基于无线传感器网络的变风量空调末端智能控制系统的制作方法
【技术领域】：
[0001] 本实用新型属于中央空调控制技术领域，具体设及一种基于无线传感器网络的变 风量空调末端智能控制系统及方法。
【背景技术】：
[0002] 中央空调末端控制器是中央空调系统热交换的最后一个环节，更是中央空调系统 中最重要的装置之一。特别是对恒定送风溫度而改变送风量的变风量空调系统而言，其对 空调系统的节能有着重要意义。此外，无线、多点的数据采集方式可W提高大型空调房间环 境表征的灵活性和准确性，对于保持大型空间舒适度也有着十分重要的意义。因此，设计一 个能灵活、准确地表征大型空间环境特征，并在不同送风条件和负荷下达到节能、高效控制 效果的末端控制器，是节能和保持舒适度的关键。
[0003] 影响中央空调系统末端控制效果的因素有很多，特别是在变风量空调系统中，由 于送风管道压力的变化、送风湿球溫度的差异W及空调房间负荷的差异等，使之具有较强 的非线性和不确定性。目前，对于变风量空调系统末端装置控制器的选择，现有研究多采用 普通单片机作控制器，而运些单片机资源少、功能单一、控制性能差、人机交互不友好，用其 作控制器仅适用于常规PID控制策略和较为简单的控制功能；在数据采集方式上，现阶段 大多采用单一、有线的传感器来采集环境溫湿度，运种数据采集方式虽易实现，但其仅适用 于客房等独立的小型空间，而对于商场、剧院、体育馆和火车站等溫湿度具有分布特性的大 型空间，其采集到的单点数据无法准确表征整个空间的溫湿度情况，另一方面，繁杂的布线 也使之不够灵活、美观；在显示与操作方面，目前大多采用LCD液晶显示屏与键盘按键操作 相结合的方式，该方式显示美观，按键便捷，但按键长时间使用，其与键盘连接处可能因老 化而失灵，一旦按键失效，将无法通过控制面板控制末端控制器，更换控制面板也是价格较 高且十分不便的，同时它只能用于接收来自控制面板的调溫，而不能接收来自于手机等其 它无线移动设备的调控，运对于家中有行动不便的老人或大型空调房间控溫等情况都是十 分不便的；在控制策略应用上，近年来国内外学者对于末端装置的控制主要WPID为主，有 些还采用模糊控制等控制策略，但对于具有非线性、不确定性，同时要求较高控制精度的情 况，运些控制策略已经无法满足人们对于高品质生活环境和空调节能效率的要求。 【实用新型内容】：
[0004] 1、实用新型目的： 阳〇化]为解决上述问题，本实用新型提供了一种基于无线传感器网络和嵌入式系统的中 央空调末端控制系统及方法。其目的在于解决W往所存在的问题。
[0006] 采用无线传感器网络可对网络覆盖区域内多点进行无线、实时检测，替代W往单 点、有线的数据采集方式，并采用数据融合的方法，提高对于商场、剧院、体育馆和火车站等 大型空调空间中系统数据采集的灵活性和环境信息表征的准确性；采用ARM9处理器W及 Linux嵌入式操作系统，替代W往单线程任务为主的单片机或微处理器，提高系统数据处理 能力和控制效率；基于TCP/IP协议，应用Wi-Fi无线网络和智能手机APP，改进W往显示屏 和按键，提高了空调房间溫湿度显示与设定的便捷性；采用模糊PID控制策略，实现智能控 制策略，改善末端智能控制器的实际控制效果。 阳007] 2、技术方案：
[0008] 本实用新型是通过W下技术方案来实现的：
[0009] 基于无线传感器网络的变风量空调末端智能控制系统，其特征在于：该智能控制 系统主要包括嵌入式主控模块、无线传感器网络房间信息监测模块、输出控制模块W及移 动终端模块，无线传感器网络房间信息监测模块连接嵌入式主控模块，嵌入式主控模块连 接输出控制模块W及移动终端模块。
[0010] 无线传感器网络房间信息监测模块包括网络协调器和多个采集节点，各采集节点 通过2. 4GHz频段无线网络与网络协调器无线连接，网络协调器通过串口与嵌入式主控模 块串行连接；
[0011] 嵌入式主控模块内设置有主控制器和触摸屏，主控制器与触摸屏、输出控制模块 和无线传感器网络房间信息监测模块内的网络协调器连接；
[0012] 输出控制模块包含D/A转换电路和末端风阀执行机构，D/A转换电路与末端风阀 执行机构和嵌入式主控模块内的主控制器连接；
[0013] 移动终端模块包括无线路由器和手机终端；
[0014] 嵌入式主控模块的主控制器通过网线与无线路由器连接，手机终端通过无线路由 器提供的Wi-Fi网络与嵌入式主控模块连接。
[0015] 嵌入式主控模块包括ARM9高性能微处理器、TFT真彩液晶屏、NANDFlash存储器、 UART模块、邸EP模块。
[0016] 利用上述的基于无线传感器网络的变风量空调末端智能控制系统所实施的智能 控制方法，其特征在于：该方法将多个无线采集节点6分布在大型空调房间内的不同位 置，采集该大型空调房间内多点溫湿度值，并由网络协调器5组建的无线传感器网络通过 2. 4GHz频段将运多点溫湿度数据无线发送至网络协调器5,网络协调器5通过串口通信将 运多点数据发送至嵌入式主控模块1，经线性补偿、溫度补偿、加权平均算法、智能控制算法 等数据处理算法，嵌入式主控模块1完成数据显示并输出控制量W控制末端风阀执行机构 4,调节变风量空调系统末端风阀开度，完成对大型空调房间的多点信息采集、多点数据融 合与溫度巧制功能。
[0017] 本实用新型采用模糊PID控制系统结构，模糊PID控制器W回风溫度，即室内溫度 偏差e及其变化率ec作输入，利用模糊控制规则在线校正PID=个控制参数kp、ki、kd，把模 糊控制与PID控制结合起来，构成模糊PID控制，使其既具有模糊控制能够解决非线性、不 确定性和有较强鲁棒性的优点，又具有传统PID控制精度高的特点，解决了PID参数难W在 线调整的问题，保证了控制系统的控制精度；在数据处理上，本实用新型采用溫度补偿和线 性补偿对各采集节点的湿度数据进行补偿处理，消除来自溫、湿度运对禪合量的禪合干扰， 从而保证空间中湿度采集的准确性；并采用数据融合算法对各经补偿处理后的数据进行加 权平均处理，根据大型空间中人员密集程度不同等因素所导致的负荷差异，为各采集点数 据分配不同的权重后取加权平均值作为环境溫湿度值，从而提高多点数据表征大型空间整 体环境信息的有效性和准确性；再采用模糊PID控制算法，解决了PID控制参数在线调整的 难题，改善变风量空调系统末端控制器的控制精度。
[001引本实用新型中考虑到空间环境中溫、湿度是相互禪合量，因此为提高测量精度，在 用DHTlO传感器测量空间溫湿度时，需要对其输出的"相对湿度"进行线性补偿和溫度补偿 后，才能得到较为准确的湿度值；可由下式补偿传感器非线性的相对湿度数字输出量：
[0019] RHiinear= C1+C2? S〇KH+C3 ? S〇kh2 (% RH)
[0020] 式中：RHii。。。为线性补偿后的湿度值，soKH为相对湿度的测量值，C1、C2、Cs为线性 补偿系数，对于12位数据位其依次取值为：Ci= -4,C2= 0. 0405,C3= -2. 8 ? 10 6;
[0021] 由于溫度对湿度影响很大，而实际溫度和测量参考溫度25°C不同，因此还要对线 性补偿后的湿度值进行溫度补偿；下式为其补偿公式： 阳02引册加6= (T ,C-2f5) ? (ti+t2 ? SQJ+RHiinear
[002引式中：RHtf。。为经线性补偿和溫度补偿后的湿度值，Tt为测试湿度值时的溫度，Vt2为溫度补偿系数，对于12位数据位其依次取值为：t1= 0. 01，12= 8 ? 10 5;
[0024]由于DHTlO是采用PTAT能隙材料制成的溫度敏感组件，因而具有很好的线性输 出；补偿后的数字输出转化为实际溫度值可由下式算得：
[00巧]Temperature二di+ds ? S〇T 阳0%] 式中，SOt为溫度的数字量输出；d1和d2为特定系数，d1与DHTlO工作电压有关，d2 与DHTlO内部A/D转换分辨率有关；对于3. 5V工作电压，14位A/D转换分辨率下的溫度转 换系数应为：di(°C) = -39. 66,dz(°C) = 0.Ol;
[0027] 又考虑到大型空间中人员密集程度不同等因素所导致的负荷差异，为各采集点数 据分配不同的权重后，采用数据融合算法对各经补偿处理后的数据进行加权平均处理，最 终取得到的加权平均值作为空间环境溫湿度的有效值，其计算公式如下：
[0028] WAtemperature = Wl ? T1+W2 ? T2+W3 ? T3+......
[0029] WAhumidity = Wl ? H1+W2 ?肥+W3 ?册+......
[0030] 式中，WAtemperature为空间溫度的加权平均值，WAhumidity为空间湿度的加权 平均值，Wi为第i点的权重，Ti为第i点的溫度值，化为第i点的湿度值；
[0031] 对于采用的模糊PID控制算法，其W回风溫度（室内溫度）偏差e及其变化 率ec作输入，利用模糊控制规则在线校正PID=个控制参数kp、ki、kd;e和ec模糊集为 (NB,醒，NS,Z0,PS，PM,PB}，根据《采暖通风空气调节设计规范》（GBJ19-87)规定，并结合干 球溫度、湿球溫度效应对人体舒适度的影响，冬季空调室内溫度应为18~22°C，夏季应为 24~28°C，因此e和ec的论域为{-18, 1到，选S角函数作其隶属度函数；另选取Akp论域 为[-0. 3, 0. 3]，间隔0. 1 ;Aki、Akd论域为[-0. 06, 0. 06]，间隔0. 02,S个参数隶属度函数 选用=角函数； 阳03引由PID控制原理：kp用于加快响应速度，提高精度；k用于消除稳态误差；kd用于 改善动态特性，故对于不同的e和ec，被控过程对参数kp、ki、kd的自整定应满足W下规律： 阳03引（1)当H较小时，应取较大的kp和kiW及适当的kd，W避免在平衡点附近出现 震荡，使系统具有较好的稳态性能；
[0034]似当IeI中等时，应取较小的kpW及适当的k1和kd，