一种基于模糊pid的智能窗帘控制器及智能窗帘的制作方法
【专利摘要】一种基于模糊PID的智能窗帘控制器，和智能窗帘的执行电机连接用于控制智能窗帘的遮光部件的开合状态，其特征在于包括：电机控制部，和执行电机连接，用于发出电流信号来驱动执行电机的运转；通信部，与外界的智能终端进行通信；光照检测部，设置在窗帘的室内侧，用于检测室内的光照强度信号；以及位置检测部，用于检测遮光部件的位置信号，其中，电机控制部包括单片机主控单元、电源单元、电机驱动单元。由于其中的电机控制部具有的单片机主控单元可以根据环境光的情况，进行模糊PID控制，所以使得本发明的智能窗帘控制器可以准确控制智能窗帘的开闭，满足人们的合理利用自然光和保护隐私需求。
【专利说明】
一种基于模糊PID的智能窗帘控制器及智能窗帘
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于模糊PID的窗帘智能控制器和窗帘，属于智能控制领域。
【背景技术】
[0002] 智能家居领域发展迅猛，窗帘智能控制器就是其中一种。窗帘是日常生活的必备 品。它一般有两个主要功能:一、帮助我们合理利用自然光，当室内光线较暗时，我们可打开 窗帘让光线照进来;而当室内光线较亮时，又可以打开窗帘;二、保护我们的隐私，夜幕降临 时，我们习惯拉上窗帘。
[0003] 然而自然光的变化不可捉摸，不同季节，不同天气甚至一天中的不同时刻，光线的 变化都很大。因此，想要根据室内外光差自动控制窗帘的开闭，并不容易。
【发明内容】
[0004] 本发明为解决上述问题，提供了一种基于模糊PID的窗帘智能控制器和窗帘，其利 用模糊PID控制来解决上述不同情况下光照和控制信号问题来准确控制智能窗帘的开闭， 满足人们的合理利用自然光和保护隐私需求。
[0005] -种基于模糊PID的智能窗帘控制器，和智能窗帘的执行电机连接用于控制智能 窗帘的遮光部件的开合状态，其特征在于包括：电机控制部，和执行电机连接，用于发出电 流信号来驱动执行电机的运转;通信部，与外界的智能终端进行通信;光照检测部，设置在 窗帘的室内侧，用于检测室内的光照强度信号；以及位置检测部，用于检测遮光部件的位置 信号，其中，电机控制部包括单片机主控单元、电源单元、电机驱动单元。
[0006] 本发明提供的基于模糊PID的智能窗帘控制器，还可以具有这样的特征:其中，位 置检测部还包括避障单元、遮光部件开度检测单元，避障单元，用于避开遮光部件开合过程 中的障碍，遮光部件开度检测单元，用于检测遮光部件的开度信号。
[0007] 本发明提供的基于模糊PID的智能窗帘控制器，还可以具有这样的特征:其中，避 障单元为红外传感器，遮光部件开度检测单元包括两个霍尔传感器，以相隔四分之一圆周 放置，用于检测执行电机的转向以及旋转圈数并传送给单片机主控单元。
[0008] 本发明提供的基于模糊PID的智能窗帘控制器，还可以具有这样的特征:其中，光 照检测部为光照传感器BH1750FVI芯片。
[0009] 本发明提供的基于模糊PID的智能窗帘控制器，还可以具有这样的特征:其中，霍 尔传感器为3144E开关型霍尔传感器，红外传感器为红外发射接收管。
[0010] 本发明提供的基于模糊PID的智能窗帘控制器，还可以具有这样的特征:其中，通 信部与智能终端通信的方式为蓝牙或Wi-Fi。
[0011] 本发明还提供一种智能窗帘，包括：智能窗帘本体，包括执行电机和遮光部件；以 及控制器，和执行电机连接用于控制遮光部件的开合状态，其中，控制器为上述的基于模糊 PID的智能窗帘控制器。
[0012] 发明作用与效果
[0013] 本发明所提供的基于模糊PID的智能窗帘控制器，具有电机控制部、通信部、光照 检测部以及位置检测部，由于其中的电机控制部具有的单片机主控单元可以根据环境光的 情况，进行模糊PID控制，所以使得本发明的智能窗帘控制器可以准确控制智能窗帘的开 闭，满足人们的合理利用自然光和保护隐私需求。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明的智能窗帘的结构示意图；
[0015] 图2为本发明的基于模糊PID的智能窗帘控制器的结构框图；
[0016] 图3为光强模糊查询表。
【具体实施方式】
[0017] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实 施例结合附图对本发明的智能窗帘和基于模糊PID的智能窗帘控制器的结构和使用方法工 作原理作具体阐述。
[0018] 实施例1
[0019] 图1为本实施例的智能窗帘的结构示意图。
[0020] 如图1所示，智能窗帘100包括智能窗帘本体10和基于模糊PID的智能窗帘控制器 20 〇
[0021] 其中，智能窗帘本体10包括执行电机11和遮光部件12以及挂杆13,其中执行电机 11和遮光部件12都安装在挂杆13上，而挂杆13被固定在窗户的上部墙壁上。本实施例中遮 光部件12即为普通的窗帘，在执行电机11的控制下开合。
[0022]基于模糊PID的智能窗帘控制器20,和执行电机11连接用于控制遮光部件12的开 合状态，具有电机控制部21、通信部22、光照检测部23以及位置检测部24。
[0023] 其中，电机控制部21，和执行电机11连接，包括单片机主控单元211、电源单元212 以及电机驱动单元213。
[0024] 单片机主控单元211，采用单片机作为平台，将预先设计好的模糊PID控制模型写 入到单片机中，这样就得到了可以进行模糊PID控制的单片机主控单元211。本实施例使用 的单片机型号为宏晶公司的STC89C52RC单片机。下文在使用过程中将详细介绍控制模型的 构建。
[0025] 电源单元212和单片机主控单元211连接，为其供电，其本身同室内电网连接。
[0026] 电机驱动单元213,和电源单元212连接，并在单片机主控单元211的控制下直接驱 动执行电机11的运转。
[0027] 通信部22,与外界的智能终端进行通信，通信的方式为蓝牙或Wi-Fi，本实施例中 选用蓝牙和智能手机进行通信，直接由智能手机上的APP发出指令经通信部22接收后发给 单片机主控单元211进行控制。
[0028]光照检测部23,设置在遮光部件12的室内侧，用于检测室内的光照强度信号L，单 位为lx。本实施例中选用光照传感器M11750FVI芯片，安装在室内，且和单片机主控单元211 连接。
[0029]位置检测部24,用于检测遮光部件的位置信号，包括避障单元241、遮光部件开度 检测单元242。
[0030] 避障单元241，用于避开遮光部件12开合过程中的障碍，使用红外传感器，本实施 例中使用红外发射接收管实现壁障。
[0031] 遮光部件开度检测单元242,用于检测遮光部件12的开度信号，由两个霍尔传感器 组成，以相隔1/4圆周放置在执行电机11的旋转轴侧，可得到执行电机11转向以及旋转圈 数，由单片机主控单元211处理霍尔传感器的信号便可得到窗帘的行程，即开度信号W，也 就是感应遮光部件12的位置信号W，本实施例中选用的是3144E开关型霍尔传感器。
[0032] 1.光照模糊控制算法实现。依据模糊控制的原理，选定设定光强SP，设定值与实际 值偏差ER(ER = SP-L),作为模糊控制器的输入量，窗帘开度U作为输出量。定义论域为SP[0， 1500]，ER[-600,600]，U[0,IhSPJR为光照强度，单位是Ix13U表示窗帘开度百分比，0表示 全关，1表示全开。
[0033]设定 SP，ER，U 的模糊子集分别为：SP{TS，VS，S，M，B，VB，TB};ER{NB，MM，NS，ZE，PS， ?8};1]汀3，￥3,3，，8，￥8，了8}。3?，1]的物理意义从左至右分别是43极小，￥3很小，3，小，1中 等，大B，VB较大，TB很大。ER的物理意义从左至右分别是:NB远小于，小于，NS较小于，ZE等 于，PS较大于，PB大于。
[0034] SP，ER，U的隶属度函数设定为三角形。依据生活经验，设定模糊控制规则。例如设 定光强（SP)中等(M)，并且偏差值(ER)较大（PS)，那么窗帘的开度应该是M(中等）。利用 MATLAB软件中的Fuzzy工具箱即可实现上述设置，最终得到49条规则。
[0035]图3为光强模糊查询表。
[0036] 编写MATLAB程序，对Fuzzy工具箱进行仿真，即可得到光强模糊查询表。该查询表 写入STC89C52RC单片机的EEPROM中，单片机根据程序指令，在适当的时候查表，将用户期望 的窗帘开度即遮光部件12的位置信号输出。
[0037] 2.模糊自整定PID控制算法实现。模糊自整定PID算法，实际上是利用模糊控制策 略对PID控制器的三个参数进行在线调整，使得系统适应性更加良好，从而到达预期的控制 效果。
[0038]该算法的实现可分为两部分：I .PID模糊查询表的生成；2.PID算法。其中PID模糊 查询表的生成过程与光照模糊查询表的生成一样，区别仅在于PID模糊查询表需要产生三 张表:KP，KD，KI。它们同样存储在单片机EERROM中。PID模糊控制算法的输入为E {NB，NM，NS， ZE，PS，PB};EC{NB，NM，NS，ZE，PS，PB：^|iaSKP{NB，NM，NS，ZE，PS，PB};KI{NB，NM，NS，ZE，PS， PB};KD{NB，匪，NS，ZE，PS，I?}。其中E表示用户期望位置与实际位置的差值，该差值由位置 检测模块中得霍尔传感器体现计算公式为E = U-W。EC是偏差的变化率。输出KP，KI，KD表示P 比例，I积分，D微分三个参数的增量，用以整定PID控制器。
[0039] 关于PID算法，采用增量式算法来实现。增量式算法公式如下：
[0040] uout=Uk+KP*【E(k)-E(k-l)】+KI*E(k)+KD*【E(k)-2E(k-l)+E(k-2)】
[0041 ] 增量式的输出uou t，程序中我们设定为执行电机11中脉宽调制(PWM，Pu I s e Wi dth Modulation)控制波的占空比。从而本控制器可以根据模糊PID得到的值对执行电机11的速 度进行控制，更快更准确的达到期望位置。
[0042] PID算法可以在单片机定时中断中运行，初始化定时器时选定采样时间，利用上述 公式，即可实现PID的控制。而对于KP，KI，KD三个参数，利用PID模糊查询表得到的数据进行 在线整定，即可实现模糊自整定PID控制算法。
[0043] 3.PID初始参数的确定。关于PID控制器的初始参数，需要一定的方法去确定。工程 上经常采用Z-N法。本控制器采用两种方法来确定PID控制器的初始参数，均可得到期望的 值。
[0044] 方法一：
[0045] 将执行电机11与挂杆13(这里作为窗帘导轨)连接起来后，使得电机PWM控制波的 占空比为最大，在最高速度下运行电机，得到窗帘由全关到全开的时间T。
[0046] 在PID增量式算法中，使得KI=KD = O,选取适当的KP值。通过与计算机的串口通 信，观察选取的KP值能否在T/10的时间内，使得电机达到最大速度，该值就是合适的KP初始 值。
[0047]关于KI，KD的确定，采取同样的方式即可确定。要保证系统的超调量以及稳态误差 在可接受的范围之内。
[0048]方法二：
[0049]利用C语言编写整定程序，在程序中利用确定KP的值。最后利用Z-N整定公式KI = 0.2KP，KD= 1.25KP得到完整的参数。该整定程序的思路是，设定KP的初始值，以一定的时间 间隔T对KP的值进行增加，看它是否满足设定的系统要求。
[0050]该程序是PID控制的子程序，稍加修改，即可实现本控制器的要求。 unsigned int PID_Control(unsigned int set) { unsigned int 61=0,62=0,6^0,^=0; e - set - Speed;
[0051 ] u=Kp *(e-e I )+Ki* e+Kd*(e-2 I+e2); //增量值 e2:el; el=e. return u; }
[0052] 装置运行原理
[0053] 光照检测部23,将得到的室内外光差信号ER传送给单片机主控单元211，单片机主 控单元211通过模糊控制算法计算出窗帘的开度U，即应该到达的位置，从而控制电机驱动 模块，使得窗帘到达该位置。
[0054]遮光部件开度检测单元242,将遮光部件12实际到达的位置传送给单片机主控单 元211，单片机主控单元211通过模糊PID控制算法纠正窗帘的开关程度，从而使遮光部件12 更加精确的到达用户期望位置。
[0055] 通信部22与单片机主控单元211配合，可以实现蓝牙手动控制与光照自动控制的 自由切换。
[0056] 实施例的作用和有益效果
[0057] 本实施例所提供的基于模糊PID的智能窗帘控制器，具有电机控制部、通信部、光 照检测部以及位置检测部，由于其中的电机控制部具有的单片机主控单元可以根据环境光 的情况，进行模糊PID控制，所以使得本发明的智能窗帘控制器可以准确控制智能窗帘的开 闭，满足人们的合理利用自然光和保护隐私需求。
[0058]本实施例所提供的基于模糊PID的智能窗帘控制器，由于位置检测部还包括避障 单元、遮光部件开度检测单元，使得本发明的控制器可以躲避障碍，同时遮光部件开度检测 单元可以实时检测开度，实现反馈控制，从而更准确的发出控制指令。
[0059]本实施例所提供的基于模糊PID的智能窗帘控制器，由于其中避障单元为红外传 感器，遮光部件开度检测单元包括多个霍尔传感器，这两个传感器结构简单，价廉易得，更 适合运用在智能窗帘上，使得本控制器易于推广。
【主权项】
1. 一种基于模糊PID的智能窗帘控制器，和所述智能窗帘的执行电机连接用于控制所 述智能窗帘的遮光部件的开合状态，其特征在于包括： 电机控制部，和所述执行电机连接，用于发出电流信号来驱动所述执行电机的运转； 通信部，与外界的智能终端进行通信； 光照检测部，设置在所述窗帘的室内侧，用于检测室内的光照强度信号；以及 位置检测部，用于检测所述遮光部件的位置信号， 其中，电机控制部包括单片机主控单元、电源单元、电机驱动单元。2. 根据权利要求1所述的基于模糊PID的智能窗帘控制器，其特征在于： 其中，所述位置检测部还包括避障单元、遮光部件开度检测单元， 所述避障单元，用于避开所述遮光部件开合过程中的障碍， 所述遮光部件开度检测单元，用于检测所述遮光部件的开度信号。3. 根据权利要求2所述的基于模糊PID的智能窗帘控制器，其特征在于： 其中，所述避障单元为红外传感器， 所述遮光部件开度检测单元包括两个霍尔传感器，以相隔四分之一圆周放置，用于检 测所述执行电机的转向以及旋转圈数并传送给所述单片机主控单元。4. 根据权利要求1所述的基于模糊PID的智能窗帘控制器，其特征在于： 其中，所述光照检测部为光照传感器BH1750FVI芯片。5. 根据权利要求3所述的基于模糊PID的智能窗帘控制器，其特征在于： 其中，所述霍尔传感器为3144E开关型霍尔传感器， 所述红外传感器为红外发射接收管。6. 根据权利要求1所述的基于模糊PID的智能窗帘控制器，其特征在于： 其中，所述通信部与所述智能终端通信的方式为蓝牙或Wi-Fi。7. -种智能窗帘，包括： 智能窗帘本体，包括执行电机和遮光部件；以及 控制器，和所述执行电机连接用于控制所述遮光部件的开合状态， 其中，所述控制器为权利要求1-5中任意一项所述的基于模糊PID的智能窗帘控制器。
【文档编号】A47H23/00GK105962740SQ201610292215
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月5日
【发明人】郑健博, 焦新兵
【申请人】上海理工大学