基于ZigBee的精密仪器实验室温湿度测控系统

第一篇：基于ZigBee的精密仪器实验室温湿度测控系统

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基于ZigBee的精密仪器实验室温湿度测控系统

作者：袁金正 石奋苏

来源：《现代电子技术》2013年第04期

摘 要： 针对精密仪器实验室对温湿度的严格要求，和在控制调节方面的延迟现象，设计了基于ARM和ZigBee的精密仪器实验室温湿度自动测控系统。系统以ZigBee无线传感器网络为温湿度数据来源，以AT91RM9200嵌入式微处理器为中心，使用RS 232C接收接口，通过对GPIO的电压输出控制，从而操纵以继电器为中心的控制电路；系统采用嵌入式Linux为上位机开发平台，使用Qt/E和多线程技术实现了图形用户界面，完成了温湿度的实时显示、查询和设置，根据精密仪器实验室温湿度的变化，系统可以准确地进行自动测控。关键词： 温湿度； ZigBee； GPIO； 精密仪器实验室； RS 232C； 继电器

中图分类号： TN919⁃34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）04⁃0147⁃04

第二篇：基于ZigBee技术的开放性实验室管理系统设计

基于ZigBee技术的开放性实验室管理系统设计

【摘 要】本文基于ZigBee无线网络，结合超高频射频识别（UHF RFID）技术设计出能够通过互联网进行远距离监控的开放性实验室设备管理系统。系统将ZigBee网络与以太网结合，使用RFID完成对实验室现场的监控，能够对实验室设备进行全生命周期的跟踪和定位，实现了对实验室安全的自动化监控，从而有效提高了开放性实验室设备管理的效率和实验室智能化管理水平，满足实验室设备管理和安全管理对实时性和便捷性的要求。

【关键词】开放性实验室；设备管理；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

近年来，为培养学生的创新意识和综合素质，引导学生的自主学习，使学生科技活动大众化、日常化，我院陆续建立了机械设计创新基地、电子信息创新实验室等开放性实验室，为学生自主开展科学研究和科技竞赛活动提供了实验室空间和资源。但与教学型实验室相比，开放性实验室的人员和设备流动性较大，开放时间长，增大了实验室管理人员的设备管理工作量和安全监管难度。因此，如何实现实验室全方位开放和实验室安全高效的管理已成为实验室管理人员亟待解决的重要问题。在此背景下，本文基于ZigBee无线网络，结合超高频射频识别（UHF RFID）技术设计出能够通过互联网进行远距离监控的开放性实验室设备管理系统[12-14]。系统将ZigBee网络与以太网结合，使用RFID完成对实验室现场的监控，能够对实验室设备进行全生命周期的跟踪和定位，实现了对实验室安全的自动化监控，从而有效提高了开放性实验室设备管理的效率和实验室智能化管理水平，满足了实验室设备管理和安全管理对实时性和便捷性的要求。系统总体结构设计

系统由粘贴在设备上的电子标签、ZigBee终端节点（RFID读写器/阅读器）、ZigBee路由节点、ZigBee协调器（ZigBee/Ethernet网关）、应用管理服务器等几部分组成[6]，系统总体结构图如图1所示。

电子标签采用超高频无源射频标签[15]，内部贮存设备的编号、规格型号、维修记录、存放地点、价格等相关信息。终端节点的超高频RFID读写模块读取辐射范围内的电子标签的数据，经由板载的ZigBee射频模块把RFID采集的设备信息发送给ZigBee网关//协调器。终端节点同时接收来自ZigBee协调器的控制信息并传输给RFID读写模块。根据工作方式划分，终端节点又可划分为固定式RFID读写器和手持式RFID读写器两类[5]。其中，固定式RFID读写器分布在各个实验室入口处，主要负责设备出入定位，手持式RFID读写器用于日常设备巡检和电子标签管理。ZigBee网关/协调器安装于ZigBee无线传感网和以太网之间，收集来自各终端节点的数据，并将数据通过以太网传递给以太网中的应用管理服务器。通过网关实现了ZigBee数据包和以太网 TCP / IP数据包的透明传输，用户无需访问无线传感网中的各个终端节点就可以收集相关设备数据。应用管理服务器负责通过以太网接口接收来自ZigBee网关/协调器节点上传输来的设备数据，并保存在服务器中的数据库中。同时服务器通过以太网向ZigBee网关/协调器节点发出用于控制RFID读写模块的命令。另一方面，服务器提供局域网web服务，方便实验室管理人员通过访问服务器查看设备记录数据库[7]。

图1 系统总体结构图系统硬件设计

系统硬件包括ZigBee网关/协调器、ZigBee路由节点、终端节点。

2.1 ZigBee网关/协调器设计

ZigBee网关/协调器由以下部件构成：STM32F107VCT核心板、EMZ3118 ZigBee射频通信板、扩展底板。核心板包括STM32F107VCT微控制器、复位电路、时钟电路和调试电路等，构成微控制器最小系统。EMZ3118射频通信板实现ZigBee网络中协调器节点功能。EMZ3118是上海庆科公司生产的基于STM32W108的嵌入式ZigBee可编程应用模块，提供了ZigBee/IEEE802.15.4兼容的无线解决方案，其发射功率达到100mW，发射距离远，信号稳定，可满足低成本的无线传感网需求。采用该模块降低了使用STM32W108芯片时硬件设计的难度。扩展底板上包含电源电路、以太网接口电路、液晶驱动电路、键盘接口等。

2.1.1 ZigBee通信接口结构

EMZ3118整合了ZigBee射频（RF）前端，带有外部射频功率放大器，最大传输功率输出在-7～20dbm之间可编程，其视野范围内最大传输距离可达1.6km，RF数据速率250kb/s。模块有36个输出引脚，其中有24个GPIO输出端口引脚，4个中断端口引脚，6路12位A/D端口引脚，支持两路串行接口（UART/SPI/I2C）。设计中EMZ3118模块通过SPI接口与STM32F107VCT连接。模块的外部功放是通过STM32F108W的4个引脚来控制，其中PA3口控制外部功放电源，PA6口控制外部功放使能，PC5控制模块发射/接收操作模式，PA7控制输出天线接口类型。

2.1.2 以太网接口电路

网关主控制器STM32F107VCT内部已集成介质访问控制器（MAC），支持 10M/100M 的以太网通信，提供了MII和 RMII两种接口模式。设计中主控芯片需要通过外部物理层接口芯片才能连接到物理层LAN总线。设计中使用DP83848VV，该芯片是TI公司生产的全功能低功耗10M/100M单端口物理层接口芯片。为了简化设计，设计中主控芯片和DP83848VV间采用RMII接口模式，这样RMII数据收发上比MII接口少了一倍的信号线。RMII接口模式下要求的50M总线时钟则由外部有源晶振SM7745DEV提供。网关与外部以太网通信还需要 RJ-45 接口，设计中选用了汉仁公司的网络变压器HR911105A，该网络变压器集成了网络变压器和RJ-45接口，可满足IEEE 802.3的电气隔离要求，解决前端信号因衰减、损耗等原因引起的数据丢包、传输中断等问题，从而有效保障了无失真传输以太网信号，并抑制辐射发射。

2.1.3 人机交互接口电路设计

人机接口包括4个通用彩色LED指示灯，带选择键的 4 向操作杆，通用按键、唤醒键和入侵检测按键，带触摸屏的3.2“TFT 彩色 LCD 显示屏。LCD 显示屏采用AM-240320D4TOQW，内置驱动器ILI9320，分辨率240（RGB）×320像素，可选SPI串行数据接口和18位RGB 并行数据接口。设计中数据接口采用SPI接口，触摸屏的4位数据接口通过外部I/O 扩展芯片STMPE811连接。

2.2 ZigBee终端节点设计

ZigBee终端节点由主控制器、超高频RFID读写单元、ZigBee射频单元、液晶驱动、温湿度传感器、键盘、调试电路等组成。基于成本考虑，终端节点的主控制器采用STM32F103，而ZigBee射频单元和人机交互电路与网关采用相同设计。设计中主控制器通过ZigBee无线接口接收服务器发送的指令并解析，实现对超高频RFID读写单元的控制和操作，同时将超高频RFID读写单元所采集的信息无线传输给服务器。因此，终端节点设计中超高频RFID读写单元是设计中的重点和难点。

2.2.1 超高频RFID射频电路设计[8-9]

RFID射频模块采用超高频RFID读写器专用芯片AS3993[3]。AS3993是奥地利微电子公司最新推出的EPC Class 1 Gen 2 RFID阅读器芯片，实现了完备的RFID功能，可在普通模式下兼容ISO 18000-6C标准，在直接阅读模式下兼容ISO 18000-6A/B标准。该芯片集成度高，集成了模拟前端和底层协议处理，内置压控震荡器（VCO）和最大20dBm功率放大器，接收灵敏度达到90dB，支持跳频、数据底层传输编解码、数据组帧和循环冗余校验，具有低功耗的特点，并且对由天线反射回波等引起的干扰具有免疫效果。这对本文中移动式巡检器和固定式阅读器的设计极其重要。因为在RFID读写器设计中，天线设计经常遭受成本或尺寸限制。高灵敏度可使RFID读写器设计在达到自身要求的同时，可以使用更简单和便宜的天线，从而降低了系统成本和设计难度。本文设计中把以AS3993为核心的阅读器模拟前端设计成模块，这样模块可以很方便的与控制器STM32F103通过SPI接口实现数据交互。

2.2.2 传感器电路设计

终端节点的温湿度传感器和光强传感器用于检测实验室的环境参数。设计中温湿度传感器采用SHT11，其内置14位AD，串行数字输出，相对湿度精度达到±3RH，温度测量精度±0.4℃，使用中采用I2C接口与控制器通讯。光强传感器采用TAOS公司的TSL256x。TSL256x提供了I2C接口和中断输出接口，可编程设置光强度上下阀值，其模拟增益和数字输出可程控控制，适用于实验室光照控制和安全照明的应用。ZigBee无线组网策略[11]

ZigBee有星型（Star）、树型（Cluster Tree）和网状（Mesh）三种组网方式。考虑到各个开放实验室分布在同一楼层的不同房间，覆盖面广，并且距离相距较远，需要ZigBee网络能够覆盖整个楼层，并具有较远的通信距离，同时要求ZigBee具有较高的可靠性和健壮性。综合考虑三种组网方式的优缺点，设计中采用网状拓扑结构组网。各个安装在实验室出入口的固定式阅读器的ZigBee节点全部作为全功能设备，与分布在实验室内的各路由节点组成的的网状拓扑结构覆盖了整个楼层，提高了网络的可靠性和覆盖范围，便于移动式巡检器在整个楼层范围内的可靠有效工作。系统软件设计

4.1 网关软件设计

网关软件采用uCOS-II嵌入式实时操作系统，主要包括系统和外围模块底层驱动、网关应用层协议和应用程序设计等部分。根据网关的功能需求，应用程序划分为系统驱动和控制任务、文件管理任务、人机交互任务、Zigbee组网任务、WSN通信交互任务、以太网通信交互任务、协议转换任务等，由uCOS-II内核统一调度管理。

4.2 终端节点软件设计

第三篇：中央空调监控系统温湿度控制（范文模版）

中央空调监控系统温湿度控制的分析 引 言

楼宇自动化系统是智能建筑的一个重要组成部分。楼宇自动化系统的功能就是对大厦内的各种机电设施，包括中央空调、给排水、变配电、照明、电梯、消防、安全防范等进行全面的计算机监控管理。其中，中央空调的能耗占整个建筑能耗的50%以上，是楼宇自动化系统节能的重点[1]。

由于中央空调系统十分庞大，反应速度较慢、滞后现象较为严重，现阶段中央空调监控系统几乎都采用传统的控制技术，对于工况及环境变化的适应性差，控制惯性较大，节能效果不理想。传统控制技术存在的问题主要是难以解决各种不确定性因素对空调系统温湿度影响及控制品质不够理想。而智能控制特别适用于对那些具有复杂性、不完全性、模糊性、不确定性、不存在已知算法和变动性大的系统的控制。

“绿色建筑”主要强调的是：环保、节能、资源和材料的有效利用，特别是对空气的温度、湿度、通风以及洁净度的要求，因此，空调系统的应用越来越广泛。空调控制系统涉及面广，而要实现的任务比较复杂，需要有冷、热源的支持。空调机组内有大功率的风机，但它的能耗很大。在满足用户对空气环境要求的前提下，只有采用先进的控制策略对空调系统进行控制，才能达到节约能源和降低运行费用的目的。以下将从控制策略角度对与监控系统相关的问题作简要讨论。空调系统的基本结构及工作原理 空调系统结构组成一般包括以下几部分：(1)新风部分

空调系统在运行过程中必须采集部分室外的新鲜空气(即新风)，这部分新风必须满足室内工作人员所需要的最小新鲜空气量，因此空调系统的新风取入量决定于空调系统的服务用途和卫生要求。新风的导入口一般设在周围不受污染影响的地方。这些新风的导入口和空调系统的新风管道以及新风的滤尘装置(新风空气过滤器)、新风预热器(又称为空调系统的一次加热器)共同组成了空调系统的新风系统。

(2)空气的净化部分

空调系统根据其用途不同，对空气的净化处理方式也不同。因此，在空调净化系统中有设置一级初效空气过滤器的简单净化系统，也有设置一级初效空气过滤器和一级中效空气过滤器的一般净化系统，另外还有设置一级初效空气过滤器，一级中效空气过滤器和一级高效空气过滤器的三级过滤装置的高净化系统。

(3)空气的热、湿处理部分

对空气进行加热、加湿和降温、去湿，将有关的处理过程组合在一起，称为空调系统的热、湿处理部分。

在对空气进行热、湿处理过程中，采用表面式空气换热器(在表面式换热器内通过热水或水蒸气的称为表面式空气加热器，简称为空气的汽水加热器)。设置在系统的新风入口，一次回风之前的空气加热器称为空气的一次加热器;设置在降温去湿之后的空气加热器，称为空气的二次加热器;设置在空调房间送风口之前的空气加热器，称为空气的三次加热器。三次空气加热器主要起调节空调房间内温度的作用，常用的热媒为热水或电加热。在表面式换热器内通过低温冷水或制冷剂的称为水冷式表面冷却器或直接蒸发式表面冷却器，也有采用喷淋冷水或热水的喷水室，此外也有采用直接喷水蒸汽的处理方法来实现空气的热、湿处理过程。

(4)空气的输送和分配、控制部分

空调系统中的风机和送、回风管道称为空气的输送部分。风管中的调节风阀、蝶阀、防火阀、启动阀及风口等称为空气的分配、控制部分。根据空调系统中空气阻力的不同，设置风机的数量也不同，如果空调系统中设置一台风机，该风机既起送风作用，又起回风作用的称为单风机系统;如果空调系统中设置两台风机，一台为送风机，另一台为回风机，则称为双风机系统。

(5)空调系统的冷、热源

空调系统中所使用的冷源一般分为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来获得的，它包括蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷以及蒸汽喷射式制冷等多种形式。现代化的大型建筑中通常都采用集中式空调系统，这种形式的结构示意图如图1所示。

其工作原理是当环境温度过高时，空调系统通过循环方式把室内的热量带走，以使室内温度维持于一定值。当循环空气通过风机盘管时，高温空气经过冷却盘管的铝金属先进行热交换，盘管的铝片吸收了空气中的热量，使空气温度降低，然后再将冷冻后的循环空气送入室内。冷却盘管的冷冻水由冷却机提供，冷却机由压缩机、冷凝器和蒸发器组成。压缩机把制冷剂压缩，经压缩的制冷剂进入冷凝器，被冷却水冷却后，变成液体，析出的热量由冷却水带走，并在冷却塔里排入大气。液体制冷剂由冷凝器进入蒸发器进行蒸发吸热，使冷冻水降温，然后冷冻水进入水冷风机盘管吸收空气中的热量，如此周而复始，循环不断，把室内热量带走。当环境温度过低时，需要以热水进入风机盘管，和上述原理一样，空气加热后送入室内。空气经过冷却后，有水分析出，空气相对湿度减少，变的干燥，所以需增加湿度，这就要加装加湿器，进行喷水或喷蒸汽，对空气进行加湿处理，用这样的湿空气去补充室内水汽量的不足。中央空调自动控制系统 3.1 中央空调自动控制的内容与被控参数

中央空调系统由空气加热、冷却、加湿、去湿、空气净化、风量调节设备以及空调用冷、热源等设备组成。这些设备的容量是设计容量，但在日常运行中的实际负荷在大部分时间里是部分负荷，不会达到设计容量。所以，为了舒适和节能，必须对上述设备进行实时控制，使其实际输出量与实际负荷相适应。目前，对其容量控制已实现不同程度的自动化，其内容也日渐丰富。被控参数主要有空气的温度、湿度、压力(压差)以及空气清新度、气流方向等，在冷、热源方面主要是冷、热水温度，蒸汽压力。有时还需要测量、控制供回水干管的压力差，测量供回水温度以及回水流量等。在对这些参数进行控制的同时，还要对主要参数进行指示、记录、打印，并监测各机电设备的运行状态及事故状态、报警。

中央空调设备主要具有以下自控系统：风机盘管控制系统、新风机组控制系统、空调机组控制系统、冷冻站控制系统、热交换站控制系统以及有关给排水控制系统等。

3.2 中央空调自动控制的功能(1)创造舒适宜人的生活与工作环境

·对室内空气的温度、相对湿度、清新度等加以自动控制，保持空气的最佳品质;·具有防噪音措施(采用低噪音机器设备);·可以在建筑物自动化系统中开放背景轻音乐等。

通过中央空调自动控制系统，能够使人们生活、工作在这种环境中，心情舒畅，从而能大大提高工作效率。而对工艺性空调而言，可提供生产工艺所需的空气的温度、湿度、洁净度的条件，从而保证产品的质量。

(2)节约能源

在建筑物的电器设备中，中央空调的能耗是最大的，因此需要对这类电器设备进行节能控制。中央空调采用自动控制系统后，能够大大节约能源。

(3)创造了安全可靠的生产条件

自动监测与安全系统，使中央空调系统能够正常工作，在发现故障时能及时报警并进行事故处理。

3.3 中央空调自动控制系统的基本组成

图2为一室温的自动控制系统。它是由恒温室、热水加热器、传感器、调节器、执行器机构和(调节阀)调节机构组成。其中恒温室和热水加热器组成调节对象(简称对象)，所谓调节对象是指被调参数按照给定的规律变化的房间、设备、器械、容器等。图2所示的室温自动调节系统也可以用图3所示的方块图来表示。室温就是室内要求的温度参数，在自动调节系统中称为被调参数(或被调量)，用θa表示。在室温调节系统中，被调参数就是对象的输出信号。被调参数规定的数值称为给定值(或设定值)，用θg表示。室外温度的变化，室内热源的变化，加热器送风温度的变化，以及热水温度的变化等，都会使室内温度发生变化，从而室内温度的实际值与给定值之间产生偏差。

这些引起室内温度偏差的外界因素，在调节系统中称为干扰(或称为扰动)，用f表示。在该系统中，导致室温变化的另一个因素是加热器内热水流量的变化，这一变化往往是热水温度或热水流量的变化引起的，热水流量的变化是由于控制系统的执行机构—调节阀的开度变化所引起的，是自动调节系统用于补偿干扰的作用使被调量保持在给定值上的调节参数，或称调节量q。调节量q和干扰f对对象的作用方向是相反的。

4、中央空调系统控制中存在的问题

4.1 被控对象的特点

空调系统中的控制对象多属热工对象，从控制角度分析，具有以下特点[3]：(1)多干扰性

例如，通过窗户进来的太阳辐射热是时间的函数，受气象条件的影响;室外空气温度通过围护结构对室温产生影响;通过门、窗、建筑缝隙侵入的室外空气对室温产生影响;为了换气(或保持室内一定正压)所采用的新风，其温度变化对室温有直接影响。此外，电加热器(空气加热器)电源电压的波动以及热水加热器热水压力、温度、蒸汽压力的波动等，都将影响室温。

如此多的干扰，使空调负荷在较大范围内变化，而它们进入系统的位置、形式、幅值大小和频繁程度等，均随建筑的构造(建筑热工性能)、用途的不同而异，更与空调技术本身有关。在设计空调系统时应考虑到尽量减少干扰或采取抗干扰措施。因此，可以说空调工程是建立在建筑热工、空调技术和自控技术基础上的一种综合工程技术。

(2)多工况性

空调技术中对空气的处理过程具有很强的季节性。一年中，至少要分为冬季、过渡季和夏季。近年来，由于集散型系统在空调系统中的应用，为多工况的空调应用创造了良好的条件。由于空调运行制度的多样化，使运行管理和自动控制设备趋于复杂。因此，要求操作人员必须严格按照包括节能技术措施在内的设计要求进行操作和维护，不得随意改变运行程序和拆改系统中的设备。

(3)温、湿度相关性

描述空气状态的两个主要参数为温度和湿度，它们并不是完全独立的两个变量。当相对湿度发生变化时会引起加湿(或减湿)动作，其结果将引起室温波动;而室温变化时，使室内空气中水蒸气的饱和压力变化，在绝对含湿量不变的情况下，就直接改变了相对湿度(温度增高相对湿度减少，温度降低相对湿度增加)。这种相对关联着的参数称为相关参数。显然，在对温、湿度都有要求的空调系统中，组成自控系统时应充分注意这一特性。

4.2 控制中存在的主要问题

目前中央空调系统主要采用的控制方式是pid控制，即采用测温元件(温感器)+pid温度调节器+电动二通调节阀的pid调节方式。夏季调节表冷器冷水管上的电动调节阀，冬季调节加热器热水管上的电动调节阀，由调节阀的开度大小实现冷(热)水量的调节，达到温度控制的目的。为方便管理，简化控制过程，把温度传感器设于空调机组的总回风管道中，由于回风温度与室温有所差别，其回风控制的温度设定值，在夏季应比要求的室温高(0.5～1.0)℃，在冬季应比要求的室温低(0.5～1.0)℃。

pid调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，将其运算结果用于控制输出。现场监控站监测空调机组的工作状态对象有：过滤器阻塞(压力差)，过滤器阻塞时报警，以了解过滤器是否需要更换;调节冷热水阀门的开度，以达到调节室内温度的目的;送风机与回风机启/停;调节新风、回风与排风阀的开度，改变新风、回风比例，在保证卫生度要求下降低能耗，以节约运行费用;检测回风机和送风机两侧的压差，以便得知风机的工作状态;检测新风、回风与送风的温度、湿度，由于回风能近似反映被调对象的平均状态，故以回风温湿度为控制参数。

根据设定的空调机组工作参数与上述监测的状态数据，现场控制站控制送、回风机的启/停，新风与回风的比例调节，盘管冷、热水的流量，以保证空调区域内空气的温度与湿度既能在设定范围内满足舒适性要求，同时也能使空调机组以较低的能量消耗方式运行。pid调节能满足对环境要求不高的一般场所，但是pid调节同样存在一些不足，如控制容易产生超调，对于工况及环境变化的适应性差，控制惯性较大，节能效果也不理想，所以对于环境要求较高或者对环境有特殊要求的场所，pid调节就无法满足要求了。

对于像中央空调系统这样的大型复杂过程(或对象)的控制实现，一般是按某种准则在低层把其分解为若干子系统实施控制，在上层协调各子系统之间的性能指标，使得集成后的整个系统处于某种意义下的优化状态。在控制中存在问题主要表现在：(1)不确定性

传统控制是基于数学模型的控制，即认为控制、对象和干扰的模型是已知的或者通过辩识可以得到的。但复杂系统中的很多控制问题具有不确定性，甚至会发生突变。对于“未知”、不确定、或者知之甚少的控制问题，用传统方法难以建模，因而难以实现有效的控制。

(2)高度非线性

传统控制理论中，对于具有高度非线性的控制对象，虽然也有一些非线性方法可以利用，但总体上看，非线性理论远不如线性理论成熟，因方法过分复杂在工程上难以广泛应用，而在复杂的系统中有大量的非线性问题存在。

(3)半结构化与非结构化

传统控制理论主要采用微分方程、状态方程以及各种数学变换作为研究工具，其本质是一种数值计算方法，属定量控制范畴，要求控制问题结构化程度高，易于用定量数学方法进行描述或建模。而复杂系统中最关注的和需要支持的，有时恰恰是半结构化与非结构化问题。

(4)系统复杂性

按系统工程观点，广义的对象应包括通常意义下的操作对象和所处的环境。而复杂系统中各子系统之间关系错综复杂，各要素间高度耦合，互相制约，外部环境又极其复杂，有时甚至变化莫测。传统控制缺乏有效的解决方法。

(5)可靠性

常规的基于数学模型的控制方法倾向于是一个相互依赖的整体，尽管基于这种方法的系统经常存在鲁棒性与灵敏度之间的矛盾，但简单系统的控制可靠性问题并不突出。而对复杂系统，如果采用上述方法，则可能由于条件的改变使得整个控制系统崩溃。

归纳上述问题，复杂对象(过程)表现出如下的特性： ·系统参数的未知性、时变性、随机性和分散性;·系统时滞的未知性和时变性;·系统严重的非线性;·系统各变量间的关联性;·环境干扰的未知性、多样性和随机性。

面对上述空调系统的特性，因其属于不确定性复杂对象(或过程)的控制范畴，传统的控制方法难以对这类对象进行有效的控制，必须探索更有效的控制策略。控制策略的选取

对于复杂的不确定性系统而言，由于被控对象(过程)的特性难于用精确的数学模型描述。用传统的基于经典控制理论的pid控制和基于状态空间描述的近代控制理论方法来实现对被控对象的高动静态品质的控制是非常困难的，一般都采用黑箱法，即输入输出描述法对控制系统进行分析设计，大量引入人的能量与智慧、经验与技巧。控制器是用基于数学模型和知识系统相结合的广义模型进行设计的，也就是说对不确定性复杂系统的控制一般采用智能控制策略[5]。这类控制系统具有以下基本特点：

(1)具有足够的关于人的控制策略、被控对象及环境的有关知识以及运用这些知识的“智慧”;

(2)是能以知识表示的非数学广义模型和以数学描述表示的混合过程，采用开闭环控制和定性及定量控制相结合的多模态控制方式;

(3)具有变结构特点，能总体自寻优，具有自适应、自组织、自学习和自协调能力;

(4)具有补偿和自修复能力、判断决策能力和高度的可靠性。

智能控制策略的突出优点是充分利用人的控制性能，信息获取、传递、处理性能的研究结果和心理、生理测试数据，建立控制者—“人”环节的模型，以便与被控制对象—机器的模型相互配合，设计人机系统，为系统分析设计提供灵活性。例如，当建立被控制对象模型很困难时，可以建立控制者模型，如建立控制专家模型、设计专家控制器等;当建立控制者模型很困难时，可以建立被控制对象模型;而设计被控对象模型有困难时，又可建立“控制者—被控制对象”的联合模型，即控制论系统模型，如“人—人”控制论系统的对策论模型。

由于现代传感变换检测技术和计算机硬件相关技术的发展基本上已经妥善地解决了控制系统中的硬件问题，难点在于信息的处理和信息流的控制，因此其控制目标的实现和控制功能的完成往往采用全软件方式。不同的控制策略所构造出的算法其复杂程度、鲁棒性、解耦性能等差别是很大的，在技术实现上软硬件资源成本也不同，人们期待的是成本最低的控制策略，在这方面仿人智能控制[6]策略具有其独特的优势。仿人智能控制是总结、模仿人的控制经验和行为，以产生式规则描述人在控制方面的启发与直觉推理行为，其基本特点是模仿控制专家的控制行为，控制算法是多模态的和多模态控制间的交替使用，并具有较好的解耦性能和很强的鲁棒性。从复杂系统控制工程实践的经验看，选取仿人智能控制策略还是明智之举。除了仿人智能控制策略，还有模糊控制策略、专家系统控制策略等。工程实现与监控信息平台的选择

大型复杂系统控制的工程实现中除了低层的ddc控制外，由于各子系统需要结集协调，有大量的信息需要实时处理和存储。从控制论层次考虑，无论管理信息还是控制信息，控制的本质都是对信息流的控制和信息的处理，因此信息平台的选取是至关重要的，应从系统工程角度妥善处理工程实现问题，既要使建设系统的软硬件成本最低，又要考虑系统运行维护升级换代及扩展与发展的长期效益，对系统进行优化配置，保证系统的长期可靠稳定运行。硬件固然是控制系统实现的基础，但在大型复杂系统控制中强调的应不再是硬件，如传感装置、仪器仪表、传动装置、执行机构等，应改变某些由于技术背景等原因造成的轻视软件重硬件的倾向，避免因信息平台选取不当而形成大量的自动化“孤岛”，给企业的信息化留下隐患，使大量的宝贵信息资源沉淀、流失。

目前市场上可供使用的国内外工业控制组态软件不少，但用于大型复杂系统未必都那么合适。事实上，各软件厂商在设计系统时各有侧重，实现技术与设计方案也各有自己的鲜明特点，都是为了解决自动化控制问题提供手段与方案，但解决问题的深度和广度是有较大差别的，这正是设计中有待解决的问题。结束语 由于中央空调系统在楼宇自动化系统节能中占据的特殊地位，显示出了对中央空调系统控制模式进行研究的重要意义。本文针对该系统温、湿控制问题进行了较为详细地分析，并介绍了智能控制策略的突出优点，为同类系统的设计提供了有益的帮助。

第四篇：粮仓温湿度检测系统的设计

粮仓温湿度检测系统的设计

我国是一个人口众多的大国, 科学 储粮是保障人民粮食供应, 促进社会安定的大事, 粮仓温度的监测在科学储粮 中占有重要地位[1]。在大多数粮食存储企业, 目前仍主要靠人工检测粮仓温度。由于粮库占地面积大，粮仓分散，仓内温度测试点多，因而人工监测工作量大，效率低，检测周期长，容易漏检，而且测量器件损坏率高，测试精度难以保证。

粮仓温室度检测技术的发展现状随着微型计算机和传感器技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变 化，仓库的温度和湿度自动监测控制方面的研究有了明显的进展。粮仓温室度检测技术的发展现状随着微型计算机和传感器技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变 化，仓库的温度和湿度自动监测控制方面的研究有了明显的进展。

粮食温度是 能否保证粮食安全储存的重要指标之一,只有及时,准确地测得粮堆各层面的粮 温数据,并根据检测的温度数据对粮食储存情况进行分析,作出决策,采取措施, 最大限度的减少粮食在储存过程中的损失。正目前,粮库中的温湿度检测,基本上是人工检测,劳动强度大,繁琐,由于 检测报警不及时,造成库储粮食损失的现象时有发生,于是,设计并研制性能价 格比较高的粮库温湿度自动检测系统迫在眉睫。由于大型粮库分布广、储量大，粮库的管理和监测难度大，基于粮库粮情检测系统上的计算机管理软件的设 计，由每个粮仓中配置的下位机将粮情数据通过无线数传模块发送给上位机，上位机将下位机的数据以曲线和表格的形式表示出来，清晰直观地显示出各仓 内温湿度状况，由上位机对粮仓进行监视，管理人员在控制室就可以看到实时 粮情数据，对粮情数据进行分析，实现粮仓管理自动化、智能化。

系统的数据采集 部分是将温湿度传感器置于仓库内部，测出仓内的温湿度值，经过放大、A/D 3 粮仓温湿度检测系统的设计 转换为数字量之后送入 AT89C51 单片机中，然后通过 8 位 LED 显示，单片机 将预设的参考值与测量值进行比较，根据比较结果作出判断，经过程序分析处 理发送相应指令控制执行机构动作，接通或关闭各种执行机构的继电器，进而 控制干燥机、空调和风机等设备，以此来调节仓内温湿度。如此循环不断，使 温湿度值与设定值保持一致。当温湿度值超过允许的误差范围，系统将发出声 光报警，如果有必要，仓管人员还可以根据实际的情况通过键盘或按钮来人工 修改片内存储的预设值。通过对整个系统的核心单片机部分的设计，达到优化 控制温湿度的目标。

一）系统硬件设计： ◆单片机芯片：.通过比较，选用 AT89C51 单片机来构造本系统。◆A/D 转换器：A/D 转换器采用 8 位串行控制模数转换器 ATC0809。◆ 温度传感器 ：由计算机采集“电压-时间”的数据，以发挥其实时和准确 的特点。另外，该器件价格比较低廉，也完全能满足粮仓内粮食监测的需要。◆ 湿度传感器：该器件具有不需校准的完全互换性、高度可靠性、长期稳 定性、快速响应和专利设计的固态聚合物结构，适用于线性电压输出和频率输 出两种电路，可经多路开关直接输入到 A/D 转换器。

（二）系统模块设计： ◆测控模块：检测各分机所在粮仓的温湿度数据 ◆显示模块：温度采用四位显示，湿度也采用四位显示，使测量结果更直观，便于管理人员做出决策。◆报警模块：系统采用三极管驱动的蜂鸣音报警，当温湿度严重超标或出现 火情、遇盗时，系统做出声光报警，同时记录并打印事故出现的时间、仓号、控 制点等情报，并能启动适当应急措施

2.1.4 温度传感器的分类及特点 温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。温度传感器的市场份额 大大超过了其他的传感器。从 17 世纪初人们开始利用温度进行测量。在半 导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN 结温度传 感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继 开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。两种不同材质的导体，如在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部位测 8 量点的温度有关，和这两种导体的材质有关。这种现象可以在很宽的温度 范围内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环 境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以 称之为“热电偶”。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，温度传感器 本文温度传感器采用了接触式热电偶温度传感器，根据前文基础知可以知道 接触式热电偶温度传感器具有如下特点： 虽然它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置 放大器温度漂移的影响，不适合测量微小的温度变化，但是，由于热电偶 温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度 传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测 温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。非接触式传感器其 测温范围比较大，粮仓测温不需要这种值度，所以不宜采用，采用接触式 热电偶传感器在粮仓中测温最适宜。计算方法有： 温度测量是建立在热平衡定律的基础上的，根据温度的不同，可将温度测 量的方法分为接触式和非接触式两类。由于非接触式测温方法是基于物理的热 辐射能随温度变化的原理，用在本系统中不合理，故本系统中我将采用接触式 测温计，其中接触式测温计热电偶测温计和热电阻测温计，由于热电偶的更适 合本系统的应用且课本《检测技术及仪表》中关于这方面的知识比较熟悉，所 以综上所述，温度传感器里将用热电偶温度计。热电偶温度计的可用冷端温度补偿方法：（1）0℃恒温法（2）计算修正法；设计计算公式： Eab（t，to）= Eab（t，th）+ Eab（th，to）（3）补偿电桥法，本文主要采用补偿电桥法测温

湿度传感器的分类及特点

1、湿度传感器的分类 湿度传感器分为电阻式和电容式两种，产品的基本形式都是在基片涂覆感湿 材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发 生很大的变化，从而制成湿敏元件。

2、湿度传感器的特性：(1)精度和长期稳定性(2)湿度传感器的温度系数 湿敏元件除对环境湿度敏感外，对温度亦十分敏感，其温度系数一般在 0.2~0.8%RH/℃范围内，而且有的湿敏元件在不同的相对湿度下，其温度系数又 有差别。(4)互换性 目前(5)湿度校正 校正湿度要比校正温度困难得多

湿度传感器湿度检测仪的主电路包括：（1）系统时钟电路；（2）系统复位电路；（3）按 键电路；（4）显示电路；（5）电源控制电路；（6）湿度检测传输及 A/D 转换电路 六部分组成。集成湿度传感器 HS15 的输出电压在 1～4V 之间随湿度呈线性变化，设计的 湿度信号采集电路如图 2.6 所示，该电路测湿范围为 0%～100%RH。由于该电路 中没有出现负压，电路主体采用差分式减法电路，精密电阻 2.4KΩ，2KΩ，用 这四个电阻可调节增益。通过 HM1500 传感器测量所得到的湿度电压信号从 IN 输 入。HS15 特别适用使用于 10～98%RH 环境的精确测量，超过上述范围将不会对 HS15 稳定性造成影响。

温度传感器 本文温度传感器采用了接触式热电偶温度传感器，根据前文基础知可以知道 接触式热电偶温度传感器具有如下特点： 虽然它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置 放大器温度漂移的影响，不适合测量微小的温度变化，但是，由于热电偶 温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度 传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测 温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。非接触式传感器其 测温范围比较大，粮仓测温不需要这种值度，所以不宜采用，采用接触式 热电偶传感器在粮仓中测温最适宜。计算方法有： 温度测量是建立在热平衡定律的基础上的，根据温度的不同，可将温度测 量的方法分为接触式和非接触式两类。由于非接触式测温方法是基于物理的热 辐射能随温度变化的原理，用在本系统中不合理，故本系统中我将采用接触式 测温计，其中接触式测温计热电偶测温计和热电阻测温计，由于热电偶的更适 合本系统的应用且课本《检测技术及仪表》中关于这方面的知识比较熟悉，所 以综上所述，温度传感器里将用热电偶温度计。热电偶温度计的可用冷端温度补偿方法：（1）0℃恒温法（2）计算修正法；设计计算公式： Eab（t，to）= Eab（t，th）+ Eab（th，to）（3）补偿电桥法，本文主要采用补偿电桥法测温。

粮仓温室度检测系统的具体设计 3.1 设计结构根据系统需求及总体的思路，设计出如下总体框图： 通过温室度传感器在粮仓内部某个面积采集相关的温室度数据，经过 A/D 转换器将模拟信号转换为单片机可识别的数字信号，单片机插上电源后就会开始 工作，对数据进行编译识别，经过单片机数据处理后，显示器将数字显示出来，对数字进行比较较真，当测得的值大于预定值则自动启动报警电路，发出报警，通知 相关人员记录相关数据。

本次设计将模拟电子技术、数字电子技术、传感器技术和单片机综合应用到 实际设计中，由温度集成传感器 HS15 采集模拟信号经放大送到模数转换器 ATC0809 变为数字信号,采用单片机 AT89C51 作为核心控制 CPU，对芯片模数转换 器 ATC0809 和 LED 驱动芯片进行编程控制，读取传送来的数字信号，通过单片 机 AT89C51 处理，将湿度信号、温度信号显示在四位数码管上，采用单片机输出 高低电平到光电耦合器，从而实现弱电控制强电的目的，控制风机，加热器的工 作状态。确保粮仓的温度湿度在控制范围内，达到设计的要求。

第五篇：大型粮仓温湿度监控系统任务书(参考)

江 西 理 工 大 学

本 科 毕 业 设 计（论文）任 务 书

学院 专业 级（届）

班 学号 学生

题 目：粮库温湿度的检测系统设计

专题题目（若无专题则不填）：

原始依据(包括设计（论文）的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等)：

1、本设计的工作基础：粮库温湿度环境参数的检测是粮库粮情检测的重要参数，早期大多采用干湿度表、毛发湿度计、双金属式测量计和湿度试纸等人工测试器材，检测方法费时费力、效率低、误差大。后大部分采用有线的方式，铺设大量电缆检测温湿度参数，但对于大型粮库，存在面积大布局分散布线困难、现场信息分散等问题。采用无线的方式进行参数检测具有实时性高、低成本、低功耗、效率高等特点。设计一套基于无线网络的粮库温湿度参数检测系统，实现实时采集、处理、传输和显示数据，对粮库粮情的检测具有重要的应用价值。

2、本设计的研究条件: 各种传感器器件、zigbee无线数据传输模块，射频芯片、装有开发环境的PC机，单片机实验室、物联网实验室等。

3、本设计的应用环境:在环境参数的在线实时监测中具有广泛应用价值。系统具有结构简单、实时性强、成本低，功耗低等特点，除了在粮库参数检测中能运行之外，在其他应用领域具有通用性，例如对于大面积范围的环境参数检测，农业大棚内的实时参数检测、文物环境参数检测等。

4、工作目的：选择合适的传感器对温湿度要求比较高的应用环境进行实时监测，掌握传感器的工作原理；同时，设计一个以无线为传输介质的实时检测系统，包括硬件设计和软件设计，主要实现对温湿度的实时显示、数据管理和控制。另外，本课题的研究将提高学生正确使用技术资料、查阅专业学术期刊、撰写专业技术论文等方面的能力以及提高学生回答、阐述问题的能力。

主要内容和要求：（包括设计（研究）内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求）：

研究内容：

1、掌握国内外粮库温湿度的检测系统的研究现状及发展趋势；

2、掌握各种参数检测的传感器的工作原理；

3、以单片机为核心，设计一套温湿度的检测系统的硬件电路；

4、掌握无线通信协议的原理。

5、根据功能要求，对系统实现软件设计。

6、在设计中，在上位机软件如何实现实时数据采集以及与数据库的连接；同时对于实时数据如何进行实时显示和数据管理； 具体要求：

1、在熟悉传感器工作原理之后，以单片机为核心，硬件电路设计包括控制器模块、传感器模块、电源模块、显示模块、按键模块等等的设计；至少能实现在线模拟仿真，画出符合要求的原理图和PCB电路图；

2、软件设计要求在硬件设计的基础上，画出整个系统的流程图，选择合适的编程软件实现各模块功能的要求。

3、传感器测得的数据在上位机上能实现实时显示，与数据库连接，对历史数据进行存储管理和交互；

4、对设定时间内采集的数据进行实时变化曲线显示；

5、在完成上述功能后，对系统增加报警系统，设置上、下限，可以是硬件报警也能是软件报警。日程安排：

整个设计要求在13周内完成，具体进度安排如下：

第一阶段：现场调研：认真收集有关资料，了解粮库环境参数检测系统的研究现状及一些相关的控制算法。

第二阶段：了解系统：了解各传感器的工作原理和无线传输原理。第三阶段：提出设计方案：在前面两个阶段的基础上，提出对整个系统的实现设计方案，撰写开题报告等相关材料。

第四阶段：程序设计：根据系统的整体方案，对整个系统的硬件设计和软件设计、调试。

第五阶段：文件编制：撰写论文初稿，准备答辩提纲，进行答辩。主要参考文献和书目：

[1] 袁秀英．组态控制技术[M]．电子工业出版社，2007．

[2] 杨宁，黄元峰．微机控制技术第二版[M]．高等教育出版社，2005． [3] 周乐挺．传感器与检测技术[M]．高等教育出版社，2005．

[4] 何希才.传感器技术及应用[M].北京航空航天大学出版社,2005.[5] 赵家责.传感器电路设计手册[M].中国计量出版社,2002.[6] 王家杰.控制技术与仪表武[M].汉理工大学出版社,2002.[7] 龙志文.电力电子技术[M].机械工业出版社,2006.[8] 潘永雄.新编单片机原理与应用[M].西安电子科技大学出版社,2007.[9] 王忠民.微型计算机原理[M].西安电子科技大学出版社,2007.[10] 林福宗.多媒体技术基础[M].清华大学出版社，2002.[11] 张子慧.热工测量与自动控制[M].中国建筑工业出版社,1998.增加近期的期刊

参考文献增至20个以上

指导教师（签字）：

年 月 日

注：本表可自主延伸，各专业根据需要调整。