostat is acheived by WIFI protocol,and the communication is set to make the control system more intelligent.

Central air-conditioning industry；WIFI communicate；VAV control system；Fuzzy adaptive control；Embedded applications；Linux system migration

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.01.022

TP274

A

1002-2279-（2017）01-0086-05

王哲（1992-），男，陜西省西安市人，碩士研究生，主研方向：無線采集系統設計，工業控制PLC系統設計。王延年（1963-），男，吉林省長春人市人，教授，主研方向：工業控制信息系統。

2016-05-10