具有WIFI传输功能的智能变风量温控系统

王 哲，王延年

（西安工程大学电子信息学院，西安710048）

具有WIFI传输功能的智能变风量温控系统

王 哲，王延年

（西安工程大学电子信息学院，西安710048）

针对传统用89C51单片机控制的温控器不具备进行无线传输和设定的特点，以WIFI通讯协议为架构，配合以增强型STM32为核心的嵌入式系统，以单风管变静压VAV系统为控制环境构成智能工业空调系统。重点阐述其外部统构，变频风机模糊控制器设计和基于CC2540的射频模块方案，并在STM32平台上阐述硬件设计和软件驱动及WIFI网络通讯结构的搭建。通过无线温度采集系统和VAV系统控制器对室内温度实现无线监控和调节，温控器系统内部集成变频风机的两种模糊自适应控制算法，由使用者确定并进行相关参数设定。该温控器实现了通过WIFI通讯协议，上位机与温控器之间的准确调节，通过设定通信，使控制系统更加智能。

工业中央空调；WIFI通信栈协议；VAV控制系统；模糊自适应控制；嵌入式应用；Linux系统移植

1 引言

大多数空调系统都是基于89C51+DS18B20的系统，具有相对的稳定性，并且硬件开销低，稳定性好。但在工业环境中，其布线复杂度以及大量有线电路的损耗和浪费都是科研工作者集中解决的课题。基于近几年无线技术的高速发展，具有近距离无线传输功能的温控系统作为研究课题越来越多，大多数具有无线传输功能的温控系统研究都是基于Zigbee通讯协议栈配合防碰撞网关，实现应用层分层通讯。Zigbee作为近年热门的点对多点通讯协议具有稳定性好、融合性高的优点，其缺点是传输速率较低，功耗较高，很难应用到1Mbpsits/S以上高传输速率的无线通讯设备上[1]。

基于以太网和TCP/IP协议技术，以符合工业无线标准IEE802.11b的WIFI通讯协议栈为底层核心来实现节点数据传输[2]。WIFI作为近几年在家用和商业领域很热门的无线通讯协议，其特性是传输速率高，距离较短。分别通过远程人机端嵌入式硬件系统，以及软件分层操作系统结构详细介绍了如何通过在VAV系统中的无线终端设备实现工业空调现场传感器数据的采集和传送。重点阐述和介绍了VAV系统内部变频风机的两种控制算法，以及与传统PID控制算法比较在积分环节（PI）的稳定性优势，以及终端传感器SHT11的数据采集和发送程序及算法子程序设计。

2 VAV系统构建

2.1 闭环单风管变静压VAV系统环境

一般全空气空调系统通常通过两种方法来维持室内所需要的温度和湿度：一种是固定送风量，改变送风温度；另一种是固定送风温度，改变送入室内的风量[3]。后者就被称为变风量空调系统（Variable air volume system）。为了减少定静压法在传感器位置及数量设定上的难确定，以及其成本较高、节能效果差这一缺点，采用节能效果更高、成本更低的单风管变静压VAV控制系统。变静压单风管VAV温控系统是一个双闭环系统，其结构主要由变频风机、智能温湿度传感器SHT11、控制阀门（风量末端的风阀）等组成。双闭环设计为多变量的VAV系统保持各回路之间的良好耦合[4]。系统结构如图1所示。

图1 VAV双闭环控制系统结构框图

机组的架设由风阀控制器、静压传感器、VAV装置和变频风机等组成[5]。内部控制是由末端检测的风量值作为参数值，室内温度测量值与设定值的偏差作为模糊自适应控制算法的输入值，结果传输给控制模块作为确定参数值的指标[6]。通过在送风机的电源线路上加装变频器的方法由SC（system control）系统控制器指示送风机控制转速。控制系统结构如图2所示。

图2 VAV单风管变静压控制系统结构

2.2 变频风机模糊自适应控制算法

针对传统的PID算法调节，即“先比例，再积分，最后微分”，其在超调量性能上的不足，将模糊自适应改进控制算法应用到变频风机的智能调节中。在模糊控制中，控制器维数越高，控制精度越好，但由于变频风机的被控对象较多，使用多维模糊控制器会使复杂程度增加，算法的难度和仿真结果的准确性也会降低。在此本文创新型采用维控制器，一维控制器牢牢抓住设定值与被测值误差作为模糊控制器的输出，其输入输出结构如图3所示。二维控制器选用反馈检测值与输入值作为系统输入量，由使用者来进行选择，其输入输出结构如图4所示。并将自适应控制应用到已经设计完成的回路中，以获得更好的控制效果，加强模糊控制器的学习功能。

图3 一维模糊控制器I/O结构框图

图4 二维模糊控制器I/O结构框图

自适应控制器相较于一般的模糊控制器增加了三个环节：性能测量、控制量矫正和控制规则修正。选择反馈信号和输入信号的误差作为模糊控制器的两个输出，以E和EC来表示；控制器的一个控制输出作为增量，记做ΔU，则论域和模糊集合定义如下：

E、EC和ΔU的模糊集为：

{NB，NM,NS,ZO,PS,PM,PB};

E和E的论域：

{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5,6}

ΔU的论域：

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

在建立模型前规则库的建立为推理机提供模糊规则，根据控制环境采用经验归纳法，用关系连词对变频风机风道静压回路进行模糊规则的设定。在变频风机算法中常用模糊规则为：静压低，且静压上升不快，则提高变频风机频率；静压高，且静压快速上升，则降低变频风机频率。如用关系连词表示输入变量为误差和误差变化，以及输出的控制量增量，即可表示为：if e is NB and ec is PC，then Δu is PM;if e is PB and ec is PB,then Δu is ZO。根据规则推理出的模糊值并不能用于被控对象，需通过解模糊根据推理的结果求得最能反映控制量的真实分布。采用加权平均法求得期望值，其计算公式为：

一般情况下则可表示为：

对系统需要进行仿真，即需要对变频风机风道静压回路进行数学建模并对模糊控制系统进行仿真。采用阶跃响应法对变频系统，在MATLAB环境下运用Simulink对动态系统进行组态和模型仿真，并将独立的比例积分PI子系统加入到系统前端，通过反复调整达到设计要求并增加稳定性。

3 基于WIFI协议栈的系统内部结构

3.1 带有终端传感器的网络结构

通过在测试室内加装温度传感器SHT11连接节点设备CC2540（芯片为SOC片上系统的WIFI射频模块），由CC2540控制传感器进行数据采集，然后将数据以无线方式发给WIFI集中器，通过SPI串口由控制模块终端发送到协议栈物理层，再通过应用层程序实现通信控制功能，从而控制风阀扇叶准确调节风压。采集流程如图5所示。

图5 CC2540数据采集流程图

3.2 系统硬件和软件层程序设计

嵌入式硬件部分为处理器、存储设备、电源电路、通信接口（SPI和JTAG等）、以太网模块和外围设备（LCD显示、USB、外设键盘、鼠标等）。核心处理器采用增强型STM32F103VET6，STM32F103VET6芯片是基于ARM公司Cortex-M3内核的高性能、低功耗的32位Flash微处理器，其硬件层构成如图6所示。软件层可分为应用层、OS层和驱动层三部分，应用层的作用主要是通过开发应用层程序对采集的信号在OS层进行实时管理，选择Linux系统对图形界面程序、射频模块数据采集程序等嵌入式操作系统进行裁剪、移植[7]。在驱动层部分，使用Linux Kernel分别对LCD、USB、WIFI等进行模块加载驱动。软件层结构如图7所示。

图6 智能温控器硬件层组成

图7 智能温控器软件层结构

在程序操作部分重点介绍射频模块发送程序流程设计和控制算法子程序设计。射频模块首先需要对CC2540进行初始化并进行信道扫描，收到节点汇聚的信标后发送信号，请求连接成功后开始发送数据，如没有通过则继续连接直到成功[8]。每次数据发送成功节点需休眠等待下次数据传输时唤醒。其程序流程图如图8、9所示。

图8 射频模块发送数据流程图

在算法的程序设计环节，需考虑系统模糊控制量系数，它根据采集环境温度来确定，并选择阀门的首次开度[9]。并且，在选择好调节参数后系统还要对选择的参数进行检测，以确定是否合适[10]。通过对比测量值与设定值来控制阀门开度和静压值参数，最终使室内温度与用户设定的目标温度相等，反之亦然[11]。其算法程序流程图如图10所示。

图9 射频模块接收数据流程图

图10 控制算法子程序流程图

4 结束语

主要阐述了以WIFI通讯协议的射频模块为核心，通过STH11配合CC2540将无线数据采集和传输功能应用到变风量的温控系统。在单风管变静压VAV温控系统的构建和内部控制基础上，两种变频风机模糊控制器的设计实现了系统控制的灵活性和智能化。带有终端传感器的机组架构通过WIFI无线网络经AP端实现数据的采集和传输，通过SPI与上位端SOC通讯并在应用层OS操作端进行控制管理。在上位机端，分别完成了在增强型STM32平台上实现系统硬件的嵌入式设计和软件驱动设计，重点介绍了变频风机模糊自适应算法及相较于传统PID控制在超调量性能上的优势。本设计基本实现了无线温控系统的基本需求，在硬件和软件以及外部环境方面详细描述了温控器的设计实现，对变频风机自适应控制算法在MATLAB环境下进行了系统阶跃相应曲线仿真，如图11所示，并与实际实验测得的阶跃响应曲线进行拟合，如图12所示。

图11 变频风机风道静压回路阶跃响应仿真

图12 模型仿真阶跃输入信号曲线拟合

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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，陕西省西安市人，硕士研究生，主研方向：无线采集系统设计，工业控制PLC系统设计。王延年（1963-），男，吉林省长春人市人，教授，主研方向：工业控制信息系统。

2016-05-10