一種WiFi的大型冷庫(kù)溫度模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

徐智勇，李金鋮，羅 輝，吳晗平

（1.武漢工程大學(xué) 光電信息與能源工程學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.武漢工程大學(xué) 光電子系統(tǒng)技術(shù)研究所，湖北 武漢 430205）

0 引言

由于現(xiàn)在大部分冷庫(kù)采用的是傳統(tǒng)機(jī)械控溫等方式，當(dāng)溫度高于或低于用戶設(shè)定溫度時(shí)，制冷機(jī)開啟或停止，頻繁啟停可能會(huì)造成溫度變化大，電力消耗大，一方面造成浪費(fèi)，且達(dá)不到食物保鮮的效果，另一方面會(huì)造成器件的損耗，減小產(chǎn)品的使用壽命。由于冷庫(kù)存放的物品不同、環(huán)境不同、開關(guān)門也會(huì)造成溫度的變化，難以建立一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，一般的控制方式很難達(dá)到想要的控制效果，而模糊控制在對(duì)多變量、非線性、不確定的復(fù)雜系統(tǒng)中卻能取得較好的控制效果。目前有部分冰庫(kù)采用有線傳輸方式傳輸節(jié)點(diǎn)溫度，此方法需要人為的在附近監(jiān)控冰庫(kù)狀況且布線復(fù)雜、可維護(hù)性差，采用 WiFi的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控可節(jié)約人力成本且布線簡(jiǎn)單。為此本文研究基于WiFi的大型冷庫(kù)溫度模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

對(duì)于大型工業(yè)冷庫(kù)，單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)不足以描述整個(gè)冷庫(kù)的溫度狀況，采用多點(diǎn)式檢測(cè)能夠更加準(zhǔn)確的測(cè)量溫度，并且可以避免了繁雜的布線過(guò)程。將整個(gè)系統(tǒng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層。感知層采用DS18B20溫度傳感器及主控芯片，網(wǎng)絡(luò)層采用HC-08WiFi模塊，平臺(tái)層使用OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，應(yīng)用層使用基于 OneNET云平臺(tái)開發(fā)的移動(dòng)端應(yīng)用。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架Fig.1 System overall design framework

采用12位數(shù)字型溫度傳感器DS18B20，連接ESP8266作為獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，由于 ESP8266內(nèi)置 32位低功耗MCU，能夠?qū)鞲衅鲾?shù)據(jù)做簡(jiǎn)單處理打包上傳到OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

冷庫(kù)控制系統(tǒng)是以STM32F4為主控芯片，外圍電路做輔助的微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。單片機(jī)根據(jù)編寫好的程序?qū)奈锫?lián)網(wǎng)平臺(tái)接收到的各節(jié)點(diǎn)的溫度、設(shè)定溫度做數(shù)據(jù)處理，根據(jù)模糊控制方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。同時(shí)可以上傳報(bào)警數(shù)據(jù)、電機(jī)擋位數(shù)據(jù)給物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可靠的監(jiān)控功能。

2 模糊控制方法分析

模糊控制器主要分為四個(gè)步驟：模糊化和量化因子的選擇、隸屬函數(shù)的確定、模糊規(guī)則的建立、模糊控制查詢表的建立。

2.1 模糊化和量化因子的選擇

在模糊控制器的設(shè)計(jì)當(dāng)中，通常將模糊控制器的輸入個(gè)數(shù)稱為模糊控制器的維數(shù)。由于一維控制器的輸入變量只有一個(gè)，所以這種控制器的控制性能不強(qiáng)，而多維的模糊控制器由于輸入變量過(guò)多，系統(tǒng)復(fù)雜往往難以設(shè)計(jì)。所以本系統(tǒng)采用二維模糊控制器，將溫度值與設(shè)定溫度的差和溫度的變化量作為模糊控制的輸入。二維模糊控制模型如圖2所示。

圖2 二維模糊控制器模型Fig.2 Two-dimensional fuzzy controller model

把精確的輸入量轉(zhuǎn)換成模糊集合的隸屬函數(shù)稱為精確量的模糊化。模糊控制器的輸入變量（常取偏差、偏差變化率）和輸出變量（常取控制量）均用自然語(yǔ)言形成給出，它不是以數(shù)值形式給出，因此它不是數(shù)值變量，而是語(yǔ)言變量。

在模糊控制算法中，我們把溫度偏差和溫度變化量的實(shí)際變化范圍叫做輸入變量的基本論域，基本論域常用區(qū)間表示，通用公式為[–x x]，其中的量為精確量。在冷箱控制系統(tǒng)中，實(shí)際溫度與設(shè)定溫度差值的基本論域?yàn)閇–3 3]，因?yàn)閱纹瑱C(jī)一秒采集一次溫度數(shù)據(jù)，所以溫度變化量不會(huì)很大，溫度變化量的基本論域?yàn)閇–1.5 1.5]。當(dāng)溫度的偏差大于–3或3時(shí)，按照最小輸出或最大輸出處理。

與基本論域?qū)?yīng)的是模糊集的論域，通常表示為[–n,–n+1,…0,…,n–1,n]。可以通過(guò)量化因子k將基本論域中的偏差轉(zhuǎn)化到模糊集的論域上來(lái)。由于n值過(guò)大會(huì)使控制規(guī)則變得復(fù)雜，太小又會(huì)使模糊處理結(jié)果粗糙而影響控制精度。

本系統(tǒng)選擇溫度差和溫度變化量模糊集論域的 n=3，即[–3,–2,–1,0,1,2,3]。

根據(jù)模糊化處理將數(shù)值變量以語(yǔ)言變量的形式給出，將論域劃分為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}即對(duì)應(yīng){負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}。

本系統(tǒng)輸出的對(duì)應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)脈寬調(diào)制的方式改變電機(jī)輸入電壓從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)實(shí)際需要將電機(jī)分為4個(gè)擋位，即基本論域和模糊集論域都為[0,1,2,3,4],

對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言變量為{Z,S,M,B,VB}或{關(guān)閉，一檔，二檔，三檔，四檔}

有量化因子K的定義：K=n/x

可得溫度差和溫度變化量的量化因子 Ke、Kec分別為1、2，輸出K為1。

2.2 隸屬函數(shù)的確定

為方便設(shè)計(jì)及程序的編寫，溫度差、溫度變化量、輸出的隸屬函數(shù)全部采用三角形隸屬函數(shù)，三角形隸屬函數(shù)有方便計(jì)算、易于實(shí)現(xiàn)、控制性能較好的優(yōu)點(diǎn)且在論域范圍內(nèi)等距離、均勻分布。溫度差、溫度變化率隸屬函數(shù)如圖3、圖4所示。

圖3 偏差E隸屬函數(shù)圖Fig.3 Deviation E membership function diagram

圖4 變化量EC隸屬函數(shù)圖Fig.4 Deviation EC membership function diagram

2.3 模糊規(guī)則的建立

模糊控制規(guī)則是模糊控制器知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)，建立在語(yǔ)言變量的基礎(chǔ)上，是模糊控制器的核心。模糊控制規(guī)則建立是否符合實(shí)際使用、是否正確都直接影響系統(tǒng)的精度，其數(shù)目的多寡也是衡量控制器性能的一個(gè)重要因素，數(shù)量越多意味著系統(tǒng)越復(fù)雜同時(shí)精度越高，數(shù)量少，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便但精度低。

根據(jù)溫度差為主要因素，溫度變化量為次要因素的原則，當(dāng)溫度偏差過(guò)大，及時(shí)開啟大擋位制冷，當(dāng)溫度差偏小時(shí)注意系統(tǒng)穩(wěn)定，制定模糊規(guī)則表如表1所示。

表1 輸出OUT模糊控制規(guī)則Tab.1 Output OUT fuzzy control rules

2.4 模糊控制查詢表建立

要執(zhí)行模糊控制可以在數(shù)字計(jì)算機(jī)中就使用一定的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些模糊控制算法的目的是從輸入的連續(xù)精確量中，通過(guò)模糊推理的算法過(guò)程，從而求出相應(yīng)的精確控制值來(lái)。模糊控制算法有多種實(shí)現(xiàn)形式，常用的方法有合成推理的關(guān)系矩陣法，合成推理的查表法，合成推理的解析公式等。

計(jì)算機(jī)控制變量、模糊量化處理、模糊控制規(guī)則、模糊決策、非模糊化處理理論上由單片機(jī)處理，但每次溫度值的變化都進(jìn)行模糊處理，會(huì)占用單片機(jī)大量資源，拖慢單片機(jī)運(yùn)算速度，對(duì)系統(tǒng)控制有一定影響。為解決這一問(wèn)題，一般由Matlab的模糊控制工具箱算出模糊控制查詢表，以查表的方式進(jìn)行模糊控制。

通過(guò)Matlab的fuzzy control工具箱，設(shè)定好需要的輸入輸出隸屬函數(shù)，將上述模糊規(guī)則改為if..and..then..的形式編入控制器，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以導(dǎo)出輸入輸出對(duì)應(yīng)的 3D曲面圖。輸入輸出關(guān)系圖如圖5所示。

圖5 輸入輸出曲面圖Fig.5 Input and output surface diagram

在設(shè)定好模糊控制器溫度差、溫度變化量參數(shù)后，通過(guò)simulink建立雙輸入單輸出的模糊控制器模型，在測(cè)試頁(yè)面可以計(jì)算出模糊控制查詢表如表2所示。

表2 模糊控制查詢表Tab.2 Fuzzy control query table

3 模糊控制器設(shè)計(jì)

3.1 控制器硬件設(shè)計(jì)

模糊控制器功能的實(shí)現(xiàn)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，除了完成系統(tǒng)所需要的模糊控制算法外，還要設(shè)計(jì)與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊及完成系統(tǒng)所需的其他各項(xiàng)功能。

由于模糊算法采用查表的方式實(shí)現(xiàn)，將計(jì)算機(jī)控制變量、模糊量化處理、模糊控制規(guī)則、模糊決策、非模糊化處理通過(guò)matlab導(dǎo)出模糊查詢表，對(duì)于單片機(jī)算力的要求不高，因此 32位的STM32能夠滿足系統(tǒng)要求。其片上資源豐富，有利于系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)。各個(gè)功能模塊硬件設(shè)計(jì)主要包括STM32最小系統(tǒng)（晶振電路、復(fù)位電路）以及WiFi通信模塊、IIC總線的DS18B20測(cè)溫模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等。控制器硬件如圖6所示。

圖6 控制器硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Controller hardware structure diagram

STM32最小系統(tǒng)是保證系統(tǒng)基本運(yùn)行的需要，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。WiFi模塊采用ESP8266模塊，該模塊具有連接距離遠(yuǎn)、信號(hào)收斂性好、無(wú)雜散、頻譜干凈、分離度好等優(yōu)點(diǎn)，它是上位機(jī)與STM32實(shí)時(shí)通信的橋梁，能夠?qū)崟r(shí)傳輸溫度等數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用DS18B20可編程總線型數(shù)字溫度傳感器，此傳感器電路簡(jiǎn)單，無(wú)需溫度標(biāo)定，其測(cè)溫范圍從–55℃到+125℃，最高測(cè)量精度可以達(dá)到 0.0625℃。單片機(jī)通過(guò)采集溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行模糊控制輸出相應(yīng)的 PWM（Pulse width modulation，脈沖寬度調(diào)制）波，在經(jīng)過(guò)功率放大器來(lái)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。

3.2 控制器軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分。

下位機(jī)程序按照模塊化的程序思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以分為幾個(gè)不同的功能模塊：主程序模塊，主要包括各模塊芯片初始化、中斷初始化等；模糊控制算法子程序模塊；測(cè)溫模塊；WiFi通信模塊等。其主流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖Fig.7 Main program flow chart

模糊控制輸出不同占空比的波形進(jìn)行調(diào)速是整個(gè)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。將模糊控制輸出表作為二維數(shù)組置入STM32中，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化處理后，將溫度差和溫度變化率與模糊控制輸出表進(jìn)行對(duì)應(yīng)，輸出對(duì)應(yīng)的電機(jī)擋位進(jìn)行控制。其一個(gè)周期內(nèi)的流程如圖8所示。

圖8 模糊控制子程序流程Fig.8 Fuzzy control subroutine flow

在 WiFi通信中，為了使 ESP8266能可靠的與云平臺(tái)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)斷開自動(dòng)連接功能。采用將WiFi信息存入Flash的方式，在斷電后也不會(huì)抹去。通過(guò) SmartConfig手機(jī)配網(wǎng)后，將獲取到的WiFi名稱、密碼保存到主控芯片內(nèi)部Flash中，若下次開機(jī)或者中途斷開，會(huì)直接從 Flash中讀取WiFi信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)。

為了建立可靠的數(shù)據(jù)傳輸，ESP8266與云平臺(tái)采用MQTT協(xié)議進(jìn)行傳輸，MQTT協(xié)議具有輕量、簡(jiǎn)單、開放和易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，適合物聯(lián)網(wǎng)等場(chǎng)景。由于 ESP8266內(nèi)部已集成 TCP/IP協(xié)議棧，所以只需進(jìn)行應(yīng)用層協(xié)議封裝，就可以實(shí)現(xiàn)MQTT協(xié)議。先使用AT指令先使ESP8266以TCP協(xié)議去連接服務(wù)器，連接成功后模塊進(jìn)入透?jìng)鳡顟B(tài)，然后封裝 MQTT協(xié)議格式的數(shù)據(jù)，通過(guò)ESP8266和MQTT服務(wù)器進(jìn)行交互。

移動(dòng)端使用OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)內(nèi)置的應(yīng)用設(shè)計(jì)，使用平臺(tái)應(yīng)用能夠快速的開發(fā)應(yīng)用界面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流綁定，方便工作人員遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)的對(duì)冷庫(kù)進(jìn)行監(jiān)控。為了便于用戶設(shè)計(jì)，以及工作人員查看、分析數(shù)據(jù)，平臺(tái)提供了豐富的數(shù)據(jù)顯示方式，如折線圖、柱狀圖、表盤等各種方式。在該應(yīng)用中，用戶可以對(duì)冷庫(kù)開啟停止以及設(shè)定溫度進(jìn)行控制，也可以查看各節(jié)點(diǎn)溫度和溫度變化折線。本設(shè)計(jì)冷庫(kù)溫度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的移動(dòng)端界面如圖9所示。

圖9 移動(dòng)端應(yīng)用界面Fig.9 Mobile application interface

4 結(jié)論

本文闡述了模糊控制在工業(yè)冷庫(kù)應(yīng)用上的可行性，分析了應(yīng)用模糊控制的優(yōu)缺點(diǎn)，模糊控制在應(yīng)對(duì)無(wú)法建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型的情況時(shí)，能夠簡(jiǎn)單、較準(zhǔn)確的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制。本系統(tǒng)采用STM32芯片，由于系統(tǒng)無(wú)需大量計(jì)算和內(nèi)存，所以STM32的內(nèi)存完全滿足系統(tǒng)要求，根據(jù)模糊控制理論及合理的軟硬件設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)可靠、穩(wěn)定的工業(yè)冷庫(kù)模糊控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)冷庫(kù)溫度的自動(dòng)控制。上位機(jī)采用OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了快速開發(fā)，為數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了有力保障。主控芯片采用C語(yǔ)言編程，具有規(guī)范的格式，可分為不同模塊，是程序結(jié)構(gòu)化、模塊化。編程及程序調(diào)試時(shí)間縮短，效率高，可移植性好，為以后程序的擴(kuò)展提供了條件。

徐智勇(1998–)，男，碩士研究生。研究方向：自動(dòng)控制技術(shù)。

李金鋮(1996–)，男，碩士研究生。研究方向：無(wú)線傳感與控制技術(shù)。

羅輝(1993–)，男，碩士研究生。研究方向：紫外通信光電信號(hào)處理。

吳晗平(1964–)，男，工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：光電系統(tǒng)總體技術(shù)與設(shè)計(jì)，紅外與紫外技術(shù)，自由空間非可見光通信，圖像處理與目標(biāo)識(shí)別等。