物聯網下室內溫度智能控制系統優化設計

謝艦鋒

（昆明冶金高等專科學校云南昆明650000）

溫度在室內設計過程中起著重要的作用，在適宜溫度下人們生活才會更加健康。室內溫度是根據不同地理環境以及不同建筑物相應標準產生的，運用合理的技術手段能夠創造出合理的室內環境，滿足不同地區人們的日常生活[1]。該空間環境具有合理的使用價值，不同地區的室內溫度設計應采用不同的方式，例如我國北方在冬季有供暖系統，這也是北方地區不可缺少的基礎設施[2]。城市大部分地區采用集中供暖的方式，使室內24小時保持連續供暖；而在南方沒有供暖系統，這就要求室內設計應保持室內溫度適宜，充分考慮室內有人、無人，黑天、白天，室外溫度變化等對室內溫度的影響[3]。

傳統系統存在溫度智能控制精準度低的問題，不能滿足用戶需求，為此，設計提出了物聯網下室內溫度智能控制系統的優化設計，能夠實時檢測出室內溫度變化情況，根據人們實際需求來調節室內溫度，保證熱能利用的合理性。

1 室內溫度智能控制系統優化設計

在物聯網環境下，對室內溫度智能控制系統進行優化，需采用VC++6.0的軟件環境進行編寫，并采用Atmage8型號的單片機與上位機進行通信[4]。單片機與溫度控制器之間的連接采用單線程方式，并由單片機進行控制[5]。

在保證室內溫度控制結果符合室內設計的熱環境體感舒適度基礎上，利用上位機負責對溫度進行設定，將設定結果傳遞給單片機，在單片機上對溫度信號進行采集并處理，將處理后的結果與溫度值進行閾值匹配。如果閾值達到最低，那么需開啟繼電器，整個系統加熱模式開啟；如果閾值達到最高，那么需關閉繼電器，整個系統停止加熱工作，由此實現控制溫度的目的[6]。

1.1 系統硬件設計

針對系統硬件結構的設計，如圖1所示。

圖1 系統硬件設計

由圖1可知：該系統是由電源、溫度控制器、傳感器、顯示屏、驅動等組成的。其中電源部分是利用變壓器調節交流電壓，再利用整流器調節直流電壓，供Atmage8型號的單片機使用；溫度控制器中采用Atmage8型號的單片機具有可編程和可擦除功能；傳感器采用單線數字形式，測試溫度范圍為-500～+1 250℃，并以“一線總線”數字方式進行傳輸；鍵盤直接利用按鍵操作實現溫度的彈性切換；顯示屏是采用42寸大屏幕將溫度變化結果顯示出來[7]。

1.1.1 溫度控制器優化設計

在物聯網環境下，對智能溫度控制器總體結構優化設計如圖2所示，該系統是由8個部分組成。

圖2 智能溫度控制器結構設計

傳統控制器只能對近距離的溫度進行控制，無法實現遠程控制，并且對于室內是否處于有人狀態的溫度調節還不成熟，為此設計了如圖2所示的控制器結構框圖[8]。通過信息顯示能夠獲取當前室內溫度；自動調節室內溫度處于正常和低溫兩種狀態，并保持不變；設定控制時間，使室內溫度達到某個特定值；根據室內是否有人，設定適宜溫度。智能溫度控制器的設計能夠實現人性化的控制[9]。

1.1.2 溫度采集模塊設計

采用多個傳感器控制整個室內的溫度，在室內放置多個傳感器，形成一個多點的溫度采集模式，每個傳感器上都有唯一的序列號，這樣CPU就可直接連接一個端口就能與其它傳感器進行通信[10]。

單片機具有兩種電源接法，其中外部連接方法主要使用一個上拉電阻進行連接，保持電壓的穩定性；而寄生電源連接方法是在系統內部連接一個寄生電源，為系統電源提供充足電壓。DS188201*連接的是地，DS188202*與單片機I/O接口連接，DS188203*連接的是總電源[11]。

1.1.3 電源電路設計

根據室內設計對溫度控制的需求，將電源電路設計為5 V、3.3 V以及1.2 V 3種不同電壓，為系統溫度控制提供穩定電源[12]。電源電路設計如圖3所示。

啟動電源開關，通過轉換降壓，將電源中的9 V交流電壓轉換為5 V電壓，并輸出。當電壓轉換為5 V電壓時，說明室內溫度達到了最低值；當電壓轉換為1.2 V電壓時，說明室內溫度達到了最高值；當電壓轉換為3.3 V電壓時，說明室內溫度適宜[13]。

根據系統硬件結構框圖，設計溫度控制器，保證室內在有人和無人情況下，都能保持適宜的溫度。以此為基礎，采用多個傳感器設計溫度采集模塊，使CPU直接與其它傳感器連接，保持電壓的穩定性。設計電源電路，合理調節室內溫度。

圖3 控制系統電路設計

1.2 系統軟件設計

物聯網下室內溫度智能控制系統優化設計主要是對溫度參數進行控制。傳統系統對于軟件部分的設計僅僅針對的是電源電壓的調節，沒有對溫度具體參數進行檢測，也沒有考慮室內熱環境是否符合要求，導致溫度控制不穩定，為此設計了如圖4所示的軟件主流程[14]。其中補充了顯示畫面與顯示更新部分，這兩者可以有效輸出顯示室內實時溫度，確保室內熱環境溫度符合人體舒適度要求。

圖4 系統軟件主流程設計

由圖4可知，使用Atmage8型號的單片機自帶ID轉換功能，可將溫度模擬量轉換為數字形式，通過濾波器進行處理。輸出的結果使用PID模糊算法，根據用戶設定的溫度值將單片機中的數字形式再次轉換為模擬量。

1.2.1 溫度信號模糊化處理

將溫度信號進行模糊化處理，使信號轉換為數字形式，將用戶設定的溫度值與變化率進行對比，并輸出轉換結果，由此可獲取溫度輸入值與輸出值[15]。由此獲取的輸入與輸出變量隸屬函數曲線入圖5所示。

圖5 輸入與輸出變量隸屬函數曲線

根據輸入與輸出變量隸屬函數曲線，設立模糊PID溫度控制規則。

1.2.2 模糊PID溫度控制規則設立

根據上述輸入與輸出變量隸屬函數曲線，在保證室內空間溫度符合人體舒適度要求下，設立模糊PID溫度控制規則。在物聯網環境下輸入不同參數，通過對不同參數的輸入結果實現整個系統溫度的智能控制[16]。具體設立規則如下所示：

1）如果偏差過大，那么系統需縮短響應時間，加快系統響應速度，選擇較大參數作為系統上限，選擇較小參數作為系統下限，而另一個參數設置為0；

2）如果偏差較小，那么系統應調節溫度，選擇兩個較大參數，避免輸出值與標準值一致，增強系統的抗干擾信號能力；

3）如果偏差大小適當，那么需調節系統控制在一定范圍之內，確保響應速度一致，為此應選取兩個較小的參數，保持溫度控制的有效性。

根據系統軟件主流程對溫度參數進行控制，使用Atmage8型號單片機，可將溫度模擬量轉換為數字形式。使用PID模糊算法對溫度信號進行模糊化處理，并設立原則，使系統抗干擾信號能力增強。

1.3 室內溫度智能控制系統優化設計的實現

將上述控制規則應用到Atmage8型號單片機智能溫度控制器[17]中，可有效實現室內溫度的智能控制。

綜合考慮室內設計的安全性，將智能溫度控制器安裝在水平且靠墻的位置上，保持該控制器的進口與出口位置的通暢性。離電視機設計至少保持1.5米以上，且遠離易燃、易爆炸品。在設計時，應保持該控制器遠離高功率的電力設備，避免受到其它設備的信號干擾，導致控制器無法正常工作。

綜合考慮室內設計的美學性，采用分體壁掛式，使設備與地面距離不超過房子整體結構的2/3，且不能有折扁處。選擇質量加好的連接管，使排水口處的彎折向下，方便排水，不會出現漏水現象。

2 實 驗

為了驗證物聯網下室內溫度智能控制系統優化設計合理性進行了實驗。

2.1 實驗參數設置

物聯網環境下室內溫度智能控制系統優化設計實驗參數設置如表1所示。

表1 實驗參數設置

根據設置的參數，將系統控制規則混亂、信號干擾情況作為實驗研究對象，對物聯網環境下室內溫度智能控制進行實驗驗證。

2.2 實驗結果與分析

2.2.1 控制規則混亂

模糊PID溫度控制規則的設立是對溫度智能控制系統的重要約束條件，當系統遵循控制規則對室內溫度進行控制時，通常會出現兩種選擇，一是溫度上升，二是溫度下降，此時需根據控制規則選擇一種執行方式[18]。如果此時的控制規則出現混亂現象，那么溫度控制也將受到影響。將傳統控制系統與物聯網下室內溫度智能控制優化系統進行對比，結果如圖6所示。

圖6 規則混亂下兩種系統控制精準度結果

由圖6可知：傳統控制系統與物聯網下溫度智能系統在理想狀態下，控制精準度可分別達到80%和60%。當可執行規則數量為10時，傳統控制系統執行出現混亂現象，導致控制精準度下降到56%，而物聯網下溫度智能系統控制精準度上升到90%；隨著可執行規則數量的增加，傳統控制精準度呈上下波動形式逐漸下降，當可執行指令數量為56時，傳統系統控制精準度達到最低，為2%。而物聯網下溫度智能系統雖有下降趨勢，但始終維持在30%以上。由此可知，控制規則混亂對物聯網下室內溫度智能控制優化系統影響較小。

2.2.2 信號干擾

信號干擾問題的產生會抑制系統對溫度的智能控制，針對該問題，物聯網下室內溫度智能控制優化系統設計了溫度控制器，保證在信號干擾條件下，依然保持較高的控制精準度。為了驗證該點，將傳統控制系統與物聯網下室內溫度智能控制優化系統進行對比，結果如圖7所示。

圖7 信號干擾下兩種系統控制精準度結果

由圖7可知：當信號干擾強度為50 Hz時，傳統系統控制精準度下降到55%，而物聯網[19]下溫度智能系統控制精準度下降到78%。隨著信號的持續增強，兩種系統的精準度呈折線下降趨勢，當信號干擾強度為450 Hz時，傳統系統控制精準度下降到38%，而物聯網下溫度智能系統控制精準度下降到45%。由此可知，信號干擾對傳統控制系統影響效果比物聯網下溫度智能控制系統要大。

2.3 實驗結論

根據上述實驗內容，可得出實驗結論：

1）針對控制規則混亂現象，設計物聯網下室內溫度智能控制系統對溫度控制精準度影響效果較小。

2）針對信號干擾現象，設計物聯網下室內溫度智能控制系統對溫度控制精準度影響效果較小。

綜上所述，設計的物聯網下室內溫度智能控制系統對溫度控制精準度較高。

3 結束語

設計物聯網下室內溫度智能控制系統可改善傳統系統中存在的控制規則混亂和信號干擾嚴重的問題，有效提高了溫度控制精準度，以保證室內空間溫度符合人體舒適度要求。從室內設計到溫度智能控制都離不開系統的實時更新，只有不斷優化系統中存在的問題，才能設計出使用戶滿意的控制系統。