环境温湿度模糊识别传感系统设计与仿真分析

陈克忠，房建东

（内蒙古工业大学内蒙古呼和浩特010051）

环境温湿度模糊识别传感系统设计与仿真分析

陈克忠，房建东

（内蒙古工业大学内蒙古呼和浩特010051）

针对现有温湿度传感器存在的缺点和不足，根据模糊测量原理，设计了以"人体舒适度"为输出对象的智能温湿度传感器系统，该系统融入了专家系统，综合考虑了环境温度、湿度和季节等相关因素对人体舒适度的共同影响。在MATLAB条件下建立仿真模型，对该系统进行了仿真测试，仿真结果表明，该系统能够根据推理规则很好的输出"人体舒适度"的模糊语言值，比传统单一数值式传感器的测量更加智能化和人性化。本设计可在一定程度上弥补传统温湿度传感器只能输出固定值，不具有判断能力的缺陷。

温湿度传感器；模糊测量；人体舒适度；MATLAB仿真

传统传感器实现的功能是信息到数值的转换，一般流程是敏感元件监测被测环境后经过计算给出具体数值，其转换的结果是定量信息，它的精度高，冗余少，但同时它也存在着测量结果不易理解，数据存储量大和涉及人类自然行为以及某些高层逻辑信息难以描述的问题。而模糊算法可以在不需要复杂的数学建模的情况下，即可将多个因素综合评价以得到预期结果［1］。所以就有了模糊传感器的产生。

在人们越来越关注公共场所和居室环境舒适度的今天，环境温湿度的监测已成为人们监测居住环境的重要部分［2］。而传统的温湿度传感器也是数值传感器，它将温度、湿度映射到实数集中，以精确的数值来描述被测温度，湿度状态，即以定量的形式对温湿度加以描述。但是由于环境温湿度的多维性，温度与湿度之间存在着复杂的相关性［3］，只进行单纯的数值测量且对测量结果以数值符号来描述存在很大缺陷。基于以上原因，文中设计了一款以温湿度为基础的人体舒适度指数模糊传感器系统。本设计综合考虑温度与湿度的共同作用，在经典的数值测量基础上，经过模糊推理与知识集成，以自然语言符号描述的形式输出当前环境的人体舒适度指数，可以作为智能家居的环境检测方案。

1　顶层结构设计

本设计的总体思想是将“传统数值测量”与“模糊语言符号”相结合，并且将多传感器融合处理，得出一个不可直接测量的模糊语言输出。它以数值测量为基础，将数值量作为中间量，然后根据模糊判断规则，最终输出被测对象信息自然语言符号化表示。

该系统前端采用传统温湿度传感器，通过空气温度、湿度敏感元件感知空气温度和含水量，然后通过数值测量单元将空气温度、湿度转化为具体的数值［4］。考虑人体在不同季节对温湿度的感受不同，引入季节参变量。建立模糊规则，最终得出模糊语言输出。其整体原理框图如图1所示。

图1　模糊湿度传感器系统框图

2　模糊温湿度传感器设计步骤

2.1数值量的模糊化定义

多传感量融合模糊传感器的模糊语言输出量是由其复合概念的语义融合而成的。所以本设计的模糊输出也是由温度、湿度和季节的语义量融合而成的。首先建立温度和湿度的模糊隶属度函数，建立季节隶属度函数，然后建立输出舒适度隶属度函数。

2.2隶属度函数的建立

分别建立温度、湿度季节和输出舒适度的隶属度函数。本设计采用高斯型函数对温度、湿度的论域建立隶属度函数。这种隶属度函数的特点是连续且点点可求导，比较适合于自适应、自学习模糊控制的隶属函数修正［5］。

2.2.1温度隶属度函数建立

设环境温度为0～40℃，对该范围内的温度数据（T）进行模糊化处理，从数值量转换到对应的语言量模糊集的论域。定义该论域分5个档次，T=｛冷、凉、适中、热、很热｝，字母表示为T=｛CD、CL、M、H、VH｝。定义其隶属度函数如公式（1）。

2.2.2湿度隶属度函数建立

设环境相对湿度为0～100%，对该范围

内的湿度数据（H）进行模糊化处理，从数值量转换到对应的语言量模糊集的论域。定义该论域分5个档次H=｛过低、偏低、适中、过高、很高｝，字母表示为H=｛VL、LL、M、LH、VH｝。定义其隶属度函数如公式（2）。

2.2.3季节隶属度函数建立

由于人体对温湿度感应只在夏季和冬季差别较大，所以季节（S）输入分为夏季和冬季，并且为确定的二值量，S=｛夏季、冬季｝，字母表示为S=｛S、W｝。隶属度函数如公式（3）。

其中0代表夏季，1代表冬季。

2.2.4输出舒适度隶属度函数建立

根据经验将输出舒适度（F）的论域定义为四个等级C=｛很不舒适、不舒适、舒适、很舒适｝，字母表示为C=｛VNC、NC、C、VC｝。定义其隶属度函数如公式（4）。

其中0代表很不舒适，1代表不舒适，2代表舒适，3代表很舒适。

2.3模糊规则建立

通过实验，专家提出最适宜人的室内温度和湿度是：冬天温度15～25℃，湿度30～80%；夏天温度23～28℃，湿度30～60%。

在这种环境下感觉舒适的人占95%以上［6］。文中采用if…Then形式设计模糊规则表，如表1。

表1　模糊规则表

3　MATLAB仿真分析

3.1仿真平台搭建

为了验证本设计的有效性，文中在MATLAB环境下，搭建了推理机的仿真模型，如图2所示。

图2　模糊推理机模型

仿真模型的参数表如表2所示。

表2　仿真参数表

3.2仿真结果及分析

在MATALB下建立模糊隶属度函数，和模糊判定规则后，输出结果如图3～5所示。

图3温湿度和舒适度的关系图

图3是在季节相同的情况下，温湿度对人体舒适度的影响。从图中信息可以看出：只有温度和湿度同时达到合适的范围时，传感器的输出值才是“很舒适”。当温度和湿度在不同范围时，传感器将温湿度的值融合，得出一个合适的“舒适度”输出量。

图4是在湿度相同的情况下温度、季节对人体舒适度的影响。从图中信息可以看出：冬季和夏季人体对温度的感应有所不同，要达到最佳舒适度，夏季比冬季需求的温度要稍高。

图5是在温度相同的情况下湿度、季节对人体舒适度的影响。从图中信息可以看出：冬季和夏季人体对湿度的感应有所不同，要达到最佳舒适度，夏季比冬季需求的湿度要稍低。

通过以上仿真数据可以看出，本设计综合了环境温度、湿度和季节3个方面的因素，并且能够根据推理规则很好的输出“人体舒适度”的模糊语言值，比传统单一数值式传感器的测量更加准确和智能。

图4　温度、季节和舒适度的关系图

图5　湿度、季节和舒适度的关系图

4　结论

本文根据模糊测量原理，以“人体舒适度”为输出需求背景，构造智能模糊温湿度传感器系统。选取温度，湿度和季节作为模糊输入，人体舒适度作为系统输出。对输入输出建立相应的隶属度函数，根据相关资料和笔者的经验定义里模糊规则库，完成了模糊温湿度传感器的设计。在MATLAB下搭建仿真平台，分析仿真输出结果，结果表明本设计能够较好的融合温度、湿度和季节3个参量，输出人体舒适度的模糊语言值。本设计可在一定程度上弥补传统温湿度传感器只能输出固定值，不具有判断能力的缺陷。

［1］陆亚芳，易可夫.基于模糊理论的无线传感器网络多层分簇式路由算法［J］.传感技术学报，2014，27（7）:933-934.

［2］莫小锦，周严.基于射频技术与无线网络的温湿度远程监测系统［J］.传感技术学报，2011，24（10）:1501-1503.

［3］行鸿彦，彭基伟.一种湿度传感器温度补偿的融合算法［J］.传感技术学报，2012，25（12）:1711-1715.

［4］韩俊峰.基于温湿度的模糊传感器舒适度合成法研究［J］.传感器技术，2002，21（38）:19-24.

［5］王耀南，孙炜.智能控制理论及应用［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［6］王明辉.房间内应保持适宜的温度和湿度［J］.中国初级卫生保健，1992，6（4）:42.

Design and simulation analysis of fuzzy identification sensor system for environment temperature and humidity

CHEN Ke-zhong，FANG Jian-dong
（Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010080，China）

Aiming at the shortcomings and deficiencies of the existing temperature and humidity sensor，according to the principle of fuzzy measurement，an intelligent temperature and humidity sensor system is designed，which takes"human comfort"as the output object.The system is integrated into the expert system.The combined effects of environmental temperature，humidity，season and other factors on the comfort of human body were considered.Simulation model is established under the condition of MATLAB，the results show：the system can output the fuzzy linguistic value of"human comfort"according to the rules of reasoning，which is more intelligent and humane than the traditional single numerical sensor. The design can make up for the defect which is the traditional temperature and humidity sensor can only output fixed value，not have the ability to judge.

seneor of temperature and humidity；fuzzy measurement；comfort degree of human；simulation

TN6

A

1674－6236（2016）12-0057-03

2015-11-06稿件编号：201511059

内蒙古自治区科学基金项目（2014MS0619）；内蒙古自治区科技计划项目（20120304）

陈克忠（1989—），男，山东菏泽人，硕士研究生。研究方向：智能信息处理与决策支持。