基于ARM的室內溫度控制系統的設計與實現

　　摘要：針對我國北方冬季供暖系統的特點及存在的不足，設計了基于嵌入式系統的ARM-Linux平臺及模糊控制技術的室內智能溫度控制系統。采用DS18B20及ZigBee無線組網技術完成了多點溫度采集，采用模糊控制技術實現了室內溫度的控制，并建立了QT用戶界面，優化了人機交互環境，采用GPRS技術實現了系統的遠程控制，給用戶帶來很大方便。系統的實現將對減少熱能浪費及提高人們生活質量起著重要作用。在大力提倡節能減排以及追求高質量生活的今天，冬季供暖系統存在的不足日益顯現出來。我國北方城市大部分采用集中供暖，在整個供暖期內，無論室內有人與無人，系統全天連續供暖；系統熱能的輸送是不變的，不能根據室內外溫度的變化以及個人對室溫的不同要求做出相應的調整。這就造成了熱能的嚴重浪費以及供暖不人性化等問題。本文設計實現了一種基于嵌入式系統ARM-Linux平臺的室內智能溫度控制系統，通過實時檢測室內外溫度的變化，合理調節室內溫度，降低了熱能消耗，提高了人們的生活質量。
　　
　　1、系統功能及總體結構
　　
　　本系統硬件框圖如圖1所示，主要由ARM9控制器，溫度檢測模塊，觸摸屏顯示模塊，ZigBee無線收發模塊，暖氣控制模塊，GPRS模塊等組成。　　　　
　　其中溫度檢測包括室外溫度檢測、室內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控制器實現無線連接，組成一個星型無線網絡。各檢測點溫度值通過Zigbee無線傳輸到ARM控制器，ARM控制器根據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，從而實現室溫的智能調節。信息顯示與輸入模塊由LCD觸摸屏實現，用來顯示當前室內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與外部實現無線連接，用戶通過手機可以隨時對系統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。
　　
　　1.1ARM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。系統選用SAMSUNG的基于ARM920T內核的處理器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LTPSTFT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），用來實現信息的顯示與控制輸入，優化了人機交互環境，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字化溫度傳感器DS18B20.其測量范圍為-55℃~125℃，在-10℃~85℃范圍內，精度為±0.5℃，*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絡。ZigBee模塊采用支持IEEE802.15.4協議，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，室內溫度檢測將多個溫度傳感器分別放置在室內的不同房間，以檢測室內多個位置的溫度；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、室外以及暖氣溫度信息通過Zigbee無線傳輸給ARM控制器，ARM控制器經過綜合處理分析，再給暖氣控制模塊*的控制量，以實現室內溫度的智能控制。
　　
　　1.3暖氣控制模塊
　　
　　暖氣控制模塊采用數字流量閥作為執行部件。數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控制器根據收到的各監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字流量閥，從而調節暖氣熱水的流量，實現室內溫度的智能調節。
　　
　　1.4GPRS模塊
　　
　　GPRS即通用分組無線服務技術，是一種以GSM為基礎的數據傳輸技術。用戶永遠在線且按流量、時間計費，通信成本低等優點，使GPRS技術成為家庭智能控制系統中無線數據傳輸的*選擇。GPRS模塊主要功能是通過GPRS網絡實現ARM控制器與戶主手機之間的數據交換。經過性能與成本的綜合考慮，系統選用西門子公司的MC55GPRS模塊。
　　
　　2、自適應模糊控制器設計
　　
　　因為室內溫度系統是一個大純滯后系統，無法建立的數學模型，所以本系統采用模糊控制技術對室內溫度進行控制，以提高室內溫度的控制精度。對于室內溫度系統來說，隨著室外溫度及暖氣溫度的變化，原來完善的模糊控制規則可能會不適合變化后的新環境，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，以適應不斷變化的環境。自適應模糊控制系統結構如圖2所示。　　　　
　　自適應模糊控制系統可以連續和自動地測量被控對象的動態特性并把它們與理想模型的動態特性相比較，再用兩者之差去改變比例因子、模糊控制規則等可調參數，以使系統具有優化的性能。本系統采用動態改變相關比例因子的方式來實現模糊控制系統的自我調整。如圖2所示，為了降低模糊控制器的復雜度，減小計算量，系統采用二輸入單輸出模型。系統設定溫度值T0與當前室內溫度值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。系統根據e、ec的變化并參考T1、T2的值進行綜合分析，性能辨識，然后動態的調整比例因子ke與kec,從而實現模糊控制系統的自我調整，以適應不斷變化的環境。　　　　
　　根據專家知識和實際測試，選擇合適的論域、隸屬度函數及相關比例因子，建立合理的模糊控制規則，在Matlab7.1中的Simulink下建立系統仿真模型。
　　
　　系統設定溫度為24℃，輸出波形如圖3所示，超調量不超過0.5℃，在室內暖氣大純滯后環境下，控制品質已相當優良。實際測試表明，系統具有很好的控制效果及很強的魯棒性。
　　
　　3、系統軟件設計
　　
　　系統軟件部分的設計主要是基于ARM-Linux,與其他嵌入式操作系統相比，Linux操作系統具有完整的TCP/IP協議，良好的穩定性和實時性，很好的滿足了智能控制系統對系統可靠性的要求；此外，Linux易于移植裁減、內核小、效率高、源代碼開放并有眾多的，為系統的開發提供了良好的。
　　
　　系統開發首先建立交叉編譯環境，然后引導bootloader,移植操作系統，裝載文件系統，開發圖形界面，zui后編寫應用程序。本系統采用Linux2.6內核，其具有強大的進程、中斷、內存和設備管理功能，支持各種文件系統。系統采用了基于QT/E的圖形用戶界面，Q/E延續了Qt在桌面系統的所有功能，豐富的API接口和基于組件的編程模型使得嵌入式Linux系統中的應用程序開發更加便捷。
　　
　　系統程序流程如圖4所示，系統應用程序主要由一系列用來實現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。　　　　
　　4、結束語
　　
　　本文介紹了一種基于ARM的室內智能溫度控制系統，給出了詳細的系統架構方案，從軟、硬件兩方面闡述了設計思路和實現方法。系統采用ZigBee技術組建小型無線網絡，實現了多點溫度采集，避免了繁瑣的布線；采用模糊控制技術，提高了室內溫度的控制精度；建立了QT用戶界面，優化了人機交互環境；采用GPRS技術實現了系統的遠程控制。本系統彌補了我國北方冬季供暖系統存在的不足，隨著我國計量取暖的逐步實施，具有很好的實際運用價值。