基于A(yíng)RM的室內溫度控制系統的設計與實(shí)現

　　在大力提倡節能減排以及追求高質(zhì)量生活的今天，冬季供暖系統存在的不足日益顯現出來(lái)。我國北方城市大部分采用集中供暖，在整個(gè)供暖期內，無(wú)論室內有人與無(wú)人，系統全天連續供暖；系統熱能的輸送是不變的，不能根據室內外溫度的變化以及個(gè)人對室溫的不同要求做出相應的調整。這就造成了熱能的嚴重浪費以及供暖不人性化等問(wèn)題。本文設計實(shí)現了一種基于嵌入式系統ARM-Linux 平臺的室內智能溫度控制系統，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測室內外溫度的變化CONTROL ENGINEERING China版權所有，合理調節室內溫度，降低了熱能消耗，提高了人們的生活質(zhì)量。
　　1 系統功能及總體結構
　　本系統硬件框圖如圖1 所示，主要由ARM9 控制器，溫度檢測模塊，觸摸屏顯示模塊，ZigBee 無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，暖氣控制模塊，GPRS 模塊等組成。

　圖1 系統硬件框圖

　　其中溫度檢測包括室外溫度檢測、室內溫度檢測和暖氣溫度檢測。為了避免繁瑣的布線(xiàn)，各溫度檢測點(diǎn)通過(guò)Zigbee 技術(shù)與ARM 控制器實(shí)現無(wú)線(xiàn)連接，組成一個(gè)星型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。各檢測點(diǎn)溫度值通過(guò)Zigbee 無(wú)線(xiàn)傳輸到ARM 控制器，ARM 控制器根據接收到的各點(diǎn)溫度值進(jìn)行綜合處理分析，輸出相應的控制信號給暖氣控制模塊，從而實(shí)現室溫的智能調節。信息顯示與輸入模塊由LCD 觸摸屏實(shí)現，用來(lái)顯示當前室內溫度與輸入的溫度值，且可以設定低溫、室溫等不同工作模式。ARM 控制器通過(guò)GPRS 與外部實(shí)現無(wú)線(xiàn)連接，用戶(hù)通過(guò)手機可以隨時(shí)對系統的工作模式進(jìn)行遠程控制。比如在回家的路上，用戶(hù)可以通過(guò)手機切換系統工作模式，當回到家時(shí)，室溫已回升至正常溫度，給用戶(hù)帶來(lái)很大方便。
　　1.1 ARM 智能控制模塊
　　ARM 智能控制模塊由ARM9 控制器、FLASH、SDRAM、電源及復位模塊、LCD 觸摸屏及相關(guān)外圍電路組成。系統選用SAMSUNG 的基于A(yíng)RM920T 內核的處理器S3C2440 作為控制器。S3C2440 處理器功能強大、性?xún)r(jià)比高、功耗低，除具有一般嵌入式芯片所具有的總線(xiàn)、SDRAM 控制器以外，還具有豐富的擴展功能接口，便于構建外圍電路。
　　LCD 觸摸屏采用TFT 型LCD 模塊TD035STEB1，該模塊采用LTPS TFT 作為開(kāi)關(guān)器件控制工程網(wǎng)版權所有，集成了四線(xiàn)電阻式觸摸屏和背光電路，從而簡(jiǎn)化了外圍電路。系統在觸摸屏的基礎上建立了基于QT/Embedded 的圖形用戶(hù)界面（GUI），用來(lái)實(shí)現信息的顯示與控制輸入，優(yōu)化了人機交互環(huán)境，給用戶(hù)帶來(lái)很大方便。
　　1.2 溫度檢測傳輸模塊
　　溫度檢測傳輸模塊由溫度檢測模塊和Zigbee 無(wú)線(xiàn)傳輸模塊組成。溫度檢測模塊采用數字化溫度傳感器DS18B20.其測量范圍為-55℃~125℃，在-10℃~85℃范圍內，精度為±0.5℃，完全滿(mǎn)足本設計的要求。ZigBee 是一種新興的短距離、低功耗、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)www.cechina.cn，非常適合于組建小型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。ZigBee 模塊采用支持IEEE802.15.4 協(xié)議，技術(shù)成熟的CC2430 芯片，其高性能的處理能力和豐富的接口資源給硬件設計工作帶來(lái)了極大的方便。
　　在溫度檢測模塊中，室內溫度檢測將多個(gè)溫度傳感器分別放置在室內的不同房間，以檢測室內多個(gè)位置的溫度；室外溫度檢測將傳感器放置在室外，檢測室外的溫度。暖氣溫度檢測的傳感器放置在暖氣水管外壁，檢測水管中熱水的溫度。室內、室外以及暖氣溫度信息通過(guò)Zigbee 無(wú)線(xiàn)傳輸給ARM 控制器，ARM控制器經(jīng)過(guò)綜合處理分析，再給暖氣控制模塊最佳的控制量，以實(shí)現室內溫度的智能控制。
　　1.3 暖氣控制模塊
　　暖氣控制模塊采用數字流量閥作為執行部件。數字流量閥是一種控制液體流量的閥門(mén)，可控制的流量分辨率高，響應速度快；驅動(dòng)信號是二進(jìn)制信號，可以與ARM 控制器直接相連。ARM 控制器根據收到的各監測點(diǎn)溫度值以及輸入的控制信息，輸出相應的二進(jìn)制信號來(lái)控制數字流量閥，從而調節暖氣熱水的流量，實(shí)現室內溫度的智能調節。
　　1.4 GPRS 模塊
　　GPRS 即通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)技術(shù)，是一種以GSM為基礎的數據傳輸技術(shù)。用戶(hù)永遠在線(xiàn)且按流量、時(shí)間計費，通信成本低等優(yōu)點(diǎn)，使GPRS 技術(shù)成為家庭智能控制系統中無(wú)線(xiàn)數據傳輸的最佳選擇。GPRS模塊主要功能是通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )實(shí)現ARM控制器與戶(hù)主手機之間的數據交換。經(jīng)過(guò)性能與成本的綜合考慮，系統選用西門(mén)子公司的MC55 GPRS 模塊。
　　2 自適應模糊控制器設計
　　因為室內溫度系統是一個(gè)大純滯后系統，無(wú)法建立精確的數學(xué)模型，所以本系統采用模糊控制技術(shù)對室內溫度進(jìn)行控制，以提高室內溫度的控制精度。對于室內溫度系統來(lái)說(shuō)，隨著(zhù)室外溫度及暖氣溫度的變化，原來(lái)完善的模糊控制規則可能會(huì )不適合變化后的新環(huán)境，從而導致控制效果不佳。因此，本設計采用了自適應模糊控制系統，以適應不斷變化的環(huán)境。自適應模糊控制系統結構如圖2 所示。

圖2 自適應模糊控制系統