基于樹莓派的自適應暖通空調自動控制系統(tǒng)

孫增利， 王亞峰

(西安交通大學第一附屬醫(yī)院 總務部， 陜西 西安 710061)

0 引言

隨著社會的發(fā)展，在工業(yè)以及民用上的單體空調難以滿足使用，因此更加舒適的中央暖通空調出現(xiàn)在市面上。中央暖通空調往往控制著整棟建筑的溫度，但不同房間中，由于存在不同程度的發(fā)熱元件，因此溫度控制上會存在一定的差異性[1-3]。在早期中央空調的使用中，往往需要對不同房間的溫度進行監(jiān)控，并在中央空調的總控制系統(tǒng)中對相應的房間進行溫度調整，需要大量的人力。后續(xù)隨著計算機技術的發(fā)展，研究者提出了整體的空調自動控制理論，通過可編程邏輯控制器PLC對中央空調進行控制[4-6]。但實際使用中發(fā)現(xiàn)，影響房間溫度的因素較多，數(shù)據(jù)處理中PLC之中的CPU處理器難以勝任。后續(xù)人們提出了可以利用樹莓派微控制器來執(zhí)行，但對樹莓派的研究仍然較少，且大部分僅限于理論的可行性研究上，缺乏實際使用實驗研究。因此，本文利用樹莓派微控制器設計了自適應暖通空調自動控制系統(tǒng)，并通過實驗驗證了本文設計系統(tǒng)的可行性。

1 基于樹莓派的自適應暖通空調自動控制系統(tǒng)硬件設計

1.1 樹莓派3B微控制器

在本文設計的自動控制系統(tǒng)中，采用樹莓派3B微控制器作為系統(tǒng)主控制器，樹莓派3B微控制器的接口情況也比較復雜，樹莓派3B控制器的接口引腳如圖1所示。

由圖1可知，樹莓派3B微控制器中包含9種接口，包括人機交互、以太網(wǎng)、電源等[7-9]。同時該控制器采用USB接口來連接5V電源。可采用高清晰度多媒體接口HDMI(High Definition Multimedia Interface)進行音頻視頻傳輸，具有較高的控制處理性能，并可以通過以太網(wǎng)接口來和網(wǎng)絡線路連接。

圖1 樹莓派3B控制器接口引腳

1.2 外部總線電路設計

本文系統(tǒng)利用外部總線接口來與樹莓派3B微控制器相連接。同時可以通過對外部總線接口的調整，而改變總線結構的寄存器設置，并與外部設備連接，可以添加外置的閃速存儲區(qū)等[10]。而外部總線電路與SDRAM連接，來對電路進行總線調整，SDRAM電路連接圖如圖2所示。

圖2 SDRAM連接線路圖

由圖2可知，在SDRAM中，物理接口收發(fā)器以及媒體接入控制的接口可以在采用無關接口的同時保證與其他接口相連接，而在傳送100 Mbps數(shù)據(jù)的條件下，使用的頻率則為25 MHz[11-12]。可以滿足系統(tǒng)在執(zhí)行控制時的數(shù)據(jù)傳輸。

1.3 溫度采集模塊

本文采用PT100熱電阻溫度檢測器作為暖通空調自動控制的溫度采集設備。由于該設備采用模數(shù)轉換模塊，可以與上述中的樹莓派3B相連接，并實現(xiàn)AD/DA之間的轉換。PT100熱電阻溫度檢測器采用RCV420的I/V芯片來將采集數(shù)據(jù)進行轉換，并傳輸至樹莓派3B控制器中[13-15]。并將PT100中熱電阻輸出的電流轉換為電壓信號，轉換電路如圖3所示。

圖3 RCV420調理轉換電路

根據(jù)獲得電流信號的極性，通過連接+In來進行中心抽頭，另在電路中額外添加了C1以及C2電容，來避免電源濾波和出現(xiàn)的信號耦合現(xiàn)象。

2 基于樹莓派的自適應暖通空調自動控制系統(tǒng)軟件設計

2.1 系統(tǒng)通信模式生成

本文設計的自動控制系統(tǒng)采用C/S架構來實現(xiàn)服務器端以及客戶端之間的通信設計，用戶標識層中的客戶端與結構中的業(yè)務邏輯層相互連接，由業(yè)務邏輯層來完成用戶接口以及邏輯的處理，并由業(yè)務邏輯層來對數(shù)據(jù)服務器進行訪問。C/S結構如圖4所示。

圖4 C/S系統(tǒng)結構示意圖

業(yè)務邏輯層采用互聯(lián)網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議來實現(xiàn)與各層之間的分層。在通信接口中，采用Socket進程機制作為通信接口。通過系統(tǒng)一邊發(fā)送端的通道來與另一邊之間進行接收和連接，同時在另一端口同時分出多個端口并同時打開以便于提供不同的服務，同時將TCP協(xié)議封存在Socket庫內，并讓有關數(shù)據(jù)從用戶緩沖區(qū)發(fā)送至系統(tǒng)緩沖區(qū)中。同時系統(tǒng)客戶端和系統(tǒng)服務器端對信息進行傳輸并創(chuàng)建TCP連接。而當客戶端發(fā)生控制請求時，首先由業(yè)務邏輯層創(chuàng)建TCP連接，并和控制系統(tǒng)服務器內的Socket套接字，同時在創(chuàng)建TCP連接過程中，將客戶端以及服務器端中的Socket相連接，而當使用創(chuàng)建的TCP時，只需經過Socket套接將需要傳送的數(shù)據(jù)傳送至TCP后即可完成數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 神經網(wǎng)絡PID控制算法

采用神經網(wǎng)絡PID(比例—積分—微分)控制算法對樹莓派微控制器進行數(shù)據(jù)控制運算。PID控制算法中控制輸出如式(1)。

(1)

式中，b(k)代表PID控制輸出；Kp代表系統(tǒng)比例系數(shù)；KI=KpT/TI代表PID積分系數(shù)；KD=TD/T代表PID微分系數(shù)；T代表控制對象的采樣周期；TI代表控制對象積分時間；TD代表控制對象微分時間；e(k)代表控制過程中的時刻誤差。同時本文采用神經網(wǎng)絡技術來對PID控制算法進行學習，來實現(xiàn)系統(tǒng)對Kp、KI、KD的自適應處理。在神經網(wǎng)絡中，當Kp、KI、KD作為系統(tǒng)運行的可調參數(shù)時，則可得出式(2)。

u(k)=f[b(k),Kp,KI,KD,e(k),e(k-1),e(k-2)]

(2)

式中，f[]代表和Kp、KI、KD存在關系的非線性函數(shù)，該函數(shù)可以通過神經網(wǎng)絡的訓練來得到。神經網(wǎng)絡結構如圖5所示。

圖5 神經網(wǎng)絡訓練結構

設圖5中輸入節(jié)點數(shù)量為M，隱含層節(jié)點數(shù)量為Q，進而可以得出神經網(wǎng)絡中輸入層中的節(jié)點輸出為式(3)。

(3)

式中，j=0,1,…,M-1，而M數(shù)值的取值，根據(jù)被控單元的復雜程度來得出。網(wǎng)絡中隱含層輸出則為式(4)。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

通過預先設置的控制調節(jié)，由系統(tǒng)通過對控制對象的3個參數(shù)控制來實現(xiàn)自動控制。

3 實驗論證分析

為了驗證設計的自動控制系統(tǒng)的可行性，利用某醫(yī)院中的暖通空調，作為系統(tǒng)實驗對象，并對該空調設置的房間進行溫度控制。實驗用空調自身不具備溫度自動調節(jié)控制功能，因此與設計系統(tǒng)連接，通過自動控制系統(tǒng)來控制暖通空調，保證該房間溫度的穩(wěn)定，以此來判定設計系統(tǒng)的可行性。

3.1 測試房間介紹

在本文中，選取一個連通暖通空調的房間作為實驗房間，同時簡化變量，如圖6所示。

圖6 實驗房間示意圖

圖6中，Tin代表暖通空調回風進入時間；Tout代表暖通空調回風排出時間；Qairinput代表暖通空調進入房間的熱量，單位為kJ/s；Qairoutput代表空調回風排出的熱量，單位為kJ/s；Qroom代表人或設備在房間中釋放的熱量，單位為kJ/s；Qdissipate代表室外和室內之間熱量的交互量，單位kJ/s。本文實驗中采用自動控制系統(tǒng)控制暖通空調對該房間進行溫度自動調整。

3.2 神經網(wǎng)絡最優(yōu)控制參數(shù)擬定

根據(jù)當前房間中的溫度以及空調參數(shù)，對本文系統(tǒng)中的神經網(wǎng)絡PID控制進行訓練，并進行自動尋優(yōu)，尋優(yōu)過程如表1所示。

表1 神經網(wǎng)絡PID尋優(yōu)過程

最終神經網(wǎng)絡收斂，第386次尋優(yōu)后，得到最優(yōu)結果，并使用該參數(shù)作為控制開始的基準值。

3.3 空調控制能力測試

實驗區(qū)域早晚溫差較大，同時在測試房間中放置6個發(fā)熱設備，每隔2 h取出一個，實驗共進行12 h，并對房間的溫度進行實時監(jiān)視。為了更好地判定溫度控制能力，本文在實驗中，每隔3 h對溫度控制的范圍值進行調整，來控制能力進行驗證。實驗結果如表2所示。

根據(jù)分析表2結果可以發(fā)現(xiàn)，在外界溫度以及發(fā)熱設備移出的前提下，與設計系統(tǒng)連接的空調仍能保持較好的溫度穩(wěn)定，并在恒定溫度范圍內。

表2 暖通空調控制結果

3.4 控制系統(tǒng)抗干擾測試

為了進一步判斷設計系統(tǒng)的能力，實驗進一步在室內添加熱負荷干擾，熱負荷干擾為式(9)。

qroom=5.5×random(τ)

(9)

其中，(τ)為熱負荷干擾系數(shù)，該系數(shù)隨機生成。并在24 h內進行隨機干擾，以測試設計系統(tǒng)的抗干擾能力，抗干擾實驗中房間恒定溫度19—21 ℃，實驗結果如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)抗干擾測試

通過分析圖7可知，由于本文系統(tǒng)的調理轉換電路中添加了兩個電容，因此系統(tǒng)受干擾信號影響較小，在抗干擾測試中，本文系統(tǒng)仍能保證暖通空調的溫度穩(wěn)定，證明了設計系統(tǒng)的可行性。

4 總結

本文利用樹莓派微處理器，設計了針對自適應暖通空調的自動控制系統(tǒng)。并利用某地的暖通空調進行了實際系統(tǒng)測試，且測試中實現(xiàn)了恒溫保持的控制能力。但考慮到大規(guī)模中央空調在使用中，容易出現(xiàn)的功率浪費情況，未來研究將會在系統(tǒng)中添加其他算法，從而避免出現(xiàn)中央暖通空調的功率浪費。