基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計

駱方舟

(黎明職業(yè)大學(xué)，福建 惠安 362100)

由于實驗室內(nèi)的實驗設(shè)備大多數(shù)都是金屬材質(zhì)，實驗室內(nèi)的濕度過大，空氣中的水蒸氣就會在金屬表面產(chǎn)生凝結(jié)現(xiàn)象，導(dǎo)致實驗設(shè)備出現(xiàn)遇水絕緣度降低、電路短路以及設(shè)備老化等問題，影響實驗設(shè)備的正常使用。實驗設(shè)備的散熱會由于實驗室內(nèi)溫度過高，熱量散失較慢，對實驗設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成損害[1]。實驗室內(nèi)溫度不穩(wěn)定也會給實驗技術(shù)人員帶來不適，影響實驗操作。適宜的溫濕度環(huán)境是實驗室最基本的要求，對實驗設(shè)備的運(yùn)行和實驗結(jié)果都會產(chǎn)生影響。

傳統(tǒng)的實驗室溫濕度都是采用人工的方式來調(diào)節(jié)控制的，技術(shù)控制人員通過讀取實驗室內(nèi)的溫濕度計，來獲取實驗室現(xiàn)場的溫濕度，然后再與標(biāo)準(zhǔn)實驗室指標(biāo)參數(shù)對比，人為調(diào)整實驗室溫濕度的方式有調(diào)節(jié)水閥開度、控制電加熱等[2]。由于人工控制實驗室溫濕度一般都是根據(jù)以往的實驗室參數(shù)指標(biāo)經(jīng)驗來操作的，具有較大的隨意性，對實驗室溫濕度控制系統(tǒng)造成的影響，已經(jīng)超越了實驗設(shè)備正常運(yùn)行所需要的具體指標(biāo)參數(shù)[3]。除此之外還有自適應(yīng)模糊PID控制方式來調(diào)節(jié)控制，可為實驗室管理提供更精準(zhǔn)溫濕度環(huán)境保障，但由于沒有考慮實驗室的種類特點，導(dǎo)致控制誤差較高。

針對人工控制實驗室溫濕度存在的問題，以及不穩(wěn)定的實驗室環(huán)境給實驗設(shè)備和操作人員帶來的影響，本文將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到實驗室溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計中，為實驗室溫濕度控制系統(tǒng)的開發(fā)創(chuàng)造了優(yōu)越的條件，實現(xiàn)實驗室溫濕度控制的智能化。

1 實驗室溫濕度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 實驗室溫濕度控制電路設(shè)計

當(dāng)實驗室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜時，可以通過溫濕度控制電路設(shè)計，決定溫濕度數(shù)據(jù)采集順序，提高實驗室溫濕度的控制能力。實驗室溫濕度控制系統(tǒng)是通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對實驗室的加熱器、風(fēng)扇以及天窗的開關(guān)控制來實現(xiàn)的。如果實驗室內(nèi)的溫度升高可以通過打開風(fēng)扇或天窗來調(diào)節(jié)實驗室內(nèi)的溫度[4]。在溫濕度控制系統(tǒng)的電路中，通過控制視覺傳感器來實現(xiàn)硬件的開關(guān)，從而達(dá)到控制實驗室溫濕度的目的。

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對監(jiān)控的實驗室溫濕度進(jìn)行智能采集，物聯(lián)網(wǎng)視覺傳感器分布圖如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)視覺傳感器分布圖

視覺傳感器屬于一種智能開關(guān)，不需要人為啟動，主要在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，用于小電流信號控制大電流信號，具有安全可靠的優(yōu)點。視覺傳感器經(jīng)常被用于工業(yè)化的自動控制系統(tǒng)中，通過控制輸入回路來控制輸出回路。實驗室溫濕度控制電路中，每一個控制節(jié)點都需要三個視覺傳感器來控制加熱器、風(fēng)扇以及天窗[5]。視覺傳感器引腳示意圖如圖2所示。

圖2 視覺傳感器引腳電路圖

實驗室溫濕度控制電路設(shè)計通過視覺傳感器引腳發(fā)出控制信號，然后通過反相器將溫濕度的電壓信號放大，以控制視覺傳感器的方式來實現(xiàn)小電流控制大電流的目的，從而實現(xiàn)實驗室的溫濕度控制。實驗室溫濕度控制電路圖如圖3所示。

圖3 實驗室溫濕度控制電路圖

在實驗室溫濕度控制電路圖中，反相器用于放大電壓信號，三極管Q2可以作為開關(guān)使用，D5為二極管，主要用于釋放控制電路的回路電壓。

1.2 溫濕度傳感器設(shè)計

實驗室溫濕度的控制需要溫濕度傳感器采集實驗室現(xiàn)場溫濕度指標(biāo)，并將現(xiàn)場溫濕度指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)對比，提高實驗室溫濕度的控制能力。實驗室溫濕度傳感器內(nèi)部芯片是由溫度敏感元件和濕度敏感元件組成的，將實驗室內(nèi)的溫濕度感測、A/D轉(zhuǎn)換、加熱器等功能都集中在傳感器芯片上[6]。溫濕度傳感器電路圖如圖4所示。

圖4 溫濕度傳感器電路圖

實驗室的溫濕度電信號在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上先進(jìn)入信號放大器中接受放大，然后輸入到轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行溫濕度電信號轉(zhuǎn)換，最后由兩條線連接的串行數(shù)字接口將溫濕度電信號輸出成數(shù)字信號。這種基于物聯(lián)網(wǎng)的溫濕度傳感器具有較高的集成度和可靠性，能耗低且接口簡單，還可以將其直接浸沒在水中，可以適應(yīng)比較惡劣的實驗室環(huán)境。溫濕度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 實驗室溫濕度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

實驗室溫濕度傳感器在采集溫濕度數(shù)據(jù)時，先通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)初始化溫濕度數(shù)據(jù)傳輸來啟動溫濕度傳感器的測量時序。當(dāng)?shù)谝粋€時鐘出現(xiàn)高電平時，實驗室溫濕度數(shù)據(jù)就會翻轉(zhuǎn)為低電平，當(dāng)?shù)诙€時鐘出現(xiàn)高電平時，實驗室溫濕度數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)為高電平。溫濕度傳感器的測量命令包含三個地址位和五個命令位[7]。

物聯(lián)網(wǎng)發(fā)布溫濕度測量命令后，實驗室溫濕度數(shù)據(jù)在第八個時鐘的下降沿將被置為低電平，當(dāng)下一個時鐘發(fā)送命令時，溫濕度數(shù)據(jù)將恢復(fù)成高電平[8]。物聯(lián)網(wǎng)可以選擇暫時停止發(fā)送時鐘序列而進(jìn)入空閑模式，在這種模式下準(zhǔn)備讀取傳感器的測量數(shù)據(jù)，為實驗室的溫濕度控制打下基礎(chǔ)。在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，由溫濕度傳感器的工作原理及工作環(huán)境，設(shè)計了實驗室溫濕度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。基于溫濕度傳感器的結(jié)構(gòu)圖，分析了實驗室溫濕度數(shù)據(jù)的控制原理，完成了溫濕度傳感器的設(shè)計；通過控制視覺傳感器來實現(xiàn)硬件的開關(guān)控制，根據(jù)視覺傳感器的工作原理，設(shè)計了實驗室溫濕度控制電路圖，實現(xiàn)了溫濕度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。

2 實驗室溫濕度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 采集實驗室溫濕度數(shù)據(jù)

在控制實驗室溫濕度指標(biāo)時，先將實驗室的實時溫濕度采集并記錄，提高實驗室溫濕度控制的準(zhǔn)確性，從而加強(qiáng)實驗室溫濕度數(shù)據(jù)采集、校驗、處理及通訊功能。實驗室溫濕度控制系統(tǒng)的采樣周期設(shè)定為15秒，因此采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)每隔15秒對實驗室溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采樣并刷新顯示[9]。實驗室溫濕度無線傳輸流程如圖6所示。

圖6 溫濕度無線傳輸流程圖

采集實驗室溫濕度數(shù)據(jù)首先由主控單元通過串口向溫濕度采集控制中心發(fā)出采集指令，采集控制中心接收到采集命令后會經(jīng)過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)處理發(fā)出應(yīng)答響應(yīng)，應(yīng)答響應(yīng)時間通常都小20ms，同時還要將實驗室溫濕度的測量值無線傳輸回主控單元，并觸發(fā)下一個周期的實驗室溫濕度采集[10]。

采集控制中心接收到應(yīng)答信號后，視覺傳感器的值會從1變成0，然后利用采集指令接收實驗室溫濕度數(shù)據(jù)，將接收到的溫濕度數(shù)據(jù)字節(jié)存放在寄存器中，當(dāng)接收完最后一個字節(jié)的溫濕度數(shù)據(jù)時，視覺傳感器的值會從0再變回1，實驗室溫濕度數(shù)據(jù)采集完畢。

2.2 控制實驗室溫濕度

在控制實驗室溫濕度過程中，采用PID控制，快速準(zhǔn)確地控制實驗室的溫濕度，加強(qiáng)實驗室溫濕度的控制能力。基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室溫度控制精度為±0.5℃，濕度為±1%RH。在實驗室溫濕度控制中，P表示比例，I代表積分，D表示微分。PID控制是在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過積分控制來降低實驗的誤差，但是由于溫濕度控制系統(tǒng)的超調(diào)問題，需要配合微分控制來加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度[11]。

實驗室溫濕度控制系統(tǒng)在設(shè)計中，通過設(shè)定的實驗室溫濕度值與輸出值對比，控制系統(tǒng)通過輸出值來調(diào)整控制參數(shù)，最終調(diào)節(jié)到合適的實驗室溫濕度并控制。基于物聯(lián)網(wǎng)的溫濕度控制系統(tǒng)中，傳感器作為輸出端，然后將調(diào)節(jié)指令傳輸?shù)娇刂贫恕?/p>

實驗室溫濕度傳感器輸入值r(t)與輸出值c(t)之間的偏差e(t)可以表示為：

e(t)=r(t)-c(t)

(1)

將偏差e(t)的比例、積分和微分進(jìn)行線性組合，就可以得到一個溫濕度控制量u(t)，來控制實驗室的溫濕度，PID控制實驗室溫濕度的規(guī)律可以表示為：

(2)

式中，Kp表示溫濕度控制的比例系數(shù)，TI表示溫濕度控制的積分系數(shù)，Tp表示溫濕度控制的微分系數(shù)。

利用式(2)的控制規(guī)律，可以得到實驗室溫濕度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：

(3)

在實驗室溫濕度控制過程中，由于實驗室溫度和濕度的耦合關(guān)系比較復(fù)雜，所以在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，采用PID控制法來整定控制參數(shù)[12]。在實驗室溫濕度控制參數(shù)的整定過程中，通過控制系統(tǒng)的輸出來微調(diào)參數(shù)，從而使實驗室的溫濕度控制滿足實驗室環(huán)境要求。

綜上所述，在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，通過設(shè)定實驗室溫濕度數(shù)據(jù)的采樣周期，確定實驗室溫濕度數(shù)據(jù)的采集流程。利用采集控制中心的溫濕度數(shù)據(jù)處理，完成實驗室溫濕度數(shù)據(jù)的采集；由于人為控制的實驗室溫濕度控制系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)超調(diào)問題，計算實驗室溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)偏差，根據(jù)實驗室溫濕度的控制規(guī)律，得到控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，完成實驗室溫濕度的控制，實現(xiàn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計。

3 仿真測試

3.1 仿真測試總體方案

仿真測試主要包括兩部分，一部分為理論仿真測試試驗，即從仿真數(shù)學(xué)模型上模擬溫濕度控制系統(tǒng)的可行性，找出控制系統(tǒng)硬件存在的理論偏差，便于修正；另一部分是在實驗室內(nèi)進(jìn)行溫濕度控制效果驗證，考察溫濕度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制性能。

3.2 建立仿真測試數(shù)學(xué)模型

為驗證基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室溫濕度控制系統(tǒng)的控制能力，在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上構(gòu)建溫濕度控制的仿真測試模型，如圖7所示。

圖7 溫濕度控制的仿真測試模型

3.3 實驗過程

試驗過程中，首先準(zhǔn)備兩臺計算機(jī)并安裝simulation仿真軟件，準(zhǔn)備好仿真測試環(huán)境，運(yùn)行simulation仿真軟件，將實驗室的溫濕度標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)載入到simulation仿真軟件中。仿真測試開始前，必須先讓兩個溫濕度控制系統(tǒng)進(jìn)行兩次空載實驗，確保標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)載入的穩(wěn)定性及仿真程序運(yùn)行的安全性。根據(jù)國家頒發(fā)《實驗室環(huán)境參數(shù)及環(huán)境管理》標(biāo)準(zhǔn)中實驗室環(huán)境中溫度、濕度參考參數(shù)(見表1)。

表1 不同實驗室類別中溫濕度參數(shù)表

然后根據(jù)simulation仿真軟件的數(shù)據(jù)接口，連入基于人為操作的實驗室溫濕度控制系統(tǒng)及基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室溫濕度控制系統(tǒng)，準(zhǔn)備進(jìn)行溫濕度控制能力仿真測試。本次實驗以常規(guī)分析實驗室為例，為便于仿真測試的直觀對比性，采用波形圖的表現(xiàn)方式表示實驗室溫濕度的控制能力。

根據(jù)兩種實驗室溫濕度控制系統(tǒng)獲取的實驗室溫濕度數(shù)據(jù)信息，得出不同控制系統(tǒng)的溫濕度控制情況。

3.4 測試結(jié)果分析

利用上述的測試方案和仿真模型，在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，按照試驗過程設(shè)計，獲取實驗室溫濕度數(shù)據(jù)，繪制實驗室溫濕度控制能力對比圖。如圖8所示。

圖8 實驗室溫濕度控制能力對比圖

從測試結(jié)果中可以看出，當(dāng)實驗室的標(biāo)準(zhǔn)溫度值為25℃、標(biāo)準(zhǔn)濕度值為50%時，基于人為操作的實驗室溫濕度控制系統(tǒng)在控制實驗室的溫濕度指標(biāo)時，溫濕度數(shù)據(jù)的控制效果不穩(wěn)定，偏離了標(biāo)準(zhǔn)實驗室溫濕度值；而基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室溫濕度控制系統(tǒng)在控制實驗室的溫濕度指標(biāo)時，溫度指標(biāo)的控制偏差只有7℃、濕度指標(biāo)控制偏差為12%，具有良好的控制能力。

為了進(jìn)一步驗證所提方法的控制能力，以控制誤差為指標(biāo)，進(jìn)行對比實驗，實驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同方法控制誤差對比圖

如圖9所示，所提方法的控制誤差最低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)方法，具有較明顯的優(yōu)勢。

結(jié)語

本文提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計。在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過實驗室溫濕度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，完成了基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了實驗室溫濕度的控制。仿真測試結(jié)果顯示，基于物聯(lián)網(wǎng)的實驗室溫濕度控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的溫濕度控制能力。