基于ARM的室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　在大力提倡節(jié)能減排以及追求高質(zhì)量生活的今天，冬季供暖系統(tǒng)存在的不足日益顯現(xiàn)出來。我國北方城市大部分采用集中供暖，在整個供暖期內(nèi)，無論室內(nèi)有人與無人，系統(tǒng)全天連續(xù)供暖；系統(tǒng)熱能的輸送是不變的，不能根據(jù)室內(nèi)外溫度的變化以及個人對室溫的不同要求做出相應(yīng)的調(diào)整。這就造成了熱能的嚴(yán)重浪費(fèi)以及供暖不人性化等問題。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于嵌入式系統(tǒng)ARM-Linux 平臺的室內(nèi)智能溫度控制系統(tǒng)，通過實(shí)時檢測室內(nèi)外溫度的變化CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，合理調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，降低了熱能消耗，提高了人們的生活質(zhì)量。
　　1 系統(tǒng)功能及總體結(jié)構(gòu)
　　本系統(tǒng)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 無線收發(fā)模塊，暖氣控制模塊，GPRS 模塊等組成。

　圖1 系統(tǒng)硬件框圖

　　其中溫度檢測包括室外溫度檢測、室內(nèi)溫度檢測和暖氣溫度檢測。為了避免繁瑣的布線，各溫度檢測點(diǎn)通過Zigbee 技術(shù)與ARM 控制器實(shí)現(xiàn)無線連接，組成一個星型無線網(wǎng)絡(luò)。各檢測點(diǎn)溫度值通過Zigbee 無線傳輸?shù)紸RM 控制器，ARM 控制器根據(jù)接收到的各點(diǎn)溫度值進(jìn)行綜合處理分析，輸出相應(yīng)的控制信號給暖氣控制模塊，從而實(shí)現(xiàn)室溫的智能調(diào)節(jié)。信息顯示與輸入模塊由LCD 觸摸屏實(shí)現(xiàn)，用來顯示當(dāng)前室內(nèi)溫度與輸入的溫度值，且可以設(shè)定低溫、室溫等不同工作模式。ARM 控制器通過GPRS 與外部實(shí)現(xiàn)無線連接，用戶通過手機(jī)可以隨時對系統(tǒng)的工作模式進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。比如在回家的路上，用戶可以通過手機(jī)切換系統(tǒng)工作模式，當(dāng)回到家時，室溫已回升至正常溫度，給用戶帶來很大方便。
　　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(fù)位模塊、LCD 觸摸屏及相關(guān)外圍電路組成。系統(tǒng)選用SAMSUNG 的基于ARM920T 內(nèi)核的處理器S3C2440 作為控制器。S3C2440 處理器功能強(qiáng)大、性價比高、功耗低，除具有一般嵌入式芯片所具有的總線、SDRAM 控制器以外，還具有豐富的擴(kuò)展功能接口，便于構(gòu)建外圍電路。
　　LCD 觸摸屏采用TFT 型LCD 模塊TD035STEB1，該模塊采用LTPS TFT 作為開關(guān)器件控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，集成了四線電阻式觸摸屏和背光電路，從而簡化了外圍電路。系統(tǒng)在觸摸屏的基礎(chǔ)上建立了基于QT/Embedded 的圖形用戶界面（GUI），用來實(shí)現(xiàn)信息的顯示與控制輸入，優(yōu)化了人機(jī)交互環(huán)境，給用戶帶來很大方便。
　　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 無線傳輸模塊組成。溫度檢測模塊采用數(shù)字化溫度傳感器DS18B20.其測量范圍為-55℃~125℃，在-10℃~85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃，完全滿足本設(shè)計(jì)的要求。ZigBee 是一種新興的短距離、低功耗、低成本的雙向無線通信技術(shù)www.cechina.cn，非常適合于組建小型無線網(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(shè)計(jì)工作帶來了極大的方便。
　　在溫度檢測模塊中，室內(nèi)溫度檢測將多個溫度傳感器分別放置在室內(nèi)的不同房間，以檢測室內(nèi)多個位置的溫度；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(nèi)、室外以及暖氣溫度信息通過Zigbee 無線傳輸給ARM 控制器，ARM控制器經(jīng)過綜合處理分析，再給暖氣控制模塊最佳的控制量，以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度的智能控制。
　　1.3 暖氣控制模塊
　　暖氣控制模塊采用數(shù)字流量閥作為執(zhí)行部件。數(shù)字流量閥是一種控制液體流量的閥門，可控制的流量分辨率高，響應(yīng)速度快；驅(qū)動信號是二進(jìn)制信號，可以與ARM 控制器直接相連。ARM 控制器根據(jù)收到的各監(jiān)測點(diǎn)溫度值以及輸入的控制信息，輸出相應(yīng)的二進(jìn)制信號來控制數(shù)字流量閥，從而調(diào)節(jié)暖氣熱水的流量，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度的智能調(diào)節(jié)。
　　1.4 GPRS 模塊
　　GPRS 即通用分組無線服務(wù)技術(shù)，是一種以GSM為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。用戶永遠(yuǎn)在線且按流量、時間計(jì)費(fèi)，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(tǒng)中無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴堰x擇。GPRS模塊主要功能是通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)ARM控制器與戶主手機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。經(jīng)過性能與成本的綜合考慮，系統(tǒng)選用西門子公司的MC55 GPRS 模塊。
　　2 自適應(yīng)模糊控制器設(shè)計(jì)
　　因?yàn)槭覂?nèi)溫度系統(tǒng)是一個大純滯后系統(tǒng)，無法建立精確的數(shù)學(xué)模型，所以本系統(tǒng)采用模糊控制技術(shù)對室內(nèi)溫度進(jìn)行控制，以提高室內(nèi)溫度的控制精度。對于室內(nèi)溫度系統(tǒng)來說，隨著室外溫度及暖氣溫度的變化，原來完善的模糊控制規(guī)則可能會不適合變化后的新環(huán)境，從而導(dǎo)致控制效果不佳。因此，本設(shè)計(jì)采用了自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)，以適應(yīng)不斷變化的環(huán)境。自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)