第一篇：基于ZigBee的精密儀器實(shí)驗(yàn)室溫濕度測控系統(tǒng)

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基于ZigBee的精密儀器實(shí)驗(yàn)室溫濕度測控系統(tǒng)

作者：袁金正 石奮蘇

來源：《現(xiàn)代電子技術(shù)》2013年第04期

摘 要： 針對精密儀器實(shí)驗(yàn)室對溫濕度的嚴(yán)格要求，和在控制調(diào)節(jié)方面的延遲現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了基于ARM和ZigBee的精密儀器實(shí)驗(yàn)室溫濕度自動(dòng)測控系統(tǒng)。系統(tǒng)以ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為溫濕度數(shù)據(jù)來源，以AT91RM9200嵌入式微處理器為中心，使用RS 232C接收接口，通過對GPIO的電壓輸出控制，從而操縱以繼電器為中心的控制電路；系統(tǒng)采用嵌入式Linux為上位機(jī)開發(fā)平臺，使用Qt/E和多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了圖形用戶界面，完成了溫濕度的實(shí)時(shí)顯示、查詢和設(shè)置，根據(jù)精密儀器實(shí)驗(yàn)室溫濕度的變化，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地進(jìn)行自動(dòng)測控。關(guān)鍵詞： 溫濕度； ZigBee； GPIO； 精密儀器實(shí)驗(yàn)室； RS 232C； 繼電器

中圖分類號： TN919?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）04?0147?04

第二篇：基于ZigBee技術(shù)的開放性實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于ZigBee技術(shù)的開放性實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘 要】本文基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合超高頻射頻識別（UHF RFID）技術(shù)設(shè)計(jì)出能夠通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控的開放性實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)。系統(tǒng)將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)結(jié)合，使用RFID完成對實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場的監(jiān)控，能夠?qū)?shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行全生命周期的跟蹤和定位，實(shí)現(xiàn)了對實(shí)驗(yàn)室安全的自動(dòng)化監(jiān)控，從而有效提高了開放性實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理的效率和實(shí)驗(yàn)室智能化管理水平，滿足實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理和安全管理對實(shí)時(shí)性和便捷性的要求。

【關(guān)鍵詞】開放性實(shí)驗(yàn)室；設(shè)備管理；Zigbee；RFID

Design of Open Laboratory Management System Based on Zigbee

YE Heng-xiao WANG Qing-quan HE Peng-fei XIANG Wei-kai

（Mechanical & Electrical Engineering College，Jiaxing University，Jiaxing Zhejiang 314001，China）

【Abstract】An open laboratory equipment management system is designed for remote monitoring via the Internet based on ZigBee wireless network，combined with UHF radio frequency identification（UHF RFID）technology.The system complete the automation of laboratory site monitoring and achieve tracking and positioning laboratory equipment in full life cycle.In practice，it is effectively improved that the equipment management efficiency and intelligent management level.The system meet laboratory equipment management and security management for real-time and convenience requirements.【Key words】Open laboratory；Equipment management；Zigbee；RFID

0 引言

近年來，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和綜合素質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，使學(xué)生科技活動(dòng)大眾化、日?；?，我院陸續(xù)建立了機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新基地、電子信息創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室等開放性實(shí)驗(yàn)室，為學(xué)生自主開展科學(xué)研究和科技競賽活動(dòng)提供了實(shí)驗(yàn)室空間和資源。但與教學(xué)型實(shí)驗(yàn)室相比，開放性實(shí)驗(yàn)室的人員和設(shè)備流動(dòng)性較大，開放時(shí)間長，增大了實(shí)驗(yàn)室管理人員的設(shè)備管理工作量和安全監(jiān)管難度。因此，如何實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室全方位開放和實(shí)驗(yàn)室安全高效的管理已成為實(shí)驗(yàn)室管理人員亟待解決的重要問題。在此背景下，本文基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合超高頻射頻識別（UHF RFID）技術(shù)設(shè)計(jì)出能夠通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控的開放性實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)[12-14]。系統(tǒng)將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)結(jié)合，使用RFID完成對實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場的監(jiān)控，能夠?qū)?shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行全生命周期的跟蹤和定位，實(shí)現(xiàn)了對實(shí)驗(yàn)室安全的自動(dòng)化監(jiān)控，從而有效提高了開放性實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理的效率和實(shí)驗(yàn)室智能化管理水平，滿足了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理和安全管理對實(shí)時(shí)性和便捷性的要求。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由粘貼在設(shè)備上的電子標(biāo)簽、ZigBee終端節(jié)點(diǎn)（RFID讀寫器/閱讀器）、ZigBee路由節(jié)點(diǎn)、ZigBee協(xié)調(diào)器（ZigBee/Ethernet網(wǎng)關(guān)）、應(yīng)用管理服務(wù)器等幾部分組成[6]，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

電子標(biāo)簽采用超高頻無源射頻標(biāo)簽[15]，內(nèi)部貯存設(shè)備的編號、規(guī)格型號、維修記錄、存放地點(diǎn)、價(jià)格等相關(guān)信息。終端節(jié)點(diǎn)的超高頻RFID讀寫模塊讀取輻射范圍內(nèi)的電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，經(jīng)由板載的ZigBee射頻模塊把RFID采集的設(shè)備信息發(fā)送給ZigBee網(wǎng)關(guān)//協(xié)調(diào)器。終端節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收來自ZigBee協(xié)調(diào)器的控制信息并傳輸給RFID讀寫模塊。根據(jù)工作方式劃分，終端節(jié)點(diǎn)又可劃分為固定式RFID讀寫器和手持式RFID讀寫器兩類[5]。其中，固定式RFID讀寫器分布在各個(gè)實(shí)驗(yàn)室入口處，主要負(fù)責(zé)設(shè)備出入定位，手持式RFID讀寫器用于日常設(shè)備巡檢和電子標(biāo)簽管理。ZigBee網(wǎng)關(guān)/協(xié)調(diào)器安裝于ZigBee無線傳感網(wǎng)和以太網(wǎng)之間，收集來自各終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳遞給以太網(wǎng)中的應(yīng)用管理服務(wù)器。通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了ZigBee數(shù)據(jù)包和以太網(wǎng) TCP / IP數(shù)據(jù)包的透明傳輸，用戶無需訪問無線傳感網(wǎng)中的各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)就可以收集相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)。應(yīng)用管理服務(wù)器負(fù)責(zé)通過以太網(wǎng)接口接收來自ZigBee網(wǎng)關(guān)/協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上傳輸來的設(shè)備數(shù)據(jù)，并保存在服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫中。同時(shí)服務(wù)器通過以太網(wǎng)向ZigBee網(wǎng)關(guān)/協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)出用于控制RFID讀寫模塊的命令。另一方面，服務(wù)器提供局域網(wǎng)web服務(wù)，方便實(shí)驗(yàn)室管理人員通過訪問服務(wù)器查看設(shè)備記錄數(shù)據(jù)庫[7]。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件包括ZigBee網(wǎng)關(guān)/協(xié)調(diào)器、ZigBee路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)。

2.1 ZigBee網(wǎng)關(guān)/協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)關(guān)/協(xié)調(diào)器由以下部件構(gòu)成：STM32F107VCT核心板、EMZ3118 ZigBee射頻通信板、擴(kuò)展底板。核心板包括STM32F107VCT微控制器、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和調(diào)試電路等，構(gòu)成微控制器最小系統(tǒng)。EMZ3118射頻通信板實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)功能。EMZ3118是上海慶科公司生產(chǎn)的基于STM32W108的嵌入式ZigBee可編程應(yīng)用模塊，提供了ZigBee/IEEE802.15.4兼容的無線解決方案，其發(fā)射功率達(dá)到100mW，發(fā)射距離遠(yuǎn)，信號穩(wěn)定，可滿足低成本的無線傳感網(wǎng)需求。采用該模塊降低了使用STM32W108芯片時(shí)硬件設(shè)計(jì)的難度。擴(kuò)展底板上包含電源電路、以太網(wǎng)接口電路、液晶驅(qū)動(dòng)電路、鍵盤接口等。

2.1.1 ZigBee通信接口結(jié)構(gòu)

EMZ3118整合了ZigBee射頻（RF）前端，帶有外部射頻功率放大器，最大傳輸功率輸出在-7～20dbm之間可編程，其視野范圍內(nèi)最大傳輸距離可達(dá)1.6km，RF數(shù)據(jù)速率250kb/s。模塊有36個(gè)輸出引腳，其中有24個(gè)GPIO輸出端口引腳，4個(gè)中斷端口引腳，6路12位A/D端口引腳，支持兩路串行接口（UART/SPI/I2C）。設(shè)計(jì)中EMZ3118模塊通過SPI接口與STM32F107VCT連接。模塊的外部功放是通過STM32F108W的4個(gè)引腳來控制，其中PA3口控制外部功放電源，PA6口控制外部功放使能，PC5控制模塊發(fā)射/接收操作模式，PA7控制輸出天線接口類型。

2.1.2 以太網(wǎng)接口電路

網(wǎng)關(guān)主控制器STM32F107VCT內(nèi)部已集成介質(zhì)訪問控制器（MAC），支持 10M/100M 的以太網(wǎng)通信，提供了MII和 RMII兩種接口模式。設(shè)計(jì)中主控芯片需要通過外部物理層接口芯片才能連接到物理層LAN總線。設(shè)計(jì)中使用DP83848VV，該芯片是TI公司生產(chǎn)的全功能低功耗10M/100M單端口物理層接口芯片。為了簡化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中主控芯片和DP83848VV間采用RMII接口模式，這樣RMII數(shù)據(jù)收發(fā)上比MII接口少了一倍的信號線。RMII接口模式下要求的50M總線時(shí)鐘則由外部有源晶振SM7745DEV提供。網(wǎng)關(guān)與外部以太網(wǎng)通信還需要 RJ-45 接口，設(shè)計(jì)中選用了漢仁公司的網(wǎng)絡(luò)變壓器HR911105A，該網(wǎng)絡(luò)變壓器集成了網(wǎng)絡(luò)變壓器和RJ-45接口，可滿足IEEE 802.3的電氣隔離要求，解決前端信號因衰減、損耗等原因引起的數(shù)據(jù)丟包、傳輸中斷等問題，從而有效保障了無失真?zhèn)鬏斠蕴W(wǎng)信號，并抑制輻射發(fā)射。

2.1.3 人機(jī)交互接口電路設(shè)計(jì)

人機(jī)接口包括4個(gè)通用彩色LED指示燈，帶選擇鍵的 4 向操作桿，通用按鍵、喚醒鍵和入侵檢測按鍵，帶觸摸屏的3.2“TFT 彩色 LCD 顯示屏。LCD 顯示屏采用AM-240320D4TOQW，內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器ILI9320，分辨率240（RGB）×320像素，可選SPI串行數(shù)據(jù)接口和18位RGB 并行數(shù)據(jù)接口。設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)接口采用SPI接口，觸摸屏的4位數(shù)據(jù)接口通過外部I/O 擴(kuò)展芯片STMPE811連接。

2.2 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)由主控制器、超高頻RFID讀寫單元、ZigBee射頻單元、液晶驅(qū)動(dòng)、溫濕度傳感器、鍵盤、調(diào)試電路等組成?；诔杀究紤]，終端節(jié)點(diǎn)的主控制器采用STM32F103，而ZigBee射頻單元和人機(jī)交互電路與網(wǎng)關(guān)采用相同設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中主控制器通過ZigBee無線接口接收服務(wù)器發(fā)送的指令并解析，實(shí)現(xiàn)對超高頻RFID讀寫單元的控制和操作，同時(shí)將超高頻RFID讀寫單元所采集的信息無線傳輸給服務(wù)器。因此，終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中超高頻RFID讀寫單元是設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2.2.1 超高頻RFID射頻電路設(shè)計(jì)[8-9]

RFID射頻模塊采用超高頻RFID讀寫器專用芯片AS3993[3]。AS3993是奧地利微電子公司最新推出的EPC Class 1 Gen 2 RFID閱讀器芯片，實(shí)現(xiàn)了完備的RFID功能，可在普通模式下兼容ISO 18000-6C標(biāo)準(zhǔn)，在直接閱讀模式下兼容ISO 18000-6A/B標(biāo)準(zhǔn)。該芯片集成度高，集成了模擬前端和底層協(xié)議處理，內(nèi)置壓控震蕩器（VCO）和最大20dBm功率放大器，接收靈敏度達(dá)到90dB，支持跳頻、數(shù)據(jù)底層傳輸編解碼、數(shù)據(jù)組幀和循環(huán)冗余校驗(yàn)，具有低功耗的特點(diǎn)，并且對由天線反射回波等引起的干擾具有免疫效果。這對本文中移動(dòng)式巡檢器和固定式閱讀器的設(shè)計(jì)極其重要。因?yàn)樵赗FID讀寫器設(shè)計(jì)中，天線設(shè)計(jì)經(jīng)常遭受成本或尺寸限制。高靈敏度可使RFID讀寫器設(shè)計(jì)在達(dá)到自身要求的同時(shí)，可以使用更簡單和便宜的天線，從而降低了系統(tǒng)成本和設(shè)計(jì)難度。本文設(shè)計(jì)中把以AS3993為核心的閱讀器模擬前端設(shè)計(jì)成模塊，這樣模塊可以很方便的與控制器STM32F103通過SPI接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

2.2.2 傳感器電路設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)的溫濕度傳感器和光強(qiáng)傳感器用于檢測實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境參數(shù)。設(shè)計(jì)中溫濕度傳感器采用SHT11，其內(nèi)置14位AD，串行數(shù)字輸出，相對濕度精度達(dá)到±3RH，溫度測量精度±0.4℃，使用中采用I2C接口與控制器通訊。光強(qiáng)傳感器采用TAOS公司的TSL256x。TSL256x提供了I2C接口和中斷輸出接口，可編程設(shè)置光強(qiáng)度上下閥值，其模擬增益和數(shù)字輸出可程控控制，適用于實(shí)驗(yàn)室光照控制和安全照明的應(yīng)用。ZigBee無線組網(wǎng)策略[11]

ZigBee有星型（Star）、樹型（Cluster Tree）和網(wǎng)狀（Mesh）三種組網(wǎng)方式。考慮到各個(gè)開放實(shí)驗(yàn)室分布在同一樓層的不同房間，覆蓋面廣，并且距離相距較遠(yuǎn)，需要ZigBee網(wǎng)絡(luò)能夠覆蓋整個(gè)樓層，并具有較遠(yuǎn)的通信距離，同時(shí)要求ZigBee具有較高的可靠性和健壯性。綜合考慮三種組網(wǎng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)中采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組網(wǎng)。各個(gè)安裝在實(shí)驗(yàn)室出入口的固定式閱讀器的ZigBee節(jié)點(diǎn)全部作為全功能設(shè)備，與分布在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的各路由節(jié)點(diǎn)組成的的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)覆蓋了整個(gè)樓層，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和覆蓋范圍，便于移動(dòng)式巡檢器在整個(gè)樓層范圍內(nèi)的可靠有效工作。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)軟件采用uCOS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，主要包括系統(tǒng)和外圍模塊底層驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)關(guān)應(yīng)用層協(xié)議和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)等部分。根據(jù)網(wǎng)關(guān)的功能需求，應(yīng)用程序劃分為系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)和控制任務(wù)、文件管理任務(wù)、人機(jī)交互任務(wù)、Zigbee組網(wǎng)任務(wù)、WSN通信交互任務(wù)、以太網(wǎng)通信交互任務(wù)、協(xié)議轉(zhuǎn)換任務(wù)等，由uCOS-II內(nèi)核統(tǒng)一調(diào)度管理。

4.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

第三篇：中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)溫濕度控制（范文模版）

中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)溫濕度控制的分析 引 言

樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)是智能建筑的一個(gè)重要組成部分。樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的功能就是對大廈內(nèi)的各種機(jī)電設(shè)施，包括中央空調(diào)、給排水、變配電、照明、電梯、消防、安全防范等進(jìn)行全面的計(jì)算機(jī)監(jiān)控管理。其中，中央空調(diào)的能耗占整個(gè)建筑能耗的50%以上，是樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)節(jié)能的重點(diǎn)[1]。

由于中央空調(diào)系統(tǒng)十分龐大，反應(yīng)速度較慢、滯后現(xiàn)象較為嚴(yán)重，現(xiàn)階段中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)幾乎都采用傳統(tǒng)的控制技術(shù)，對于工況及環(huán)境變化的適應(yīng)性差，控制慣性較大，節(jié)能效果不理想。傳統(tǒng)控制技術(shù)存在的問題主要是難以解決各種不確定性因素對空調(diào)系統(tǒng)溫濕度影響及控制品質(zhì)不夠理想。而智能控制特別適用于對那些具有復(fù)雜性、不完全性、模糊性、不確定性、不存在已知算法和變動(dòng)性大的系統(tǒng)的控制。

“綠色建筑”主要強(qiáng)調(diào)的是：環(huán)保、節(jié)能、資源和材料的有效利用，特別是對空氣的溫度、濕度、通風(fēng)以及潔凈度的要求，因此，空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛?？照{(diào)控制系統(tǒng)涉及面廣，而要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)比較復(fù)雜，需要有冷、熱源的支持?？照{(diào)機(jī)組內(nèi)有大功率的風(fēng)機(jī)，但它的能耗很大。在滿足用戶對空氣環(huán)境要求的前提下，只有采用先進(jìn)的控制策略對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行控制，才能達(dá)到節(jié)約能源和降低運(yùn)行費(fèi)用的目的。以下將從控制策略角度對與監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)的問題作簡要討論?？照{(diào)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成一般包括以下幾部分：(1)新風(fēng)部分

空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中必須采集部分室外的新鮮空氣(即新風(fēng))，這部分新風(fēng)必須滿足室內(nèi)工作人員所需要的最小新鮮空氣量，因此空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)取入量決定于空調(diào)系統(tǒng)的服務(wù)用途和衛(wèi)生要求。新風(fēng)的導(dǎo)入口一般設(shè)在周圍不受污染影響的地方。這些新風(fēng)的導(dǎo)入口和空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)管道以及新風(fēng)的濾塵裝置(新風(fēng)空氣過濾器)、新風(fēng)預(yù)熱器(又稱為空調(diào)系統(tǒng)的一次加熱器)共同組成了空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)系統(tǒng)。

(2)空氣的凈化部分

空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)其用途不同，對空氣的凈化處理方式也不同。因此，在空調(diào)凈化系統(tǒng)中有設(shè)置一級初效空氣過濾器的簡單凈化系統(tǒng)，也有設(shè)置一級初效空氣過濾器和一級中效空氣過濾器的一般凈化系統(tǒng)，另外還有設(shè)置一級初效空氣過濾器，一級中效空氣過濾器和一級高效空氣過濾器的三級過濾裝置的高凈化系統(tǒng)。

(3)空氣的熱、濕處理部分

對空氣進(jìn)行加熱、加濕和降溫、去濕，將有關(guān)的處理過程組合在一起，稱為空調(diào)系統(tǒng)的熱、濕處理部分。

在對空氣進(jìn)行熱、濕處理過程中，采用表面式空氣換熱器(在表面式換熱器內(nèi)通過熱水或水蒸氣的稱為表面式空氣加熱器，簡稱為空氣的汽水加熱器)。設(shè)置在系統(tǒng)的新風(fēng)入口，一次回風(fēng)之前的空氣加熱器稱為空氣的一次加熱器;設(shè)置在降溫去濕之后的空氣加熱器，稱為空氣的二次加熱器;設(shè)置在空調(diào)房間送風(fēng)口之前的空氣加熱器，稱為空氣的三次加熱器。三次空氣加熱器主要起調(diào)節(jié)空調(diào)房間內(nèi)溫度的作用，常用的熱媒為熱水或電加熱。在表面式換熱器內(nèi)通過低溫冷水或制冷劑的稱為水冷式表面冷卻器或直接蒸發(fā)式表面冷卻器，也有采用噴淋冷水或熱水的噴水室，此外也有采用直接噴水蒸汽的處理方法來實(shí)現(xiàn)空氣的熱、濕處理過程。

(4)空氣的輸送和分配、控制部分

空調(diào)系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)和送、回風(fēng)管道稱為空氣的輸送部分。風(fēng)管中的調(diào)節(jié)風(fēng)閥、蝶閥、防火閥、啟動(dòng)閥及風(fēng)口等稱為空氣的分配、控制部分。根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)中空氣阻力的不同，設(shè)置風(fēng)機(jī)的數(shù)量也不同，如果空調(diào)系統(tǒng)中設(shè)置一臺風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)既起送風(fēng)作用，又起回風(fēng)作用的稱為單風(fēng)機(jī)系統(tǒng);如果空調(diào)系統(tǒng)中設(shè)置兩臺風(fēng)機(jī)，一臺為送風(fēng)機(jī)，另一臺為回風(fēng)機(jī)，則稱為雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。

(5)空調(diào)系統(tǒng)的冷、熱源

空調(diào)系統(tǒng)中所使用的冷源一般分為天然冷源和人工冷源。天然冷源一般指地下深井水，人工冷源一般是指利用人工制冷方式來獲得的，它包括蒸汽壓縮式制冷、吸收式制冷以及蒸汽噴射式制冷等多種形式。現(xiàn)代化的大型建筑中通常都采用集中式空調(diào)系統(tǒng)，這種形式的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

其工作原理是當(dāng)環(huán)境溫度過高時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)通過循環(huán)方式把室內(nèi)的熱量帶走，以使室內(nèi)溫度維持于一定值。當(dāng)循環(huán)空氣通過風(fēng)機(jī)盤管時(shí)，高溫空氣經(jīng)過冷卻盤管的鋁金屬先進(jìn)行熱交換，盤管的鋁片吸收了空氣中的熱量，使空氣溫度降低，然后再將冷凍后的循環(huán)空氣送入室內(nèi)。冷卻盤管的冷凍水由冷卻機(jī)提供，冷卻機(jī)由壓縮機(jī)、冷凝器和蒸發(fā)器組成。壓縮機(jī)把制冷劑壓縮，經(jīng)壓縮的制冷劑進(jìn)入冷凝器，被冷卻水冷卻后，變成液體，析出的熱量由冷卻水帶走，并在冷卻塔里排入大氣。液體制冷劑由冷凝器進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)吸熱，使冷凍水降溫，然后冷凍水進(jìn)入水冷風(fēng)機(jī)盤管吸收空氣中的熱量，如此周而復(fù)始，循環(huán)不斷，把室內(nèi)熱量帶走。當(dāng)環(huán)境溫度過低時(shí)，需要以熱水進(jìn)入風(fēng)機(jī)盤管，和上述原理一樣，空氣加熱后送入室內(nèi)?？諝饨?jīng)過冷卻后，有水分析出，空氣相對濕度減少，變的干燥，所以需增加濕度，這就要加裝加濕器，進(jìn)行噴水或噴蒸汽，對空氣進(jìn)行加濕處理，用這樣的濕空氣去補(bǔ)充室內(nèi)水汽量的不足。中央空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng) 3.1 中央空調(diào)自動(dòng)控制的內(nèi)容與被控參數(shù)

中央空調(diào)系統(tǒng)由空氣加熱、冷卻、加濕、去濕、空氣凈化、風(fēng)量調(diào)節(jié)設(shè)備以及空調(diào)用冷、熱源等設(shè)備組成。這些設(shè)備的容量是設(shè)計(jì)容量，但在日常運(yùn)行中的實(shí)際負(fù)荷在大部分時(shí)間里是部分負(fù)荷，不會(huì)達(dá)到設(shè)計(jì)容量。所以，為了舒適和節(jié)能，必須對上述設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使其實(shí)際輸出量與實(shí)際負(fù)荷相適應(yīng)。目前，對其容量控制已實(shí)現(xiàn)不同程度的自動(dòng)化，其內(nèi)容也日漸豐富。被控參數(shù)主要有空氣的溫度、濕度、壓力(壓差)以及空氣清新度、氣流方向等，在冷、熱源方面主要是冷、熱水溫度，蒸汽壓力。有時(shí)還需要測量、控制供回水干管的壓力差，測量供回水溫度以及回水流量等。在對這些參數(shù)進(jìn)行控制的同時(shí)，還要對主要參數(shù)進(jìn)行指示、記錄、打印，并監(jiān)測各機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及事故狀態(tài)、報(bào)警。

中央空調(diào)設(shè)備主要具有以下自控系統(tǒng)：風(fēng)機(jī)盤管控制系統(tǒng)、新風(fēng)機(jī)組控制系統(tǒng)、空調(diào)機(jī)組控制系統(tǒng)、冷凍站控制系統(tǒng)、熱交換站控制系統(tǒng)以及有關(guān)給排水控制系統(tǒng)等。

3.2 中央空調(diào)自動(dòng)控制的功能(1)創(chuàng)造舒適宜人的生活與工作環(huán)境

·對室內(nèi)空氣的溫度、相對濕度、清新度等加以自動(dòng)控制，保持空氣的最佳品質(zhì);·具有防噪音措施(采用低噪音機(jī)器設(shè)備);·可以在建筑物自動(dòng)化系統(tǒng)中開放背景輕音樂等。

通過中央空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠使人們生活、工作在這種環(huán)境中，心情舒暢，從而能大大提高工作效率。而對工藝性空調(diào)而言，可提供生產(chǎn)工藝所需的空氣的溫度、濕度、潔凈度的條件，從而保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

(2)節(jié)約能源

在建筑物的電器設(shè)備中，中央空調(diào)的能耗是最大的，因此需要對這類電器設(shè)備進(jìn)行節(jié)能控制。中央空調(diào)采用自動(dòng)控制系統(tǒng)后，能夠大大節(jié)約能源。

(3)創(chuàng)造了安全可靠的生產(chǎn)條件

自動(dòng)監(jiān)測與安全系統(tǒng)，使中央空調(diào)系統(tǒng)能夠正常工作，在發(fā)現(xiàn)故障時(shí)能及時(shí)報(bào)警并進(jìn)行事故處理。

3.3 中央空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成

圖2為一室溫的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它是由恒溫室、熱水加熱器、傳感器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器機(jī)構(gòu)和(調(diào)節(jié)閥)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。其中恒溫室和熱水加熱器組成調(diào)節(jié)對象(簡稱對象)，所謂調(diào)節(jié)對象是指被調(diào)參數(shù)按照給定的規(guī)律變化的房間、設(shè)備、器械、容器等。圖2所示的室溫自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)也可以用圖3所示的方塊圖來表示。室溫就是室內(nèi)要求的溫度參數(shù)，在自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中稱為被調(diào)參數(shù)(或被調(diào)量)，用θa表示。在室溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，被調(diào)參數(shù)就是對象的輸出信號。被調(diào)參數(shù)規(guī)定的數(shù)值稱為給定值(或設(shè)定值)，用θg表示。室外溫度的變化，室內(nèi)熱源的變化，加熱器送風(fēng)溫度的變化，以及熱水溫度的變化等，都會(huì)使室內(nèi)溫度發(fā)生變化，從而室內(nèi)溫度的實(shí)際值與給定值之間產(chǎn)生偏差。

這些引起室內(nèi)溫度偏差的外界因素，在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中稱為干擾(或稱為擾動(dòng))，用f表示。在該系統(tǒng)中，導(dǎo)致室溫變化的另一個(gè)因素是加熱器內(nèi)熱水流量的變化，這一變化往往是熱水溫度或熱水流量的變化引起的，熱水流量的變化是由于控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)—調(diào)節(jié)閥的開度變化所引起的，是自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)用于補(bǔ)償干擾的作用使被調(diào)量保持在給定值上的調(diào)節(jié)參數(shù)，或稱調(diào)節(jié)量q。調(diào)節(jié)量q和干擾f對對象的作用方向是相反的。

4、中央空調(diào)系統(tǒng)控制中存在的問題

4.1 被控對象的特點(diǎn)

空調(diào)系統(tǒng)中的控制對象多屬熱工對象，從控制角度分析，具有以下特點(diǎn)[3]：(1)多干擾性

例如，通過窗戶進(jìn)來的太陽輻射熱是時(shí)間的函數(shù)，受氣象條件的影響;室外空氣溫度通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)對室溫產(chǎn)生影響;通過門、窗、建筑縫隙侵入的室外空氣對室溫產(chǎn)生影響;為了換氣(或保持室內(nèi)一定正壓)所采用的新風(fēng)，其溫度變化對室溫有直接影響。此外，電加熱器(空氣加熱器)電源電壓的波動(dòng)以及熱水加熱器熱水壓力、溫度、蒸汽壓力的波動(dòng)等，都將影響室溫。

如此多的干擾，使空調(diào)負(fù)荷在較大范圍內(nèi)變化，而它們進(jìn)入系統(tǒng)的位置、形式、幅值大小和頻繁程度等，均隨建筑的構(gòu)造(建筑熱工性能)、用途的不同而異，更與空調(diào)技術(shù)本身有關(guān)。在設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮到盡量減少干擾或采取抗干擾措施。因此，可以說空調(diào)工程是建立在建筑熱工、空調(diào)技術(shù)和自控技術(shù)基礎(chǔ)上的一種綜合工程技術(shù)。

(2)多工況性

空調(diào)技術(shù)中對空氣的處理過程具有很強(qiáng)的季節(jié)性。一年中，至少要分為冬季、過渡季和夏季。近年來，由于集散型系統(tǒng)在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用，為多工況的空調(diào)應(yīng)用創(chuàng)造了良好的條件。由于空調(diào)運(yùn)行制度的多樣化，使運(yùn)行管理和自動(dòng)控制設(shè)備趨于復(fù)雜。因此，要求操作人員必須嚴(yán)格按照包括節(jié)能技術(shù)措施在內(nèi)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行操作和維護(hù)，不得隨意改變運(yùn)行程序和拆改系統(tǒng)中的設(shè)備。

(3)溫、濕度相關(guān)性

描述空氣狀態(tài)的兩個(gè)主要參數(shù)為溫度和濕度，它們并不是完全獨(dú)立的兩個(gè)變量。當(dāng)相對濕度發(fā)生變化時(shí)會(huì)引起加濕(或減濕)動(dòng)作，其結(jié)果將引起室溫波動(dòng);而室溫變化時(shí)，使室內(nèi)空氣中水蒸氣的飽和壓力變化，在絕對含濕量不變的情況下，就直接改變了相對濕度(溫度增高相對濕度減少，溫度降低相對濕度增加)。這種相對關(guān)聯(lián)著的參數(shù)稱為相關(guān)參數(shù)。顯然，在對溫、濕度都有要求的空調(diào)系統(tǒng)中，組成自控系統(tǒng)時(shí)應(yīng)充分注意這一特性。

4.2 控制中存在的主要問題

目前中央空調(diào)系統(tǒng)主要采用的控制方式是pid控制，即采用測溫元件(溫感器)+pid溫度調(diào)節(jié)器+電動(dòng)二通調(diào)節(jié)閥的pid調(diào)節(jié)方式。夏季調(diào)節(jié)表冷器冷水管上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，冬季調(diào)節(jié)加熱器熱水管上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，由調(diào)節(jié)閥的開度大小實(shí)現(xiàn)冷(熱)水量的調(diào)節(jié)，達(dá)到溫度控制的目的。為方便管理，簡化控制過程，把溫度傳感器設(shè)于空調(diào)機(jī)組的總回風(fēng)管道中，由于回風(fēng)溫度與室溫有所差別，其回風(fēng)控制的溫度設(shè)定值，在夏季應(yīng)比要求的室溫高(0.5～1.0)℃，在冬季應(yīng)比要求的室溫低(0.5～1.0)℃。

pid調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，將其運(yùn)算結(jié)果用于控制輸出?，F(xiàn)場監(jiān)控站監(jiān)測空調(diào)機(jī)組的工作狀態(tài)對象有：過濾器阻塞(壓力差)，過濾器阻塞時(shí)報(bào)警，以了解過濾器是否需要更換;調(diào)節(jié)冷熱水閥門的開度，以達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的目的;送風(fēng)機(jī)與回風(fēng)機(jī)啟/停;調(diào)節(jié)新風(fēng)、回風(fēng)與排風(fēng)閥的開度，改變新風(fēng)、回風(fēng)比例，在保證衛(wèi)生度要求下降低能耗，以節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用;檢測回風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)兩側(cè)的壓差，以便得知風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài);檢測新風(fēng)、回風(fēng)與送風(fēng)的溫度、濕度，由于回風(fēng)能近似反映被調(diào)對象的平均狀態(tài)，故以回風(fēng)溫濕度為控制參數(shù)。

根據(jù)設(shè)定的空調(diào)機(jī)組工作參數(shù)與上述監(jiān)測的狀態(tài)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場控制站控制送、回風(fēng)機(jī)的啟/停，新風(fēng)與回風(fēng)的比例調(diào)節(jié)，盤管冷、熱水的流量，以保證空調(diào)區(qū)域內(nèi)空氣的溫度與濕度既能在設(shè)定范圍內(nèi)滿足舒適性要求，同時(shí)也能使空調(diào)機(jī)組以較低的能量消耗方式運(yùn)行。pid調(diào)節(jié)能滿足對環(huán)境要求不高的一般場所，但是pid調(diào)節(jié)同樣存在一些不足，如控制容易產(chǎn)生超調(diào)，對于工況及環(huán)境變化的適應(yīng)性差，控制慣性較大，節(jié)能效果也不理想，所以對于環(huán)境要求較高或者對環(huán)境有特殊要求的場所，pid調(diào)節(jié)就無法滿足要求了。

對于像中央空調(diào)系統(tǒng)這樣的大型復(fù)雜過程(或?qū)ο?的控制實(shí)現(xiàn)，一般是按某種準(zhǔn)則在低層把其分解為若干子系統(tǒng)實(shí)施控制，在上層協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)之間的性能指標(biāo)，使得集成后的整個(gè)系統(tǒng)處于某種意義下的優(yōu)化狀態(tài)。在控制中存在問題主要表現(xiàn)在：(1)不確定性

傳統(tǒng)控制是基于數(shù)學(xué)模型的控制，即認(rèn)為控制、對象和干擾的模型是已知的或者通過辯識可以得到的。但復(fù)雜系統(tǒng)中的很多控制問題具有不確定性，甚至?xí)l(fā)生突變。對于“未知”、不確定、或者知之甚少的控制問題，用傳統(tǒng)方法難以建模，因而難以實(shí)現(xiàn)有效的控制。

(2)高度非線性

傳統(tǒng)控制理論中，對于具有高度非線性的控制對象，雖然也有一些非線性方法可以利用，但總體上看，非線性理論遠(yuǎn)不如線性理論成熟，因方法過分復(fù)雜在工程上難以廣泛應(yīng)用，而在復(fù)雜的系統(tǒng)中有大量的非線性問題存在。

(3)半結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化

傳統(tǒng)控制理論主要采用微分方程、狀態(tài)方程以及各種數(shù)學(xué)變換作為研究工具，其本質(zhì)是一種數(shù)值計(jì)算方法，屬定量控制范疇，要求控制問題結(jié)構(gòu)化程度高，易于用定量數(shù)學(xué)方法進(jìn)行描述或建模。而復(fù)雜系統(tǒng)中最關(guān)注的和需要支持的，有時(shí)恰恰是半結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化問題。

(4)系統(tǒng)復(fù)雜性

按系統(tǒng)工程觀點(diǎn)，廣義的對象應(yīng)包括通常意義下的操作對象和所處的環(huán)境。而復(fù)雜系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，各要素間高度耦合，互相制約，外部環(huán)境又極其復(fù)雜，有時(shí)甚至變化莫測。傳統(tǒng)控制缺乏有效的解決方法。

(5)可靠性

常規(guī)的基于數(shù)學(xué)模型的控制方法傾向于是一個(gè)相互依賴的整體，盡管基于這種方法的系統(tǒng)經(jīng)常存在魯棒性與靈敏度之間的矛盾，但簡單系統(tǒng)的控制可靠性問題并不突出。而對復(fù)雜系統(tǒng)，如果采用上述方法，則可能由于條件的改變使得整個(gè)控制系統(tǒng)崩潰。

歸納上述問題，復(fù)雜對象(過程)表現(xiàn)出如下的特性： ·系統(tǒng)參數(shù)的未知性、時(shí)變性、隨機(jī)性和分散性;·系統(tǒng)時(shí)滯的未知性和時(shí)變性;·系統(tǒng)嚴(yán)重的非線性;·系統(tǒng)各變量間的關(guān)聯(lián)性;·環(huán)境干擾的未知性、多樣性和隨機(jī)性。

面對上述空調(diào)系統(tǒng)的特性，因其屬于不確定性復(fù)雜對象(或過程)的控制范疇，傳統(tǒng)的控制方法難以對這類對象進(jìn)行有效的控制，必須探索更有效的控制策略。控制策略的選取

對于復(fù)雜的不確定性系統(tǒng)而言，由于被控對象(過程)的特性難于用精確的數(shù)學(xué)模型描述。用傳統(tǒng)的基于經(jīng)典控制理論的pid控制和基于狀態(tài)空間描述的近代控制理論方法來實(shí)現(xiàn)對被控對象的高動(dòng)靜態(tài)品質(zhì)的控制是非常困難的，一般都采用黑箱法，即輸入輸出描述法對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，大量引入人的能量與智慧、經(jīng)驗(yàn)與技巧。控制器是用基于數(shù)學(xué)模型和知識系統(tǒng)相結(jié)合的廣義模型進(jìn)行設(shè)計(jì)的，也就是說對不確定性復(fù)雜系統(tǒng)的控制一般采用智能控制策略[5]。這類控制系統(tǒng)具有以下基本特點(diǎn)：

(1)具有足夠的關(guān)于人的控制策略、被控對象及環(huán)境的有關(guān)知識以及運(yùn)用這些知識的“智慧”;

(2)是能以知識表示的非數(shù)學(xué)廣義模型和以數(shù)學(xué)描述表示的混合過程，采用開閉環(huán)控制和定性及定量控制相結(jié)合的多模態(tài)控制方式;

(3)具有變結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能總體自尋優(yōu)，具有自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)和自協(xié)調(diào)能力;

(4)具有補(bǔ)償和自修復(fù)能力、判斷決策能力和高度的可靠性。

智能控制策略的突出優(yōu)點(diǎn)是充分利用人的控制性能，信息獲取、傳遞、處理性能的研究結(jié)果和心理、生理測試數(shù)據(jù)，建立控制者—“人”環(huán)節(jié)的模型，以便與被控制對象—機(jī)器的模型相互配合，設(shè)計(jì)人機(jī)系統(tǒng)，為系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)提供靈活性。例如，當(dāng)建立被控制對象模型很困難時(shí)，可以建立控制者模型，如建立控制專家模型、設(shè)計(jì)專家控制器等;當(dāng)建立控制者模型很困難時(shí)，可以建立被控制對象模型;而設(shè)計(jì)被控對象模型有困難時(shí)，又可建立“控制者—被控制對象”的聯(lián)合模型，即控制論系統(tǒng)模型，如“人—人”控制論系統(tǒng)的對策論模型。

由于現(xiàn)代傳感變換檢測技術(shù)和計(jì)算機(jī)硬件相關(guān)技術(shù)的發(fā)展基本上已經(jīng)妥善地解決了控制系統(tǒng)中的硬件問題，難點(diǎn)在于信息的處理和信息流的控制，因此其控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和控制功能的完成往往采用全軟件方式。不同的控制策略所構(gòu)造出的算法其復(fù)雜程度、魯棒性、解耦性能等差別是很大的，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上軟硬件資源成本也不同，人們期待的是成本最低的控制策略，在這方面仿人智能控制[6]策略具有其獨(dú)特的優(yōu)勢。仿人智能控制是總結(jié)、模仿人的控制經(jīng)驗(yàn)和行為，以產(chǎn)生式規(guī)則描述人在控制方面的啟發(fā)與直覺推理行為，其基本特點(diǎn)是模仿控制專家的控制行為，控制算法是多模態(tài)的和多模態(tài)控制間的交替使用，并具有較好的解耦性能和很強(qiáng)的魯棒性。從復(fù)雜系統(tǒng)控制工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)看，選取仿人智能控制策略還是明智之舉。除了仿人智能控制策略，還有模糊控制策略、專家系統(tǒng)控制策略等。工程實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控信息平臺的選擇

大型復(fù)雜系統(tǒng)控制的工程實(shí)現(xiàn)中除了低層的ddc控制外，由于各子系統(tǒng)需要結(jié)集協(xié)調(diào)，有大量的信息需要實(shí)時(shí)處理和存儲。從控制論層次考慮，無論管理信息還是控制信息，控制的本質(zhì)都是對信息流的控制和信息的處理，因此信息平臺的選取是至關(guān)重要的，應(yīng)從系統(tǒng)工程角度妥善處理工程實(shí)現(xiàn)問題，既要使建設(shè)系統(tǒng)的軟硬件成本最低，又要考慮系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)升級換代及擴(kuò)展與發(fā)展的長期效益，對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化配置，保證系統(tǒng)的長期可靠穩(wěn)定運(yùn)行。硬件固然是控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，但在大型復(fù)雜系統(tǒng)控制中強(qiáng)調(diào)的應(yīng)不再是硬件，如傳感裝置、儀器儀表、傳動(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，應(yīng)改變某些由于技術(shù)背景等原因造成的輕視軟件重硬件的傾向，避免因信息平臺選取不當(dāng)而形成大量的自動(dòng)化“孤島”，給企業(yè)的信息化留下隱患，使大量的寶貴信息資源沉淀、流失。

目前市場上可供使用的國內(nèi)外工業(yè)控制組態(tài)軟件不少，但用于大型復(fù)雜系統(tǒng)未必都那么合適。事實(shí)上，各軟件廠商在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)各有側(cè)重，實(shí)現(xiàn)技術(shù)與設(shè)計(jì)方案也各有自己的鮮明特點(diǎn)，都是為了解決自動(dòng)化控制問題提供手段與方案，但解決問題的深度和廣度是有較大差別的，這正是設(shè)計(jì)中有待解決的問題。結(jié)束語 由于中央空調(diào)系統(tǒng)在樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)節(jié)能中占據(jù)的特殊地位，顯示出了對中央空調(diào)系統(tǒng)控制模式進(jìn)行研究的重要意義。本文針對該系統(tǒng)溫、濕控制問題進(jìn)行了較為詳細(xì)地分析，并介紹了智能控制策略的突出優(yōu)點(diǎn)，為同類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了有益的幫助。

第四篇：糧倉溫濕度檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

糧倉溫濕度檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

我國是一個(gè)人口眾多的大國, 科學(xué) 儲糧是保障人民糧食供應(yīng), 促進(jìn)社會(huì)安定的大事, 糧倉溫度的監(jiān)測在科學(xué)儲糧 中占有重要地位[1]。在大多數(shù)糧食存儲企業(yè), 目前仍主要靠人工檢測糧倉溫度。由于糧庫占地面積大，糧倉分散，倉內(nèi)溫度測試點(diǎn)多，因而人工監(jiān)測工作量大，效率低，檢測周期長，容易漏檢，而且測量器件損壞率高，測試精度難以保證。

糧倉溫室度檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀隨著微型計(jì)算機(jī)和傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，自動(dòng)檢測領(lǐng)域發(fā)生了巨大變 化，倉庫的溫度和濕度自動(dòng)監(jiān)測控制方面的研究有了明顯的進(jìn)展。糧倉溫室度檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀隨著微型計(jì)算機(jī)和傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，自動(dòng)檢測領(lǐng)域發(fā)生了巨大變 化，倉庫的溫度和濕度自動(dòng)監(jiān)測控制方面的研究有了明顯的進(jìn)展。

糧食溫度是 能否保證糧食安全儲存的重要指標(biāo)之一,只有及時(shí),準(zhǔn)確地測得糧堆各層面的糧 溫?cái)?shù)據(jù),并根據(jù)檢測的溫度數(shù)據(jù)對糧食儲存情況進(jìn)行分析,作出決策,采取措施, 最大限度的減少糧食在儲存過程中的損失。正目前,糧庫中的溫濕度檢測,基本上是人工檢測,勞動(dòng)強(qiáng)度大,繁瑣,由于 檢測報(bào)警不及時(shí),造成庫儲糧食損失的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,于是,設(shè)計(jì)并研制性能價(jià) 格比較高的糧庫溫濕度自動(dòng)檢測系統(tǒng)迫在眉睫。由于大型糧庫分布廣、儲量大，糧庫的管理和監(jiān)測難度大，基于糧庫糧情檢測系統(tǒng)上的計(jì)算機(jī)管理軟件的設(shè) 計(jì)，由每個(gè)糧倉中配置的下位機(jī)將糧情數(shù)據(jù)通過無線數(shù)傳模塊發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)將下位機(jī)的數(shù)據(jù)以曲線和表格的形式表示出來，清晰直觀地顯示出各倉 內(nèi)溫濕度狀況，由上位機(jī)對糧倉進(jìn)行監(jiān)視，管理人員在控制室就可以看到實(shí)時(shí) 糧情數(shù)據(jù)，對糧情數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)糧倉管理自動(dòng)化、智能化。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集 部分是將溫濕度傳感器置于倉庫內(nèi)部，測出倉內(nèi)的溫濕度值，經(jīng)過放大、A/D 3 糧倉溫濕度檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量之后送入 AT89C51 單片機(jī)中，然后通過 8 位 LED 顯示，單片機(jī) 將預(yù)設(shè)的參考值與測量值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果作出判斷，經(jīng)過程序分析處 理發(fā)送相應(yīng)指令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，接通或關(guān)閉各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的繼電器，進(jìn)而 控制干燥機(jī)、空調(diào)和風(fēng)機(jī)等設(shè)備，以此來調(diào)節(jié)倉內(nèi)溫濕度。如此循環(huán)不斷，使 溫濕度值與設(shè)定值保持一致。當(dāng)溫濕度值超過允許的誤差范圍，系統(tǒng)將發(fā)出聲 光報(bào)警，如果有必要，倉管人員還可以根據(jù)實(shí)際的情況通過鍵盤或按鈕來人工 修改片內(nèi)存儲的預(yù)設(shè)值。通過對整個(gè)系統(tǒng)的核心單片機(jī)部分的設(shè)計(jì)，達(dá)到優(yōu)化 控制溫濕度的目標(biāo)。

一）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)： ◆單片機(jī)芯片：.通過比較，選用 AT89C51 單片機(jī)來構(gòu)造本系統(tǒng)。◆A/D 轉(zhuǎn)換器：A/D 轉(zhuǎn)換器采用 8 位串行控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ATC0809?！?溫度傳感器 ：由計(jì)算機(jī)采集“電壓-時(shí)間”的數(shù)據(jù)，以發(fā)揮其實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確 的特點(diǎn)。另外，該器件價(jià)格比較低廉，也完全能滿足糧倉內(nèi)糧食監(jiān)測的需要。◆ 濕度傳感器：該器件具有不需校準(zhǔn)的完全互換性、高度可靠性、長期穩(wěn) 定性、快速響應(yīng)和專利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，適用于線性電壓輸出和頻率輸 出兩種電路，可經(jīng)多路開關(guān)直接輸入到 A/D 轉(zhuǎn)換器。

（二）系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)： ◆測控模塊：檢測各分機(jī)所在糧倉的溫濕度數(shù)據(jù) ◆顯示模塊：溫度采用四位顯示，濕度也采用四位顯示，使測量結(jié)果更直觀，便于管理人員做出決策?！魣?bào)警模塊：系統(tǒng)采用三極管驅(qū)動(dòng)的蜂鳴音報(bào)警，當(dāng)溫濕度嚴(yán)重超標(biāo)或出現(xiàn) 火情、遇盜時(shí)，系統(tǒng)做出聲光報(bào)警，同時(shí)記錄并打印事故出現(xiàn)的時(shí)間、倉號、控 制點(diǎn)等情報(bào)，并能啟動(dòng)適當(dāng)應(yīng)急措施

2.1.4 溫度傳感器的分類及特點(diǎn) 溫度是一個(gè)基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關(guān)。溫度傳感器是最早開發(fā)，應(yīng)用最廣的一類傳感器。溫度傳感器的市場份額 大大超過了其他的傳感器。從 17 世紀(jì)初人們開始利用溫度進(jìn)行測量。在半 導(dǎo)體技術(shù)的支持下，本世紀(jì)相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN 結(jié)溫度傳 感器和集成溫度傳感器。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼 開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體，如在某點(diǎn)互相連接在一起，對這個(gè)連接點(diǎn)加熱，在它們不加熱的部位就會(huì)出現(xiàn)電位差。這個(gè)電位差的數(shù)值與不加熱部位測 8 量點(diǎn)的溫度有關(guān)，和這兩種導(dǎo)體的材質(zhì)有關(guān)。這種現(xiàn)象可以在很寬的溫度 范圍內(nèi)出現(xiàn)，如果精確測量這個(gè)電位差，再測出不加熱部位的環(huán) 境溫度，就可以準(zhǔn)確知道加熱點(diǎn)的溫度。由于它必須有兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體，所以 稱之為“熱電偶”。不同材質(zhì)做出的熱電偶使用于不同的溫度范圍，溫度傳感器 本文溫度傳感器采用了接觸式熱電偶溫度傳感器，根據(jù)前文基礎(chǔ)知可以知道 接觸式熱電偶溫度傳感器具有如下特點(diǎn)： 雖然它靈敏度比較低，容易受到環(huán)境干擾信號的影響，也容易受到前置 放大器溫度漂移的影響，不適合測量微小的溫度變化，但是，由于熱電偶 溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細(xì)無關(guān)，用非常細(xì)的材料也能夠做成溫度 傳感器。也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細(xì)微的測 溫元件有極高的響應(yīng)速度，可以測量快速變化的過程。非接觸式傳感器其 測溫范圍比較大，糧倉測溫不需要這種值度，所以不宜采用，采用接觸式 熱電偶傳感器在糧倉中測溫最適宜。計(jì)算方法有： 溫度測量是建立在熱平衡定律的基礎(chǔ)上的，根據(jù)溫度的不同，可將溫度測 量的方法分為接觸式和非接觸式兩類。由于非接觸式測溫方法是基于物理的熱 輻射能隨溫度變化的原理，用在本系統(tǒng)中不合理，故本系統(tǒng)中我將采用接觸式 測溫計(jì)，其中接觸式測溫計(jì)熱電偶測溫計(jì)和熱電阻測溫計(jì)，由于熱電偶的更適 合本系統(tǒng)的應(yīng)用且課本《檢測技術(shù)及儀表》中關(guān)于這方面的知識比較熟悉，所 以綜上所述，溫度傳感器里將用熱電偶溫度計(jì)。熱電偶溫度計(jì)的可用冷端溫度補(bǔ)償方法：（1）0℃恒溫法（2）計(jì)算修正法；設(shè)計(jì)計(jì)算公式： Eab（t，to）= Eab（t，th）+ Eab（th，to）（3）補(bǔ)償電橋法，本文主要采用補(bǔ)償電橋法測溫

濕度傳感器的分類及特點(diǎn)

1、濕度傳感器的分類 濕度傳感器分為電阻式和電容式兩種，產(chǎn)品的基本形式都是在基片涂覆感濕 材料形成感濕膜?？諝庵械乃羝接诟袧癫牧虾?，元件的阻抗、介質(zhì)常數(shù)發(fā) 生很大的變化，從而制成濕敏元件。

2、濕度傳感器的特性：(1)精度和長期穩(wěn)定性(2)濕度傳感器的溫度系數(shù) 濕敏元件除對環(huán)境濕度敏感外，對溫度亦十分敏感，其溫度系數(shù)一般在 0.2~0.8%RH/℃范圍內(nèi)，而且有的濕敏元件在不同的相對濕度下，其溫度系數(shù)又 有差別。(4)互換性 目前(5)濕度校正 校正濕度要比校正溫度困難得多

濕度傳感器濕度檢測儀的主電路包括：（1）系統(tǒng)時(shí)鐘電路；（2）系統(tǒng)復(fù)位電路；（3）按 鍵電路；（4）顯示電路；（5）電源控制電路；（6）濕度檢測傳輸及 A/D 轉(zhuǎn)換電路 六部分組成。集成濕度傳感器 HS15 的輸出電壓在 1～4V 之間隨濕度呈線性變化，設(shè)計(jì)的 濕度信號采集電路如圖 2.6 所示，該電路測濕范圍為 0%～100%RH。由于該電路 中沒有出現(xiàn)負(fù)壓，電路主體采用差分式減法電路，精密電阻 2.4KΩ，2KΩ，用 這四個(gè)電阻可調(diào)節(jié)增益。通過 HM1500 傳感器測量所得到的濕度電壓信號從 IN 輸 入。HS15 特別適用使用于 10～98%RH 環(huán)境的精確測量，超過上述范圍將不會(huì)對 HS15 穩(wěn)定性造成影響。

溫度傳感器 本文溫度傳感器采用了接觸式熱電偶溫度傳感器，根據(jù)前文基礎(chǔ)知可以知道 接觸式熱電偶溫度傳感器具有如下特點(diǎn)： 雖然它靈敏度比較低，容易受到環(huán)境干擾信號的影響，也容易受到前置 放大器溫度漂移的影響，不適合測量微小的溫度變化，但是，由于熱電偶 溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細(xì)無關(guān)，用非常細(xì)的材料也能夠做成溫度 傳感器。也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細(xì)微的測 溫元件有極高的響應(yīng)速度，可以測量快速變化的過程。非接觸式傳感器其 測溫范圍比較大，糧倉測溫不需要這種值度，所以不宜采用，采用接觸式 熱電偶傳感器在糧倉中測溫最適宜。計(jì)算方法有： 溫度測量是建立在熱平衡定律的基礎(chǔ)上的，根據(jù)溫度的不同，可將溫度測 量的方法分為接觸式和非接觸式兩類。由于非接觸式測溫方法是基于物理的熱 輻射能隨溫度變化的原理，用在本系統(tǒng)中不合理，故本系統(tǒng)中我將采用接觸式 測溫計(jì)，其中接觸式測溫計(jì)熱電偶測溫計(jì)和熱電阻測溫計(jì)，由于熱電偶的更適 合本系統(tǒng)的應(yīng)用且課本《檢測技術(shù)及儀表》中關(guān)于這方面的知識比較熟悉，所 以綜上所述，溫度傳感器里將用熱電偶溫度計(jì)。熱電偶溫度計(jì)的可用冷端溫度補(bǔ)償方法：（1）0℃恒溫法（2）計(jì)算修正法；設(shè)計(jì)計(jì)算公式： Eab（t，to）= Eab（t，th）+ Eab（th，to）（3）補(bǔ)償電橋法，本文主要采用補(bǔ)償電橋法測溫。

糧倉溫室度檢測系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì) 3.1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)需求及總體的思路，設(shè)計(jì)出如下總體框圖： 通過溫室度傳感器在糧倉內(nèi)部某個(gè)面積采集相關(guān)的溫室度數(shù)據(jù)，經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識別的數(shù)字信號，單片機(jī)插上電源后就會(huì)開始 工作，對數(shù)據(jù)進(jìn)行編譯識別，經(jīng)過單片機(jī)數(shù)據(jù)處理后，顯示器將數(shù)字顯示出來，對數(shù)字進(jìn)行比較較真，當(dāng)測得的值大于預(yù)定值則自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警電路，發(fā)出報(bào)警，通知 相關(guān)人員記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

本次設(shè)計(jì)將模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、傳感器技術(shù)和單片機(jī)綜合應(yīng)用到 實(shí)際設(shè)計(jì)中，由溫度集成傳感器 HS15 采集模擬信號經(jīng)放大送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ATC0809 變?yōu)閿?shù)字信號,采用單片機(jī) AT89C51 作為核心控制 CPU，對芯片模數(shù)轉(zhuǎn)換 器 ATC0809 和 LED 驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行編程控制，讀取傳送來的數(shù)字信號，通過單片 機(jī) AT89C51 處理，將濕度信號、溫度信號顯示在四位數(shù)碼管上，采用單片機(jī)輸出 高低電平到光電耦合器，從而實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電的目的，控制風(fēng)機(jī)，加熱器的工 作狀態(tài)。確保糧倉的溫度濕度在控制范圍內(nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

第五篇：大型糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)任務(wù)書(參考)

江 西 理 工 大 學(xué)

本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）任 務(wù) 書

學(xué)院 專業(yè) 級（屆）

班 學(xué)號 學(xué)生

題 目：糧庫溫濕度的檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

專題題目（若無專題則不填）：

原始依據(jù)(包括設(shè)計(jì)（論文）的工作基礎(chǔ)、研究條件、應(yīng)用環(huán)境、工作目的等)：

1、本設(shè)計(jì)的工作基礎(chǔ)：糧庫溫濕度環(huán)境參數(shù)的檢測是糧庫糧情檢測的重要參數(shù)，早期大多采用干濕度表、毛發(fā)濕度計(jì)、雙金屬式測量計(jì)和濕度試紙等人工測試器材，檢測方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低、誤差大。后大部分采用有線的方式，鋪設(shè)大量電纜檢測溫濕度參數(shù)，但對于大型糧庫，存在面積大布局分散布線困難、現(xiàn)場信息分散等問題。采用無線的方式進(jìn)行參數(shù)檢測具有實(shí)時(shí)性高、低成本、低功耗、效率高等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)一套基于無線網(wǎng)絡(luò)的糧庫溫濕度參數(shù)檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集、處理、傳輸和顯示數(shù)據(jù)，對糧庫糧情的檢測具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

2、本設(shè)計(jì)的研究條件: 各種傳感器器件、zigbee無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，射頻芯片、裝有開發(fā)環(huán)境的PC機(jī)，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室等。

3、本設(shè)計(jì)的應(yīng)用環(huán)境:在環(huán)境參數(shù)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測中具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、成本低，功耗低等特點(diǎn)，除了在糧庫參數(shù)檢測中能運(yùn)行之外，在其他應(yīng)用領(lǐng)域具有通用性，例如對于大面積范圍的環(huán)境參數(shù)檢測，農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的實(shí)時(shí)參數(shù)檢測、文物環(huán)境參數(shù)檢測等。

4、工作目的：選擇合適的傳感器對溫濕度要求比較高的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，掌握傳感器的工作原理；同時(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)以無線為傳輸介質(zhì)的實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)對溫濕度的實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)管理和控制。另外，本課題的研究將提高學(xué)生正確使用技術(shù)資料、查閱專業(yè)學(xué)術(shù)期刊、撰寫專業(yè)技術(shù)論文等方面的能力以及提高學(xué)生回答、闡述問題的能力。

主要內(nèi)容和要求：（包括設(shè)計(jì)（研究）內(nèi)容、主要指標(biāo)與技術(shù)參數(shù)，并根據(jù)課題性質(zhì)對學(xué)生提出具體要求）：

研究內(nèi)容：

1、掌握國內(nèi)外糧庫溫濕度的檢測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢；

2、掌握各種參數(shù)檢測的傳感器的工作原理；

3、以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)一套溫濕度的檢測系統(tǒng)的硬件電路；

4、掌握無線通信協(xié)議的原理。

5、根據(jù)功能要求，對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)。

6、在設(shè)計(jì)中，在上位機(jī)軟件如何實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集以及與數(shù)據(jù)庫的連接；同時(shí)對于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)如何進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)管理； 具體要求：

1、在熟悉傳感器工作原理之后，以單片機(jī)為核心，硬件電路設(shè)計(jì)包括控制器模塊、傳感器模塊、電源模塊、顯示模塊、按鍵模塊等等的設(shè)計(jì)；至少能實(shí)現(xiàn)在線模擬仿真，畫出符合要求的原理圖和PCB電路圖；

2、軟件設(shè)計(jì)要求在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，畫出整個(gè)系統(tǒng)的流程圖，選擇合適的編程軟件實(shí)現(xiàn)各模塊功能的要求。

3、傳感器測得的數(shù)據(jù)在上位機(jī)上能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示，與數(shù)據(jù)庫連接，對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲管理和交互；

4、對設(shè)定時(shí)間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)變化曲線顯示；

5、在完成上述功能后，對系統(tǒng)增加報(bào)警系統(tǒng)，設(shè)置上、下限，可以是硬件報(bào)警也能是軟件報(bào)警。日程安排：

整個(gè)設(shè)計(jì)要求在13周內(nèi)完成，具體進(jìn)度安排如下：

第一階段：現(xiàn)場調(diào)研：認(rèn)真收集有關(guān)資料，了解糧庫環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及一些相關(guān)的控制算法。

第二階段：了解系統(tǒng)：了解各傳感器的工作原理和無線傳輸原理。第三階段：提出設(shè)計(jì)方案：在前面兩個(gè)階段的基礎(chǔ)上，提出對整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案，撰寫開題報(bào)告等相關(guān)材料。

第四階段：程序設(shè)計(jì)：根據(jù)系統(tǒng)的整體方案，對整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試。

第五階段：文件編制：撰寫論文初稿，準(zhǔn)備答辯提綱，進(jìn)行答辯。主要參考文獻(xiàn)和書目：

[1] 袁秀英．組態(tài)控制技術(shù)[M]．電子工業(yè)出版社，2007．

[2] 楊寧，黃元峰．微機(jī)控制技術(shù)第二版[M]．高等教育出版社，2005． [3] 周樂挺．傳感器與檢測技術(shù)[M]．高等教育出版社，2005．

[4] 何希才.傳感器技術(shù)及應(yīng)用[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2005.[5] 趙家責(zé).傳感器電路設(shè)計(jì)手冊[M].中國計(jì)量出版社,2002.[6] 王家杰.控制技術(shù)與儀表武[M].漢理工大學(xué)出版社,2002.[7] 龍志文.電力電子技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2006.[8] 潘永雄.新編單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2007.[9] 王忠民.微型計(jì)算機(jī)原理[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2007.[10] 林福宗.多媒體技術(shù)基礎(chǔ)[M].清華大學(xué)出版社，2002.[11] 張子慧.熱工測量與自動(dòng)控制[M].中國建筑工業(yè)出版社,1998.增加近期的期刊

參考文獻(xiàn)增至20個(gè)以上

指導(dǎo)教師（簽字）：

年 月 日

注：本表可自主延伸，各專業(yè)根據(jù)需要調(diào)整。