基于多數(shù)據(jù)融合傳感器的分布式溫度控制系統(tǒng)
2013-06-04 07:09:12俞丹文熊紅斌
俞丹文 熊紅斌
【摘 要】在過去的幾十年里，溫度控制系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應用。溫度控制提出了一種基于多傳感器數(shù)據(jù)融合和CAN總線控制的一般結(jié)構。這種新方法是基于分布式溫度控制系統(tǒng)，多傳感器數(shù)據(jù)融合估計算法參數(shù)。在此系統(tǒng)中的一個重要特征是常見的，大的用于溫度控制的許多特殊領域。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有精度高，可靠性，良好的實時性和廣泛的應用前景。
【關鍵詞】分布式控制系統(tǒng)；CAN總線控制；智能CAN節(jié)點；多傳感器數(shù)據(jù)融合
0.引言
分布式溫度控制系統(tǒng)已廣泛應用于我們的日常生活和生產(chǎn)中，包括智能建筑，溫室，恒溫車間，大型和中型糧倉，倉庫。這樣的系統(tǒng)，以確保兩者之間的預先設定的極限溫度可以保持環(huán)境溫度。在傳統(tǒng)的溫度測量系統(tǒng)，我們已經(jīng)建立了一個網(wǎng)絡，通過RS - 485總線使用單芯片的溫度傳感器測量系統(tǒng)。借助網(wǎng)絡，我們就可以進行集中監(jiān)視和控制。然而，當被監(jiān)視的區(qū)域是更普遍，在更長的距離，RS - 485總線越來越明顯的缺點。在這種情況下，發(fā)送和響應速度變低，抗干擾能力變差。因此，我們應該尋求一種新的通信方式解決了RS - 485總線問題。
所有的通信手段，控制為導向的工業(yè)現(xiàn)場總線技術可以保證我們可以突破傳統(tǒng)的點至點通信模式的局限性，并創(chuàng)建一個真正的分布式控制和集中管理系統(tǒng)。支持分布式實時控制的串行通信協(xié)議，公交車更具有優(yōu)勢比RS-485總線，如更好的糾錯能力，實時，低成本。目前，它已被廣泛應用于在執(zhí)行分布式測量和控制字段。
1.分布式體系結(jié)構的溫度控制系統(tǒng)
如圖所示，在分布式體系結(jié)構圖1的溫度控制系統(tǒng)。可以看出，該系統(tǒng)包括兩個模塊 - 兩個智能CAN節(jié)點和一個主控制器。它們通過總線彼此連接。每個模塊執(zhí)行一些其分布式架構。以下是每個模塊的簡要說明。
1.1控制器
作為系統(tǒng)的主控制器，主機和智能CAN節(jié)點通信。它專門監(jiān)測和控制整個系統(tǒng)，系統(tǒng)配置，操作條件，參數(shù)初始化和各部分之間的協(xié)調(diào)。更重要的是，我們可以打印或歷史溫度數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，分析系統(tǒng)的性能是非常有用的。
1.2智能CAN節(jié)點
智能CAN節(jié)點的溫度控制系統(tǒng)有五個部分：單片機的單片機，A / D轉(zhuǎn)換單元，溫度監(jiān)測單元 - 傳感器組，數(shù)字顯示，啟發(fā) - 冷卻裝置和加熱單元。接下來，介紹智能CAN節(jié)點的工作原理。
在實際應用中，我們區(qū)分控制目標到很多單位，除在一些典型單位的智能CAN節(jié)點。在每個節(jié)點，微控制器與A/D轉(zhuǎn)換器單元的溫度測量傳感器采集溫度數(shù)據(jù)。在同一時間，它執(zhí)行的基本數(shù)據(jù)融合算術運算的結(jié)果更接近實際的。數(shù)字顯示融合節(jié)點及時的結(jié)果，所以我們可以掌握在每個控制單元的環(huán)境溫度。
通過比較建立一個主控制器，使智能CAN節(jié)點可以通過加熱或冷卻裝置反饋控制單元實現(xiàn)一體化。如果在一個特別聰明的融合結(jié)果CAN節(jié)點大于設定值，冷卻裝置將開始工作。相反，如果低于設定值時，所述加熱單元的節(jié)點中的融合的結(jié)果將開始工作。在這種方式中，我們不僅可以監(jiān)控環(huán)境溫度，同時也做相應的觸發(fā)器來實現(xiàn)溫度的自動調(diào)節(jié)。與此同時，每個CAN節(jié)點發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀到CAN總線，CAN總線將被告知在主控制器單元的溫度，這個控制器可以方便地作出決定，是否要修改此參數(shù)。由于CAN節(jié)點的單元，在房間的溫度來調(diào)節(jié)溫度保持均勻。
更重要的是，我們還可以修改在主PC上控制智能節(jié)點的溫度設定值。
1.3多傳感器數(shù)據(jù)融合
數(shù)據(jù)融合在一個分布式溫度控制系統(tǒng)的使用，以消除不確定性，更準確，更可靠更重要的是從一個有限的傳感器測得的數(shù)據(jù)比算術平均。當一些的溫度傳感器的傳感器變?yōu)榉羌せ顮顟B(tài)，這種智能CAN節(jié)點也可以通過融合這些信息從精確的溫度傳感器的有用性。
1.4測得的數(shù)據(jù)一致性檢查
我們設計了一個分布式溫度測量過程中的溫度控制系統(tǒng)中，突發(fā)干擾或設備故障時產(chǎn)生的測量誤差是不可避免的。數(shù)據(jù)融合之前，我們應該消除錯誤的錯誤。
我們可以利用系統(tǒng)的配用少量的傳感器的散點圖頭發(fā)，以消除這種測量誤差。參數(shù)來表示的數(shù)據(jù)結(jié)構，包括分布值-TM四位數(shù)-FV的四位數(shù)-FL和分散的四位數(shù)-DF下。
每一個傳感器測量的溫度的溫度控制系統(tǒng)獨立。在系統(tǒng)中，有8個傳感器在智能溫度傳感器的CAN節(jié)點的集群。同時在每個CAN節(jié)點，所以我們可以得到8個溫度值。從小到大，我們已安排收集溫度數(shù)據(jù)序列：
T1，T2，...，T8的序列中，T1是最低位和T8是最高位。我們定義TM：T=
四位數(shù)-Fv為在區(qū)間[TM T8]值低位數(shù)-FL是區(qū)間[T1，TM]中的值，四位數(shù)的離散性的：dF=F-F 。
在此公式中，a為常數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)中的測量誤差，該值通常為0.5，1.0，2.0，依此類推。的其余部分的列數(shù)的測量值被視為，與RMS一致。智融合與智能CAN節(jié)點單片機測量值一致。融合的溫度測量數(shù)據(jù)的例子：
分布式使用在溫室中的溫度控制系統(tǒng)，從8個溫度傳感器，一組8個溫度值如下
八個溫度測量值的結(jié)果
=T=30.5C
平均八在這個溫室的溫度和實際溫度值的比較，我們可以知道，測量誤差為+0.5℃，介紹這種方法，我們消除這種第五傳感器測量誤差后，數(shù)據(jù)的平均值，我們可以得到剩余的七（7），T =29.6°C時，測量誤差為-0.4℃，這剩下的七個傳感器被分成兩個組的傳感器，S1，S3，S7為第一組，S2，S4，S6和S8是第二組。的兩組測量數(shù)據(jù)的算術平均值和標準偏差如下：
=29.3C σ=2.22
=29.9C σ=1.56
根據(jù)公式（13），我們可以使用的七個測得的溫度，確定溫度融合值。
熔融溫度的結(jié)果的誤差為-0.3℃。
明顯地，將測量數(shù)據(jù)融合的結(jié)果比算術平均值更接近實際值。在實際操作中，測得的溫度成為較大的監(jiān)視區(qū)域，數(shù)據(jù)融合，以提高測量精度將會變得更加清楚，也可以分散。
2.小結(jié)
這是基于分布式多傳感器數(shù)據(jù)融合的溫度控制系統(tǒng)通過CAN總線內(nèi)置。它充分利用的的FDCS特點，的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點。數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)與CAN智能節(jié)點的系統(tǒng)控制，管理系統(tǒng)通過主控制器（主機）來實現(xiàn)。通過使用CAN總線的數(shù)據(jù)融合技術系統(tǒng)的可靠性和實時能力大大提高。我們相信，這將在未來得到廣泛的應用。
