基于樹莓派的自適應(yīng)暖通空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)

孫增利， 王亞峰

(西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院 總務(wù)部， 陜西 西安 710061)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，在工業(yè)以及民用上的單體空調(diào)難以滿足使用，因此更加舒適的中央暖通空調(diào)出現(xiàn)在市面上。中央暖通空調(diào)往往控制著整棟建筑的溫度，但不同房間中，由于存在不同程度的發(fā)熱元件，因此溫度控制上會(huì)存在一定的差異性[1-3]。在早期中央空調(diào)的使用中，往往需要對(duì)不同房間的溫度進(jìn)行監(jiān)控，并在中央空調(diào)的總控制系統(tǒng)中對(duì)相應(yīng)的房間進(jìn)行溫度調(diào)整，需要大量的人力。后續(xù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，研究者提出了整體的空調(diào)自動(dòng)控制理論，通過可編程邏輯控制器PLC對(duì)中央空調(diào)進(jìn)行控制[4-6]。但實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，影響房間溫度的因素較多，數(shù)據(jù)處理中PLC之中的CPU處理器難以勝任。后續(xù)人們提出了可以利用樹莓派微控制器來執(zhí)行，但對(duì)樹莓派的研究仍然較少，且大部分僅限于理論的可行性研究上，缺乏實(shí)際使用實(shí)驗(yàn)研究。因此，本文利用樹莓派微控制器設(shè)計(jì)了自適應(yīng)暖通空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性。

1 基于樹莓派的自適應(yīng)暖通空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 樹莓派3B微控制器

在本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，采用樹莓派3B微控制器作為系統(tǒng)主控制器，樹莓派3B微控制器的接口情況也比較復(fù)雜，樹莓派3B控制器的接口引腳如圖1所示。

由圖1可知，樹莓派3B微控制器中包含9種接口，包括人機(jī)交互、以太網(wǎng)、電源等[7-9]。同時(shí)該控制器采用USB接口來連接5V電源。可采用高清晰度多媒體接口HDMI(High Definition Multimedia Interface)進(jìn)行音頻視頻傳輸，具有較高的控制處理性能，并可以通過以太網(wǎng)接口來和網(wǎng)絡(luò)線路連接。

圖1 樹莓派3B控制器接口引腳

1.2 外部總線電路設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)利用外部總線接口來與樹莓派3B微控制器相連接。同時(shí)可以通過對(duì)外部總線接口的調(diào)整，而改變總線結(jié)構(gòu)的寄存器設(shè)置，并與外部設(shè)備連接，可以添加外置的閃速存儲(chǔ)區(qū)等[10]。而外部總線電路與SDRAM連接，來對(duì)電路進(jìn)行總線調(diào)整，SDRAM電路連接圖如圖2所示。

圖2 SDRAM連接線路圖

由圖2可知，在SDRAM中，物理接口收發(fā)器以及媒體接入控制的接口可以在采用無關(guān)接口的同時(shí)保證與其他接口相連接，而在傳送100 Mbps數(shù)據(jù)的條件下，使用的頻率則為25 MHz[11-12]。可以滿足系統(tǒng)在執(zhí)行控制時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸。

1.3 溫度采集模塊

本文采用PT100熱電阻溫度檢測(cè)器作為暖通空調(diào)自動(dòng)控制的溫度采集設(shè)備。由于該設(shè)備采用模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，可以與上述中的樹莓派3B相連接，并實(shí)現(xiàn)AD/DA之間的轉(zhuǎn)換。PT100熱電阻溫度檢測(cè)器采用RCV420的I/V芯片來將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并傳輸至樹莓派3B控制器中[13-15]。并將PT100中熱電阻輸出的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 RCV420調(diào)理轉(zhuǎn)換電路

根據(jù)獲得電流信號(hào)的極性，通過連接+In來進(jìn)行中心抽頭，另在電路中額外添加了C1以及C2電容，來避免電源濾波和出現(xiàn)的信號(hào)耦合現(xiàn)象。

2 基于樹莓派的自適應(yīng)暖通空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)通信模式生成

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端以及客戶端之間的通信設(shè)計(jì)，用戶標(biāo)識(shí)層中的客戶端與結(jié)構(gòu)中的業(yè)務(wù)邏輯層相互連接，由業(yè)務(wù)邏輯層來完成用戶接口以及邏輯的處理，并由業(yè)務(wù)邏輯層來對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行訪問。C/S結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 C/S系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

業(yè)務(wù)邏輯層采用互聯(lián)網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)與各層之間的分層。在通信接口中，采用Socket進(jìn)程機(jī)制作為通信接口。通過系統(tǒng)一邊發(fā)送端的通道來與另一邊之間進(jìn)行接收和連接，同時(shí)在另一端口同時(shí)分出多個(gè)端口并同時(shí)打開以便于提供不同的服務(wù)，同時(shí)將TCP協(xié)議封存在Socket庫內(nèi)，并讓有關(guān)數(shù)據(jù)從用戶緩沖區(qū)發(fā)送至系統(tǒng)緩沖區(qū)中。同時(shí)系統(tǒng)客戶端和系統(tǒng)服務(wù)器端對(duì)信息進(jìn)行傳輸并創(chuàng)建TCP連接。而當(dāng)客戶端發(fā)生控制請(qǐng)求時(shí)，首先由業(yè)務(wù)邏輯層創(chuàng)建TCP連接，并和控制系統(tǒng)服務(wù)器內(nèi)的Socket套接字，同時(shí)在創(chuàng)建TCP連接過程中，將客戶端以及服務(wù)器端中的Socket相連接，而當(dāng)使用創(chuàng)建的TCP時(shí)，只需經(jīng)過Socket套接將需要傳送的數(shù)據(jù)傳送至TCP后即可完成數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法

采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID(比例—積分—微分)控制算法對(duì)樹莓派微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)控制運(yùn)算。PID控制算法中控制輸出如式(1)。

(1)

式中，b(k)代表PID控制輸出；Kp代表系統(tǒng)比例系數(shù)；KI=KpT/TI代表PID積分系數(shù)；KD=TD/T代表PID微分系數(shù)；T代表控制對(duì)象的采樣周期；TI代表控制對(duì)象積分時(shí)間；TD代表控制對(duì)象微分時(shí)間；e(k)代表控制過程中的時(shí)刻誤差。同時(shí)本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來對(duì)PID控制算法進(jìn)行學(xué)習(xí)，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)Kp、KI、KD的自適應(yīng)處理。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)Kp、KI、KD作為系統(tǒng)運(yùn)行的可調(diào)參數(shù)時(shí)，則可得出式(2)。

u(k)=f[b(k),Kp,KI,KD,e(k),e(k-1),e(k-2)]

(2)

式中，f[]代表和Kp、KI、KD存在關(guān)系的非線性函數(shù)，該函數(shù)可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練來得到。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)構(gòu)

設(shè)圖5中輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)量為M，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)量為Q，進(jìn)而可以得出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中輸入層中的節(jié)點(diǎn)輸出為式(3)。

(3)

式中，j=0,1,…,M-1，而M數(shù)值的取值，根據(jù)被控單元的復(fù)雜程度來得出。網(wǎng)絡(luò)中隱含層輸出則為式(4)。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

通過預(yù)先設(shè)置的控制調(diào)節(jié)，由系統(tǒng)通過對(duì)控制對(duì)象的3個(gè)參數(shù)控制來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

3 實(shí)驗(yàn)論證分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的可行性，利用某醫(yī)院中的暖通空調(diào)，作為系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)象，并對(duì)該空調(diào)設(shè)置的房間進(jìn)行溫度控制。實(shí)驗(yàn)用空調(diào)自身不具備溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)控制功能，因此與設(shè)計(jì)系統(tǒng)連接，通過自動(dòng)控制系統(tǒng)來控制暖通空調(diào)，保證該房間溫度的穩(wěn)定，以此來判定設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性。

3.1 測(cè)試房間介紹

在本文中，選取一個(gè)連通暖通空調(diào)的房間作為實(shí)驗(yàn)房間，同時(shí)簡(jiǎn)化變量，如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)房間示意圖

圖6中，Tin代表暖通空調(diào)回風(fēng)進(jìn)入時(shí)間；Tout代表暖通空調(diào)回風(fēng)排出時(shí)間；Qairinput代表暖通空調(diào)進(jìn)入房間的熱量，單位為kJ/s；Qairoutput代表空調(diào)回風(fēng)排出的熱量，單位為kJ/s；Qroom代表人或設(shè)備在房間中釋放的熱量，單位為kJ/s；Qdissipate代表室外和室內(nèi)之間熱量的交互量，單位kJ/s。本文實(shí)驗(yàn)中采用自動(dòng)控制系統(tǒng)控制暖通空調(diào)對(duì)該房間進(jìn)行溫度自動(dòng)調(diào)整。

3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)控制參數(shù)擬定

根據(jù)當(dāng)前房間中的溫度以及空調(diào)參數(shù)，對(duì)本文系統(tǒng)中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制進(jìn)行訓(xùn)練，并進(jìn)行自動(dòng)尋優(yōu)，尋優(yōu)過程如表1所示。

表1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID尋優(yōu)過程

最終神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂，第386次尋優(yōu)后，得到最優(yōu)結(jié)果，并使用該參數(shù)作為控制開始的基準(zhǔn)值。

3.3 空調(diào)控制能力測(cè)試

實(shí)驗(yàn)區(qū)域早晚溫差較大，同時(shí)在測(cè)試房間中放置6個(gè)發(fā)熱設(shè)備，每隔2 h取出一個(gè)，實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行12 h，并對(duì)房間的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。為了更好地判定溫度控制能力，本文在實(shí)驗(yàn)中，每隔3 h對(duì)溫度控制的范圍值進(jìn)行調(diào)整，來控制能力進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

根據(jù)分析表2結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在外界溫度以及發(fā)熱設(shè)備移出的前提下，與設(shè)計(jì)系統(tǒng)連接的空調(diào)仍能保持較好的溫度穩(wěn)定，并在恒定溫度范圍內(nèi)。

表2 暖通空調(diào)控制結(jié)果

3.4 控制系統(tǒng)抗干擾測(cè)試

為了進(jìn)一步判斷設(shè)計(jì)系統(tǒng)的能力，實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步在室內(nèi)添加熱負(fù)荷干擾，熱負(fù)荷干擾為式(9)。

qroom=5.5×random(τ)

(9)

其中，(τ)為熱負(fù)荷干擾系數(shù)，該系數(shù)隨機(jī)生成。并在24 h內(nèi)進(jìn)行隨機(jī)干擾，以測(cè)試設(shè)計(jì)系統(tǒng)的抗干擾能力，抗干擾實(shí)驗(yàn)中房間恒定溫度19—21 ℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 控制系統(tǒng)抗干擾測(cè)試

通過分析圖7可知，由于本文系統(tǒng)的調(diào)理轉(zhuǎn)換電路中添加了兩個(gè)電容，因此系統(tǒng)受干擾信號(hào)影響較小，在抗干擾測(cè)試中，本文系統(tǒng)仍能保證暖通空調(diào)的溫度穩(wěn)定，證明了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性。

4 總結(jié)

本文利用樹莓派微處理器，設(shè)計(jì)了針對(duì)自適應(yīng)暖通空調(diào)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。并利用某地的暖通空調(diào)進(jìn)行了實(shí)際系統(tǒng)測(cè)試，且測(cè)試中實(shí)現(xiàn)了恒溫保持的控制能力。但考慮到大規(guī)模中央空調(diào)在使用中，容易出現(xiàn)的功率浪費(fèi)情況，未來研究將會(huì)在系統(tǒng)中添加其他算法，從而避免出現(xiàn)中央暖通空調(diào)的功率浪費(fèi)。