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嵌入式设计

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基于ARM的室内温度控制系统的设计与实现

导读: 针对我国北方冬季供暖系统的特点及存在的不足,设计了基于嵌入式系统的ARM-Linux 平台及模糊控制技术的室内智能温度控制系统。

  在大力提倡节能减排以及追求高质量生活的今天,冬季供暖系统存在的不足日益显现出来。我国北方城市大部分采用集中供暖,在整个供暖期内,无论室内有人与无人,系统全天连续供暖;系统热能的输送是不变的,不能根据室内外温度的变化以及个人对室温的不同要求做出相应的调整。这就造成了热能的严重浪费以及供暖不人性化等问题。本文设计实现了一种基于嵌入式系统ARM-Linux 平台的室内智能温度控制系统,通过实时检测室内外温度的变化,合理调节室内温度,降低了热能消耗,提高了人们的生活质量。

  1 系统功能及总体结构

  本系统硬件框图如图1 所示,主要由ARM9 控制器,温度检测模块,触摸屏显示模块,ZigBee 无线收发模块,暖气控制模块,GPRS 模块等组成。

 

图1 系统硬件框图

  其中温度检测包括室外温度检测、室内温度检测和暖气温度检测。为了避免繁琐的布线,各温度检测点通过Zigbee 技术与ARM 控制器实现无线连接,组成一个星型无线网络。各检测点温度值通过Zigbee 无线传输到ARM 控制器,ARM 控制器根据接收到的各点温度值进行综合处理分析,输出相应的控制信号给暖气控制模块,从而实现室温的智能调节。信息显示与输入模块由LCD 触摸屏实现,用来显示当前室内温度与输入的温度值,且可以设定低温、室温等不同工作模式。ARM 控制器通过GPRS 与外部实现无线连接,用户通过手机可以随时对系统的工作模式进行远程控制。比如在回家的路上,用户可以通过手机切换系统工作模式,当回到家时,室温已回升至正常温度,给用户带来很大方便。

  1.1 ARM 智能控制模块

  ARM 智能控制模块由ARM9 控制器、FLASH、SDRAM、电源及复位模块、LCD 触摸屏及相关外围电路组成。系统选用SAMSUNG 的基于ARM920T 内核的处理器S3C2440 作为控制器。S3C2440 处理器功能强大、性价比高、功耗低,除具有一般嵌入式芯片所具有的总线、SDRAM 控制器以外,还具有丰富的扩展功能接口,便于构建外围电路。

  LCD 触摸屏采用TFT 型LCD 模块TD035STEB1,该模块采用LTPS TFT 作为开关器件,集成了四线电阻式触摸屏和背光电路,从而简化了外围电路。系统在触摸屏的基础上建立了基于QT/Embedded 的图形用户界面(GUI),用来实现信息的显示与控制输入,优化了人机交互环境,给用户带来很大方便。

  1.2 温度检测传输模块

  温度检测传输模块由温度检测模块和Zigbee 无线传输模块组成。温度检测模块采用数字化温度传感器DS18B20.其测量范围为-55℃~125℃,在-10℃~85℃范围内,精度为±0.5℃,完全满足本设计的要求。ZigBee 是一种新兴的短距离、低功耗、低成本的双向无线通信技术,非常适合于组建小型无线网络。ZigBee 模块采用支持IEEE802.15.4 协议,技术成熟的CC2430 芯片,其高性能的处理能力和丰富的接口资源给硬件设计工作带来了极大的方便。

  在温度检测模块中,室内温度检测将多个温度传感器分别放置在室内的不同房间,以检测室内多个位置的温度;室外温度检测将传感器放置在室外,检测室外的温度。暖气温度检测的传感器放置在暖气水管外壁,检测水管中热水的温度。室内、室外以及暖气温度信息通过Zigbee 无线传输给ARM 控制器,ARM控制器经过综合处理分析,再给暖气控制模块最佳的控制量,以实现室内温度的智能控制。

  1.3 暖气控制模块

  暖气控制模块采用数字流量阀作为执行部件。数字流量阀是一种控制液体流量的阀门,可控制的流量分辨率高,响应速度快;驱动信号是二进制信号,可以与ARM 控制器直接相连。ARM 控制器根据收到的各监测点温度值以及输入的控制信息,输出相应的二进制信号来控制数字流量阀,从而调节暖气热水的流量,实现室内温度的智能调节。

  1.4 GPRS 模块

  GPRS 即通用分组无线服务技术,是一种以GSM为基础的数据传输技术。用户永远在线且按流量、时间计费,通信成本低等优点,使GPRS 技术成为家庭智能控制系统中无线数据传输的最佳选择。GPRS模块主要功能是通过GPRS网络实现ARM控制器与户主手机之间的数据交换。经过性能与成本的综合考虑,系统选用西门子公司的MC55 GPRS 模块。

  2 自适应模糊控制器设计

  因为室内温度系统是一个大纯滞后系统,无法建立精确的数学模型,所以本系统采用模糊控制技术对室内温度进行控制,以提高室内温度的控制精度。对于室内温度系统来说,随着室外温度及暖气温度的变化,原来完善的模糊控制规则可能会不适合变化后的新环境,从而导致控制效果不佳。因此,本设计采用了自适应模糊控制系统,以适应不断变化的环境。自适应模糊控制系统结构如图2 所示。

 

图2 自适应模糊控制系统

 

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