基于物联网的实验室温湿度控制系统设计

骆方舟

(黎明职业大学，福建 惠安 362100)

由于实验室内的实验设备大多数都是金属材质，实验室内的湿度过大，空气中的水蒸气就会在金属表面产生凝结现象，导致实验设备出现遇水绝缘度降低、电路短路以及设备老化等问题，影响实验设备的正常使用。实验设备的散热会由于实验室内温度过高，热量散失较慢，对实验设备的正常运转造成损害[1]。实验室内温度不稳定也会给实验技术人员带来不适，影响实验操作。适宜的温湿度环境是实验室最基本的要求，对实验设备的运行和实验结果都会产生影响。

传统的实验室温湿度都是采用人工的方式来调节控制的，技术控制人员通过读取实验室内的温湿度计，来获取实验室现场的温湿度，然后再与标准实验室指标参数对比，人为调整实验室温湿度的方式有调节水阀开度、控制电加热等[2]。由于人工控制实验室温湿度一般都是根据以往的实验室参数指标经验来操作的，具有较大的随意性，对实验室温湿度控制系统造成的影响，已经超越了实验设备正常运行所需要的具体指标参数[3]。除此之外还有自适应模糊PID控制方式来调节控制，可为实验室管理提供更精准温湿度环境保障，但由于没有考虑实验室的种类特点，导致控制误差较高。

针对人工控制实验室温湿度存在的问题，以及不稳定的实验室环境给实验设备和操作人员带来的影响，本文将物联网应用到实验室温湿度控制系统设计中，为实验室温湿度控制系统的开发创造了优越的条件，实现实验室温湿度控制的智能化。

1 实验室温湿度控制系统硬件设计

1.1 实验室温湿度控制电路设计

当实验室内环境复杂时，可以通过温湿度控制电路设计，决定温湿度数据采集顺序，提高实验室温湿度的控制能力。实验室温湿度控制系统是通过物联网技术对实验室的加热器、风扇以及天窗的开关控制来实现的。如果实验室内的温度升高可以通过打开风扇或天窗来调节实验室内的温度[4]。在温湿度控制系统的电路中，通过控制视觉传感器来实现硬件的开关，从而达到控制实验室温湿度的目的。

通过物联网技术对监控的实验室温湿度进行智能采集，物联网视觉传感器分布图如图1所示。

图1 物联网视觉传感器分布图

视觉传感器属于一种智能开关，不需要人为启动，主要在物联网基础上，用于小电流信号控制大电流信号，具有安全可靠的优点。视觉传感器经常被用于工业化的自动控制系统中，通过控制输入回路来控制输出回路。实验室温湿度控制电路中，每一个控制节点都需要三个视觉传感器来控制加热器、风扇以及天窗[5]。视觉传感器引脚示意图如图2所示。

图2 视觉传感器引脚电路图

实验室温湿度控制电路设计通过视觉传感器引脚发出控制信号，然后通过反相器将温湿度的电压信号放大，以控制视觉传感器的方式来实现小电流控制大电流的目的，从而实现实验室的温湿度控制。实验室温湿度控制电路图如图3所示。

图3 实验室温湿度控制电路图

在实验室温湿度控制电路图中，反相器用于放大电压信号，三极管Q2可以作为开关使用，D5为二极管，主要用于释放控制电路的回路电压。

1.2 温湿度传感器设计

实验室温湿度的控制需要温湿度传感器采集实验室现场温湿度指标，并将现场温湿度指标与标准指标对比，提高实验室温湿度的控制能力。实验室温湿度传感器内部芯片是由温度敏感元件和湿度敏感元件组成的，将实验室内的温湿度感测、A/D转换、加热器等功能都集中在传感器芯片上[6]。温湿度传感器电路图如图4所示。

图4 温湿度传感器电路图

实验室的温湿度电信号在物联网的基础上先进入信号放大器中接受放大，然后输入到转换器中进行温湿度电信号转换，最后由两条线连接的串行数字接口将温湿度电信号输出成数字信号。这种基于物联网的温湿度传感器具有较高的集成度和可靠性，能耗低且接口简单，还可以将其直接浸没在水中，可以适应比较恶劣的实验室环境。温湿度传感器内部结构图如图5所示。

图5 实验室温湿度传感器内部结构图

实验室温湿度传感器在采集温湿度数据时，先通过物联网技术初始化温湿度数据传输来启动温湿度传感器的测量时序。当第一个时钟出现高电平时，实验室温湿度数据就会翻转为低电平，当第二个时钟出现高电平时，实验室温湿度数据翻转为高电平。温湿度传感器的测量命令包含三个地址位和五个命令位[7]。

物联网发布温湿度测量命令后，实验室温湿度数据在第八个时钟的下降沿将被置为低电平，当下一个时钟发送命令时，温湿度数据将恢复成高电平[8]。物联网可以选择暂时停止发送时钟序列而进入空闲模式，在这种模式下准备读取传感器的测量数据，为实验室的温湿度控制打下基础。在物联网的基础上，由温湿度传感器的工作原理及工作环境，设计了实验室温湿度传感器的内部结构。基于温湿度传感器的结构图，分析了实验室温湿度数据的控制原理，完成了温湿度传感器的设计；通过控制视觉传感器来实现硬件的开关控制，根据视觉传感器的工作原理，设计了实验室温湿度控制电路图，实现了温湿度控制系统的硬件设计。

2 实验室温湿度控制系统软件设计

2.1 采集实验室温湿度数据

在控制实验室温湿度指标时，先将实验室的实时温湿度采集并记录，提高实验室温湿度控制的准确性，从而加强实验室温湿度数据采集、校验、处理及通讯功能。实验室温湿度控制系统的采样周期设定为15秒，因此采用物联网技术每隔15秒对实验室温湿度数据进行一次数据采样并刷新显示[9]。实验室温湿度无线传输流程如图6所示。

图6 温湿度无线传输流程图

采集实验室温湿度数据首先由主控单元通过串口向温湿度采集控制中心发出采集指令，采集控制中心接收到采集命令后会经过物联网技术处理发出应答响应，应答响应时间通常都小20ms，同时还要将实验室温湿度的测量值无线传输回主控单元，并触发下一个周期的实验室温湿度采集[10]。

采集控制中心接收到应答信号后，视觉传感器的值会从1变成0，然后利用采集指令接收实验室温湿度数据，将接收到的温湿度数据字节存放在寄存器中，当接收完最后一个字节的温湿度数据时，视觉传感器的值会从0再变回1，实验室温湿度数据采集完毕。

2.2 控制实验室温湿度

在控制实验室温湿度过程中，采用PID控制，快速准确地控制实验室的温湿度，加强实验室温湿度的控制能力。基于物联网的实验室温度控制精度为±0.5℃，湿度为±1%RH。在实验室温湿度控制中，P表示比例，I代表积分，D表示微分。PID控制是在物联网的基础上，通过积分控制来降低实验的误差，但是由于温湿度控制系统的超调问题，需要配合微分控制来加快系统的响应速度[11]。

实验室温湿度控制系统在设计中，通过设定的实验室温湿度值与输出值对比，控制系统通过输出值来调整控制参数，最终调节到合适的实验室温湿度并控制。基于物联网的温湿度控制系统中，传感器作为输出端，然后将调节指令传输到控制端。

实验室温湿度传感器输入值r(t)与输出值c(t)之间的偏差e(t)可以表示为：

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

(1)

将偏差e(t)的比例、积分和微分进行线性组合，就可以得到一个温湿度控制量u(t)，来控制实验室的温湿度，PID控制实验室温湿度的规律可以表示为：

(2)

式中，Kp表示温湿度控制的比例系数，TI表示温湿度控制的积分系数，Tp表示温湿度控制的微分系数。

利用式(2)的控制规律，可以得到实验室温湿度控制系统的传递函数：

(3)

在实验室温湿度控制过程中，由于实验室温度和湿度的耦合关系比较复杂，所以在物联网基础上，采用PID控制法来整定控制参数[12]。在实验室温湿度控制参数的整定过程中，通过控制系统的输出来微调参数，从而使实验室的温湿度控制满足实验室环境要求。

综上所述，在物联网基础上，通过设定实验室温湿度数据的采样周期，确定实验室温湿度数据的采集流程。利用采集控制中心的温湿度数据处理，完成实验室温湿度数据的采集；由于人为控制的实验室温湿度控制系统经常出现超调问题，计算实验室温湿度传感器的数据偏差，根据实验室温湿度的控制规律，得到控制系统的传递函数，完成实验室温湿度的控制，实现系统的软件设计。

3 仿真测试

3.1 仿真测试总体方案

仿真测试主要包括两部分，一部分为理论仿真测试试验，即从仿真数学模型上模拟温湿度控制系统的可行性，找出控制系统硬件存在的理论偏差，便于修正；另一部分是在实验室内进行温湿度控制效果验证，考察温湿度控制系统的稳定性和控制性能。

3.2 建立仿真测试数学模型

为验证基于物联网的实验室温湿度控制系统的控制能力，在物联网基础上构建温湿度控制的仿真测试模型，如图7所示。

图7 温湿度控制的仿真测试模型

3.3 实验过程

试验过程中，首先准备两台计算机并安装simulation仿真软件，准备好仿真测试环境，运行simulation仿真软件，将实验室的温湿度标准数据载入到simulation仿真软件中。仿真测试开始前，必须先让两个温湿度控制系统进行两次空载实验，确保标准数据载入的稳定性及仿真程序运行的安全性。根据国家颁发《实验室环境参数及环境管理》标准中实验室环境中温度、湿度参考参数(见表1)。

表1 不同实验室类别中温湿度参数表

然后根据simulation仿真软件的数据接口，连入基于人为操作的实验室温湿度控制系统及基于物联网的实验室温湿度控制系统，准备进行温湿度控制能力仿真测试。本次实验以常规分析实验室为例，为便于仿真测试的直观对比性，采用波形图的表现方式表示实验室温湿度的控制能力。

根据两种实验室温湿度控制系统获取的实验室温湿度数据信息，得出不同控制系统的温湿度控制情况。

3.4 测试结果分析

利用上述的测试方案和仿真模型，在物联网基础上，按照试验过程设计，获取实验室温湿度数据，绘制实验室温湿度控制能力对比图。如图8所示。

图8 实验室温湿度控制能力对比图

从测试结果中可以看出，当实验室的标准温度值为25℃、标准湿度值为50%时，基于人为操作的实验室温湿度控制系统在控制实验室的温湿度指标时，温湿度数据的控制效果不稳定，偏离了标准实验室温湿度值；而基于物联网的实验室温湿度控制系统在控制实验室的温湿度指标时，温度指标的控制偏差只有7℃、湿度指标控制偏差为12%，具有良好的控制能力。

为了进一步验证所提方法的控制能力，以控制误差为指标，进行对比实验，实验结果如图9所示。

图9 不同方法控制误差对比图

如图9所示，所提方法的控制误差最低，远远低于传统方法，具有较明显的优势。

结语

本文提出了基于物联网的实验室温湿度控制系统设计。在物联网的基础上，通过实验室温湿度控制系统的硬件设计和软件设计，完成了基于物联网的实验室温湿度控制系统设计，实现了实验室温湿度的控制。仿真测试结果显示，基于物联网的实验室温湿度控制系统具有较强的温湿度控制能力。