基于物聯(lián)網(wǎng)的老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品智能控制系統(tǒng)

石元伍+余莎

摘 要： 針對(duì)目前老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品溫度無(wú)法智能控制或一直存在控制精度低、耗時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品溫度自動(dòng)控制方法。建立老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品控制模型并分析各參數(shù)對(duì)控制效果的影響，采用最小二乘法對(duì)老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品控制模型結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，在此基礎(chǔ)上，采用多變量廣義預(yù)測(cè)控制簡(jiǎn)化算法對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行辨識(shí)，確定水溫變冷的速度，采用物聯(lián)網(wǎng)對(duì)老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品溫度自動(dòng)控制方法進(jìn)行改進(jìn)處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用改進(jìn)控制方法時(shí)，其溫度控制精度、控制所需時(shí)間均要優(yōu)于傳統(tǒng)的控制方法，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)； 老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品； 溫度控制； 自動(dòng)控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN911?34； TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）17?0113?03

Internet of Things based intelligent control system for elderly sanitary product

SHI Yuanwu， YU Sha

（School of Industrial Design， Hubei University of Technology， Wuhan 430000， China）

Abstract： Since the temperature of the elderly sanitary product can′t be controlled intelligently， and the temperature control has low precision and long time consumption， an Internet of Things （IoT） based temperature automatic control method of elderly sanitary product is proposed. The control model of the elderly sanitary product was established， and the influence of each parameter on control effect is analyzed. The least square method is used to estimate the structure parameter of the elderly sanitary product control model. On this basis， the multivariable generalized predictive control simplified algorithm is used to identify the model structure， and determine the cooling speed of water temperature. The IoT is adopted to improve the temperature automatic control method of elderly sanitary product. The experimental results show that， in comparison with traditional control methods， the improved temperature control method has higher control precision and shorter control time， and has a certain advantage.

Keywords： Internet of Things； elderly sanitary product； temperature control； automatic control system

0 引 言

近幾年來(lái)，我國(guó)人口老齡化的問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，老年人已經(jīng)成為我國(guó)的重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象[1?3]，因此，供應(yīng)給老年人使用的工業(yè)產(chǎn)品需要格外注重功能及使用便利性能，特別是老年人的衛(wèi)浴產(chǎn)品，這是由于老年人動(dòng)作遲緩，調(diào)試不當(dāng)，便容易受到傷害，針對(duì)老年人這一特殊群體的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品的開發(fā)供不應(yīng)求，特別是衛(wèi)浴產(chǎn)品。本文通過(guò)分析老年人身體各機(jī)能的衰退[4?7]，以及現(xiàn)階段老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品的不健全，希望借助物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)現(xiàn)代化平臺(tái)找出更符合老年人身體特征的衛(wèi)浴產(chǎn)品。在物聯(lián)網(wǎng)慢慢走進(jìn)人們生活的今天，家居用品的智能化已經(jīng)被人們所接受，文獻(xiàn)[8]中將PID控制方法應(yīng)用于老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品控制系統(tǒng)中，控制時(shí)間較為理想，但其穩(wěn)定性差；文獻(xiàn)[9]中采用Fuzzy?PID控制方法，實(shí)現(xiàn)了智能控制老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品，但隨著控制對(duì)象的逐漸增加，其控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，對(duì)于老年人的使用存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[10]提出基于捕魚算法的老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品智能控制系統(tǒng)，表現(xiàn)性能優(yōu)越，但控制范圍小，不適合廣泛使用。

針對(duì)老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品溫度控制一直存在控制精度低、耗時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品溫度自動(dòng)控制方法。通過(guò)提出在衛(wèi)浴產(chǎn)品中植入智能芯片，借助物聯(lián)網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)浴溫度控制的智能化，滿足老年人居家養(yǎng)老的要求。通過(guò)建立老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品控制模型并對(duì)各參數(shù)對(duì)控制效果影響進(jìn)行分析，采用最小二乘法對(duì)老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品控制模型結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，在此基礎(chǔ)上，采用多變量廣義預(yù)測(cè)控制簡(jiǎn)化算法對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行辨識(shí)，確定沉積速度，采用物聯(lián)網(wǎng)對(duì)老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品溫度自動(dòng)控制方法進(jìn)行改進(jìn)處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用改進(jìn)控制方法時(shí)，其溫度控制精度、控制所需時(shí)間均要優(yōu)于傳統(tǒng)的控制方法，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

1 老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品控制模型

對(duì)老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品進(jìn)行控制模型構(gòu)建，可準(zhǔn)確地反映老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品溫度的實(shí)際特性，可以為老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品溫度控制器及控制方法參數(shù)的設(shè)置提供充分的理論依據(jù)。由于老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品溫度控制器輸入量均為單個(gè)，且有滯后現(xiàn)象，可用降階的滯后二級(jí)系統(tǒng)來(lái)表示，老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品控制模型表達(dá)式為：endprint

（1）

式中：為靜態(tài)增益放大系數(shù)；為時(shí)間常數(shù)；為滯后時(shí)間；為控制速率。各個(gè)參數(shù)對(duì)控制效果的影響不同，：主要表示被控制對(duì)象在靜態(tài)即穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的關(guān)系。當(dāng)被控對(duì)象的自動(dòng)平衡力較小時(shí)，會(huì)越大，反之越小。：當(dāng)控制器的輸入量發(fā)生變化，再次達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸出量達(dá)到這個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間可表示被控制對(duì)象的慣性特點(diǎn)，值越大，說(shuō)明變化所需時(shí)間越長(zhǎng)，反之越短。：當(dāng)輸入量發(fā)生變化時(shí)，輸出量也會(huì)發(fā)生一定的變化，這個(gè)變化如果是在輸入變化后的一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生，則這段時(shí)間就是滯后時(shí)間，輸出落后變化主要是由于熱量的傳遞和輸送不能馬上結(jié)束而導(dǎo)致的。

2 物聯(lián)網(wǎng)的老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品溫度自動(dòng)控制

2.1 老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品控制模型結(jié)構(gòu)

假設(shè)采樣周期為時(shí)間常數(shù)為其采樣周期可根據(jù)其所需能耗情況進(jìn)行選擇，表達(dá)式為：

（2）

對(duì)采集的老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品控制數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)濾波，去掉雜波及最大和最小值后，取平均值作為當(dāng)前時(shí)刻的采樣數(shù)據(jù)，對(duì)老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品控制數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波后，采用下式進(jìn)行零均值化處理：

（3）

式中：分別表示輸入、輸出數(shù)據(jù)的樣本分量；為通過(guò)上述過(guò)程經(jīng)對(duì)波長(zhǎng)過(guò)濾后的輸入、輸出數(shù)據(jù)；為經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)均值初始化后的輸入、輸出數(shù)據(jù)。

對(duì)于單輸入輸出過(guò)程，模型結(jié)構(gòu)的辨識(shí)即為模型階次的確定，在此采用多變量廣義預(yù)測(cè)控制簡(jiǎn)化算法對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行辨識(shí)，即確定模型階次。本文只對(duì)一階模型進(jìn)行滯后辨識(shí)，確定模型結(jié)構(gòu)的參數(shù)，表達(dá)式為：

（4）

確定模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)后，可直接推廣到多個(gè)變量確定過(guò)程，采用最小二乘法對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可表示為：

（5）

（6）

式中：為遺忘因子；為正定矩陣。

2.2 老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品溫度自動(dòng)控制方法

首先確定隸屬度函數(shù)，假設(shè)控制規(guī)則為且則的控制關(guān)系可表示為。在進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，使用并集運(yùn)算方法，其結(jié)果可以表示為：

（7）

其隸屬度函數(shù)為：

（8）

其次，設(shè)置基于物聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)控制器，步驟為：

（1） 為了得到準(zhǔn)確的用戶溫度控制程序，先運(yùn)用溫度的自診斷程序（主要有I/O轉(zhuǎn)換部分、存儲(chǔ)器、CPU等），如果該過(guò)程的自診斷沒(méi)有發(fā)生錯(cuò)誤，則可繼續(xù)進(jìn)行檢測(cè)。

（2） 對(duì)于編程器和計(jì)算機(jī)的請(qǐng)求過(guò)程是否受到物聯(lián)網(wǎng)的控制，如果有控制就對(duì)程序、命令以及各種數(shù)據(jù)做相應(yīng)處理，編程器負(fù)責(zé)該數(shù)據(jù)的顯示并接收此信息。

（3） 各個(gè)輸入端數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確掃描需要中央處理器把信息快速傳送到輸入狀態(tài)寄存器中。

（4） 為了使溫度控制指令順利執(zhí)行，CPU要對(duì)輸入、輸出狀態(tài)執(zhí)行“處理”，控制指令下的溫度通過(guò)程序的邏輯、算術(shù)運(yùn)算，繼續(xù)將結(jié)果準(zhǔn)確地傳送到輸出寄存器內(nèi)。

（5） 全部溫度控制指令執(zhí)行之后，由數(shù)據(jù)輸出部分將寄存器的當(dāng)前輸出狀態(tài)集中轉(zhuǎn)換成用戶可接收的信號(hào)狀態(tài)來(lái)完成對(duì)溫度的控制。

通過(guò)上述階段完成對(duì)溫度的自動(dòng)控制，由于在工作時(shí)會(huì)進(jìn)行重復(fù)掃描，溫度控制程序在執(zhí)行時(shí)是通過(guò)循環(huán)的方式逐個(gè)執(zhí)行，所以無(wú)法在同一時(shí)刻執(zhí)行多條指令，即以串行的方式工作，此方法可避免出現(xiàn)溫度控制執(zhí)行程序匹配不準(zhǔn)的問(wèn)題，增加溫度控制的精度，控制過(guò)程見圖1。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

上位機(jī)系統(tǒng)配置中主控室上位機(jī)為研華工控機(jī)610機(jī)箱、14槽ISA/PCI母板、300 V工業(yè)電源，PIV2.0G/256M/1.44M/50X TNT64M顯存PCI顯卡，“鍵盤、鼠標(biāo)、彩顯21”三星2臺(tái)；組態(tài)監(jiān)控軟件為6.0版，運(yùn)行版256點(diǎn)2套，開發(fā)版512點(diǎn)1套；下位機(jī)配置為SIEMENS，S7?300。為了進(jìn)一步證明改進(jìn)的溫度自動(dòng)控制方法在老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品方面的實(shí)用性及可行性，以PID控制方法及Fuzzy?PID控制方法進(jìn)行溫度控制時(shí)間方面的對(duì)比分析，結(jié)果如圖2所示。

由圖2 可知，采用PID控制方法時(shí)，其控制所需時(shí)間約為30.5 min，雖然隨著控制設(shè)備的不斷增加，其控制所需時(shí)間逐漸降低，但在300～350，450～600處出現(xiàn)上升，穩(wěn)定性較差；采用Fuzzy?PID控制方法時(shí)，其控制所需時(shí)間約為26.8 min，但隨著控制設(shè)備的不斷增加，其控制所需時(shí)間逐漸降低，且在300～400處出現(xiàn)上升，雖然在450～600之間出現(xiàn)了穩(wěn)定及下降的趨勢(shì)，但其整體穩(wěn)定性較差；采用改進(jìn)控制方法時(shí)，其控制所需時(shí)間約為13.5 min，且隨著控制設(shè)備數(shù)量的不斷增加，其所需控制時(shí)間不斷下降，甚至趨于穩(wěn)定，相比PID控制方法及Fuzzy?PID控制方法分別降低了約17 min及13.3 min，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

為了進(jìn)一步證明改進(jìn)的溫度自動(dòng)控制方法在老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品方面的實(shí)用性及可行性，以PID控制方法及Fuzzy?PID控制方法進(jìn)行溫度控制精度方面的對(duì)比分析，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，采用PID控制方法時(shí)，其控制精度約為62.5%，雖然隨著控制時(shí)間的不斷增加，其控制精度逐漸上升，但在80～100 s時(shí)出現(xiàn)降低的現(xiàn)象；采用Fuzzy?PID控制方法時(shí)，其控制精度約為46.2%，但隨著控制時(shí)間的不斷增加，其控制精度逐漸上升，且在90～100處趨于穩(wěn)定，但其整體穩(wěn)定性較差；采用改進(jìn)控制方法時(shí)，其控制精度約為92.5%，且隨著控制時(shí)間的不斷增加，其所需控制精度不斷上升，甚至很長(zhǎng)一段時(shí)間趨于穩(wěn)定，相比PID控制方法及Fuzzy?PID控制方法分別提高了約30.0%及46.3%，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

為了進(jìn)一步證明改進(jìn)的溫度自動(dòng)控制方法在老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品方面的實(shí)用性及可行性，以PID控制方法及Fuzzy?PID控制方法進(jìn)行溫度控制效果方面的對(duì)比，結(jié)果如圖4～圖6所示。

從圖4～圖6可以看出：采用PID控制方法時(shí)，出現(xiàn)了較大波動(dòng)，且未達(dá)到穩(wěn)定的范圍，效果較差；采用Fuzzy?PID控制方法時(shí)，波動(dòng)較小但較為頻繁，效果很差；采用改進(jìn)控制方法具有較好的控制作用，能夠在短時(shí)間內(nèi)將老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品的溫度自動(dòng)控制在較為理想的溫度范圍內(nèi)。

4 結(jié) 論

針對(duì)老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品溫度控制一直存在控制精度低、耗時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)的老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品溫度自動(dòng)控制方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用改進(jìn)控制方法時(shí)，其溫度控制精度、控制所需時(shí)間均要優(yōu)于傳統(tǒng)的控制方法，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

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