摘要：針對我國北方冬季供暖系統(tǒng)的特點及存在的不足，設計了基于嵌入式系統(tǒng)的ARM-Linux 平臺及模糊控制技術的室內(nèi)智能溫度控制系統(tǒng)。采用DS18B20 及ZigBee 無線組網(wǎng)技術完成了多點溫度采集，采用模糊控制技術實現(xiàn)了室內(nèi)溫度的精確控制，并建立了QT 用戶界面，優(yōu)化了人機交互環(huán)境，采用GPRS 技術實現(xiàn)了系統(tǒng)的遠程控制，給用戶帶來很大方便。系統(tǒng)的實現(xiàn)將對減少熱能浪費及提高人們生活質(zhì)量起著重要作用。在大力提倡節(jié)能減排以及追求高質(zhì)量生活的今天，冬季供暖系統(tǒng)存在的不足日益顯現(xiàn)出來。我國北方城市大部分采用集中供暖，在整個供暖期內(nèi)，無論室內(nèi)有人與無人，系統(tǒng)全天連續(xù)供暖；系統(tǒng)熱能的輸送是不變的，不能根據(jù)室內(nèi)外溫度的變化以及個人對室溫的不同要求做出相應的調(diào)整。這就造成了熱能的嚴重浪費以及供暖不人性化等問題。本文設計實現(xiàn)了一種基于嵌入式系統(tǒng)ARM-Linux 平臺的室內(nèi)智能溫度控制系統(tǒng)，通過實時檢測室內(nèi)外溫度的變化，合理調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，降低了熱能消耗，提高了人們的生活質(zhì)量。
1 系統(tǒng)功能及總體結構
本系統(tǒng)硬件框圖如圖1 所示，主要由ARM9 控制器，溫度檢測模塊，觸摸屏顯示模塊，ZigBee 無線收發(fā)模塊，暖氣控制模塊，GPRS 模塊等組成。
圖1 系統(tǒng)硬件框圖
其中溫度檢測包括室外溫度檢測、室內(nèi)溫度檢測和暖氣溫度檢測。為了避免繁瑣的布線，各溫度檢測點通過Zigbee 技術與ARM 控制器實現(xiàn)無線連接，組成一個星型無線網(wǎng)絡。各檢測點溫度值通過Zigbee 無線傳輸?shù)紸RM 控制器，ARM 控制器根據(jù)接收到的各點溫度值進行綜合處理分析，輸出相應的控制信號給暖氣控制模塊，從而實現(xiàn)室溫的智能調(diào)節(jié)。信息顯示與輸入模塊由LCD 觸摸屏實現(xiàn)，用來顯示當前室內(nèi)溫度與輸入的溫度值，且可以設定低溫、室溫等不同工作模式。ARM 控制器通過GPRS 與外部實現(xiàn)無線連接，用戶通過手機可以隨時對系統(tǒng)的工作模式進行遠程控制。比如在回家的路上，用戶可以通過手機切換系統(tǒng)工作模式，當回到家時，室溫已回升至正常溫度，給用戶帶來很大方便。
1.1 ARM 智能控制模塊
ARM 智能控制模塊由ARM9 控制器、FLASH、SDRAM、電源及復位模塊、LCD 觸摸屏及相關外圍電路組成。系統(tǒng)選用SAMSUNG 的基于ARM920T 內(nèi)核的處理器S3C2440 作為控制器。S3C2440 處理器功能強大、性價比高、功耗低，除具有一般嵌入式芯片所具有的總線、SDRAM 控制器以外，還具有豐富的擴展功能接口，便于構建外圍電路。
LCD 觸摸屏采用TFT 型LCD 模塊TD035STEB1,該模塊采用LTPS TFT 作為開關器件，集成了四線電阻式觸摸屏和背光電路，從而簡化了外圍電路。系統(tǒng)在觸摸屏的基礎上建立了基于QT/Embedded 的圖形用戶界面（GUI），用來實現(xiàn)信息的顯示與控制輸入，優(yōu)化了人機交互環(huán)境，給用戶帶來很大方便。
1.2 溫度檢測傳輸模塊
溫度檢測傳輸模塊由溫度檢測模塊和Zigbee 無線傳輸模塊組成。溫度檢測模塊采用數(shù)字化溫度傳感器DS18B20.其測量范圍為-55℃~125℃，在-10℃~85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃，完全滿足本設計的要求。ZigBee 是一種新興的短距離、低功耗、低成本的雙向無線通信技術，非常適合于組建小型無線網(wǎng)絡。ZigBee 模塊采用支持IEEE802.15.4 協(xié)議，技術成熟的CC2430 芯片，其高性能的處理能力和豐富的接口資源給硬件設計工作帶來了極大的方便。
在溫度檢測模塊中，室內(nèi)溫度檢測將多個溫度傳感器分別放置在室內(nèi)的不同房間，以檢測室內(nèi)多個位置的溫度；室外溫度檢測將傳感器放置在室外，檢測室外的溫度。暖氣溫度檢測的傳感器放置在暖氣水管外壁，檢測水管中熱水的溫度。室內(nèi)、室外以及暖氣溫度信息通過Zigbee 無線傳輸給ARM 控制器，ARM控制器經(jīng)過綜合處理分析，再給暖氣控制模塊最佳的控制量，以實現(xiàn)室內(nèi)溫度的智能控制。
1.3 暖氣控制模塊
暖氣控制模塊采用數(shù)字流量閥作為執(zhí)行部件。數(shù)字流量閥是一種控制液體流量的閥門，可控制的流量分辨率高，響應速度快；驅(qū)動信號是二進制信號，可以與ARM 控制器直接相連。ARM 控制器根據(jù)收到的各監(jiān)測點溫度值以及輸入的控制信息，輸出相應的二進制信號來控制數(shù)字流量閥，從而調(diào)節(jié)暖氣熱水的流量，實現(xiàn)室內(nèi)溫度的智能調(diào)節(jié)。
1.4 GPRS 模塊
GPRS 即通用分組無線服務技術，是一種以GSM為基礎的數(shù)據(jù)傳輸技術。用戶永遠在線且按流量、時間計費，通信成本低等優(yōu)點，使GPRS 技術成為家庭智能控制系統(tǒng)中無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴堰x擇。GPRS模塊主要功能是通過GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)ARM控制器與戶主手機之間的數(shù)據(jù)交換。經(jīng)過性能與成本的綜合考慮，系統(tǒng)選用西門子公司的MC55 GPRS 模塊。
2 自適應模糊控制器設計
因為室內(nèi)溫度系統(tǒng)是一個大純滯后系統(tǒng)，無法建立精確的數(shù)學模型，所以本系統(tǒng)采用模糊控制技術對室內(nèi)溫度進行控制，以提高室內(nèi)溫度的控制精度。對于室內(nèi)溫度系統(tǒng)來說，隨著室外溫度及暖氣溫度的變化，原來完善的模糊控制規(guī)則可能會不適合變化后的新環(huán)境，從而導致控制效果不佳。因此，本設計采用了自適應模糊控制系統(tǒng)，以適應不斷變化的環(huán)境。自適應模糊控制系統(tǒng)結構如圖2 所示。
圖2 自適應模糊控制系統(tǒng)
自適應模糊控制系統(tǒng)可以連續(xù)和自動地測量被控對象的動態(tài)特性并把它們與理想模型的動態(tài)特性相比較，再用兩者之差去改變比例因子、模糊控制規(guī)則等可調(diào)參數(shù)，以使系統(tǒng)具有優(yōu)化的性能。本系統(tǒng)采用動態(tài)改變相關比例因子的方式來實現(xiàn)模糊控制系統(tǒng)的自我調(diào)整。如圖2 所示，為了降低模糊控制器的復雜度，減小計算量，系統(tǒng)采用二輸入單輸出模型。系統(tǒng)設定溫度值T0與當前室內(nèi)溫度值T 的偏差e 和偏差率ec 為輸入變量，控制量u 為輸出變量。室外溫度值T1 與暖氣溫度值T2 為系統(tǒng)參考量。e= T0-T,ec=de/dt.ke 和kec 分別為溫度偏差和偏差變化率比例因子，ku 為控制量比例因子。系統(tǒng)根據(jù)e、ec 的變化并參考T1、T2 的值進行綜合分析，性能辨識，然后動態(tài)的調(diào)整比例因子ke 與kec,從而實現(xiàn)模糊控制系統(tǒng)的自我調(diào)整，以適應不斷變化的環(huán)境。
圖3 自適應模糊控制系統(tǒng)仿真波形圖
根據(jù)專家知識和實際測試，選擇合適的論域、隸屬度函數(shù)及相關比例因子，建立合理的模糊控制規(guī)則，在Matlab7.1 中的Simulink 下建立系統(tǒng)仿真模型。
系統(tǒng)設定溫度為24℃，輸出波形如圖3 所示，超調(diào)量不超過0.5℃，在室內(nèi)暖氣大純滯后環(huán)境下，控制品質(zhì)已相當優(yōu)良。實際測試表明，系統(tǒng)具有很好的控制效果及很強的魯棒性。
3 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件部分的設計主要是基于ARM-Linux,與其他嵌入式操作系統(tǒng)相比，Linux 操作系統(tǒng)具有完整的TCP/IP 協(xié)議，良好的穩(wěn)定性和實時性，很好的滿足了智能控制系統(tǒng)對系統(tǒng)可靠性的要求；此外，Linux 易于移植裁減、內(nèi)核小、效率高、源代碼開放并有眾多的開發(fā)者，為系統(tǒng)的開發(fā)提供了良好的技術支持。
系統(tǒng)開發(fā)首先建立交叉編譯環(huán)境，然后引導bootloader,移植操作系統(tǒng)，裝載文件系統(tǒng)，開發(fā)圖形界面，最后編寫應用程序。本系統(tǒng)采用Linux2.6內(nèi)核，其具有強大的進程、中斷、內(nèi)存和設備管理功能，支持各種文件系統(tǒng)。系統(tǒng)采用了基于QT/E 的圖形用戶界面，Q/E 延續(xù)了Qt 在桌面系統(tǒng)的所有功能，豐富的API 接口和基于組件的編程模型使得嵌入式Linux 系統(tǒng)中的應用程序開發(fā)更加便捷。
系統(tǒng)程序流程如圖4 所示，系統(tǒng)應用程序主要由一系列用來實現(xiàn)相應功能的子程序組成，主要包括溫度檢測程序、ZigBee 無線通信程序、模糊控制程序、GPRS 無線通信程序等。
圖4 系統(tǒng)程序流程
4 結束語
本文介紹了一種基于ARM 的室內(nèi)智能溫度控制系統(tǒng)，給出了詳細的系統(tǒng)架構方案，從軟、硬件兩方面闡述了設計思路和實現(xiàn)方法。系統(tǒng)采用ZigBee 技術組建小型無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)了多點溫度采集，避免了繁瑣的布線；采用模糊控制技術，提高了室內(nèi)溫度的控制精度；建立了QT 用戶界面，優(yōu)化了人機交互環(huán)境；采用GPRS 技術實現(xiàn)了系統(tǒng)的遠程控制。本系統(tǒng)彌補了我國北方冬季供暖系統(tǒng)存在的不足，隨著我國計量取暖的逐步實施，具有很好的實際運用價值。
