基于多元擬合算法控制的智能臥室設(shè)計

楊柏松，林乃勁，鐘文聰，劉 美，陳金鵬

(1.廣東石油化工學(xué)院 自動化學(xué)院，廣東 茂名 525000; 2.廣東石油化工學(xué)院 教務(wù)處，廣東 茂名 525000)

0 引言

隨著《中國制造2025》戰(zhàn)略文件實施以來，智能制造業(yè)技術(shù)不斷創(chuàng)新升級，智能家居作為智能制造物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)物，代表了我國社會未來的發(fā)展趨勢，是我國現(xiàn)代化建設(shè)水平的重要體現(xiàn)之一[1]。當人們的物質(zhì)生活水平不斷提高，居家環(huán)境的智能化成為了大多數(shù)民眾的追求。

智能家居系統(tǒng)可將家用電氣設(shè)備、家居環(huán)境及居家安全管理等進行聯(lián)合調(diào)節(jié)。對于傳統(tǒng)的家居而言，智能家居可以滿足廣大用戶對居家生活的各種各樣的要求(如控制家電、溫濕度調(diào)節(jié)、安全巡視等)，用戶能夠通過信息交互等技術(shù)對自己家庭中的各種信息(如家電設(shè)備、居家溫度濕度等)進行掌握，根據(jù)這些參數(shù)的變化特征，來改變相應(yīng)的控制順序，通過智能物聯(lián)、人機信息交互等無線互聯(lián)技術(shù)，滿足了人們對生活質(zhì)量的追求，而智能家居系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)主要是通過中央微處理器接收各類相關(guān)的元器件所反饋的信息，并根據(jù)這些信息參數(shù)發(fā)送特定的指令對各類電子電器進行操作以完成各項預(yù)設(shè)功能。

未來我國智能家居發(fā)展中，主要是以多環(huán)境參數(shù)均衡控制、人機無線信息交互及多方位安全管理為主要的發(fā)展方向[2]，智能家居系統(tǒng)研發(fā)受到了很多投資機構(gòu)的重點關(guān)注，因此在智能家居系統(tǒng)研發(fā)方面投入更多的努力，從而創(chuàng)造更多、更好的價值，對提高國民生活幸福指數(shù)，提升國家綜合實力有重要的現(xiàn)實意義[3]。

1 總體研發(fā)方案

本設(shè)計針對智能家居系統(tǒng)的臥室溫濕度調(diào)控單元，設(shè)計出一種臥室溫濕度閉環(huán)調(diào)控系統(tǒng)，調(diào)控策略使用基于最小二乘的多元擬合算法構(gòu)建，通過對臥室溫濕度比例的調(diào)控，使設(shè)計的臥室系統(tǒng)中溫濕度比例在一個合適的參數(shù)范圍，且使在這個參數(shù)范圍的系統(tǒng)中有害細菌的壽命受最大的限制，人體皮膚在這樣的溫濕度比例下感覺到舒適，使設(shè)計的系統(tǒng)更加適合患有季節(jié)性鼻炎的用戶使用。

經(jīng)對知名企業(yè)(如格力、小米)智能家居系統(tǒng)的實地考察及相關(guān)研發(fā)資料搜集整理，將基于多元擬合算法控制的智能臥室系統(tǒng)分為算法控制模型、結(jié)構(gòu)模型、硬件模塊、軟件模塊共四大模塊進行研發(fā)，系統(tǒng)總控框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)總控框圖

由圖1可知，傳感器將采集的溫濕度信號傳導(dǎo)回中央微處理器，中央微處理器對所接收信號處理后，將溫濕度參數(shù)顯示于顯示屏中，并將相關(guān)信息通過藍牙模組進行無線通信，根據(jù)算法建立的聯(lián)控模型，進行各類執(zhí)行器的控制，完成系統(tǒng)溫濕度閉環(huán)調(diào)節(jié)功能。即分別對4大模塊完成設(shè)計，最后進行模型組裝及軟硬件調(diào)試，將系統(tǒng)調(diào)試至預(yù)期目標。

2 控制模型構(gòu)建

2.1 算法概述

在大數(shù)據(jù)計算領(lǐng)域中，為了對大量離散數(shù)據(jù)進行規(guī)律挖掘及進一步分析，求解出所需方程的未知數(shù)(即為元)，尋找出自變量和因變量的數(shù)學(xué)關(guān)系，通常采取對離散多變量參數(shù)進行擬合，常用有最佳一致逼近多項式、最小二乘擬合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運算等計算方法，針對離散多變量系統(tǒng)，常采用最小二乘多元擬合算法。

最小二乘多元擬合算法常被用于對多元方程中求解未知系數(shù)及多元擬合函數(shù)的確定，在方程求解過程中，須在坐標系中描出所求離散參數(shù)，根據(jù)各參數(shù)點在坐標系中的分布進行擬合回歸曲線，使得回歸曲線上的各點與所對應(yīng)的參數(shù)點的縱坐標的離差平方和達最小值，即為擬合誤差最小，最終得出參數(shù)點最優(yōu)擬合控制函數(shù)[4]，該控制函數(shù)如式(1)所示：

(1)

F(Xi)=K1f1(x)+K2f2(x)+...+Knfn(x)

(2)

在求解離散參數(shù)擬合曲線的過程中，最主要的任務(wù)是讓真實參數(shù)值與求解的函數(shù)值的總殘差取得最小值，計算殘差常用的方法有：

1)使偏差絕對值之和達到最小值，如式(3)所示：

(3)

2)使偏差絕對值的極大值達到最小，如式(4)所示：

min*max|Qi|=min*max|F(xi)-yi|

(4)

但是由于式(3)與式(4)中的兩個求解式計算較為困難，所以計算總殘差的方法為基于最小二乘理論的多元擬合為最佳選擇。

因設(shè)計的智能臥室系統(tǒng)控制參數(shù)為離散溫濕度，因為在系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)過程中，對于環(huán)境溫度升高及濕度超出適合范圍時，中央微處理器將控制相關(guān)執(zhí)行器動作(如抽風機動作等)使參數(shù)回歸預(yù)設(shè)水平，但由于在系統(tǒng)中，當抽風機降溫的同時，系統(tǒng)中的濕度也會隨之改變，所以針對濕度隨溫度下降而改變的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采取基于最小二乘理論的多元擬合算法進行構(gòu)建控制模型[5-6]。

2.2 模型假設(shè)

1)假設(shè)系統(tǒng)傳感器傳輸信號沒有被干擾。

2)假設(shè)系統(tǒng)中所采集的某一些參數(shù)不精確，不影響總控制模型構(gòu)建。

3)假設(shè)系統(tǒng)調(diào)節(jié)中各硬件均可正常運行。

4)假設(shè)系統(tǒng)降溫環(huán)節(jié)進風口所進風溫濕度參數(shù)保持不變(如進風溫度為26 ℃，相對濕度為60%)。

5)假設(shè)加濕裝置所加濕度固定不變(如加濕耗水量固定：10 mH/min)。

6)假設(shè)加熱裝置所加溫度固定不變(如加熱接觸面固定60 ℃)，停止加熱后余熱不影響系統(tǒng)穩(wěn)定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)控制環(huán)境為家居臥室環(huán)境，控制參數(shù)為溫度與濕度。由于溫濕度參數(shù)在模型系統(tǒng)中瞬時變化率不強，傳感器采集的參數(shù)具有熱慣性、非線性等特點，在溫濕度調(diào)節(jié)時，系統(tǒng)不能及時控制相關(guān)執(zhí)行器的動作時間及動作次序，所以運用基于最小二乘法的多元擬合算法進行最優(yōu)調(diào)度規(guī)劃，使系統(tǒng)溫濕度調(diào)控中參數(shù)可最快維持于預(yù)設(shè)參數(shù)范圍，即使調(diào)控系統(tǒng)具有最快的響應(yīng)能力及較好的穩(wěn)定性[7-8]。

算法預(yù)設(shè)臥室模型初始參數(shù)可設(shè)置為適宜季節(jié)性鼻炎患者的溫濕度，季節(jié)性鼻炎患者較喜溫度偏高，濕度較為中等的環(huán)境，使溫濕度參數(shù)適宜患者居住，而使模型中溫濕度參數(shù)不適宜空氣中細菌生存，如使溫度控制于26～28 ℃，濕度控制于45%～85%[9-10]。

在智能臥室系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程中，將傳感器每5 s所采集信息平均值，整理為溫濕度監(jiān)測表，當由于突然停電、藍牙通信時移動設(shè)備接收數(shù)據(jù)中斷或人為失誤等，調(diào)試系統(tǒng)時數(shù)據(jù)的缺失會干擾到控制模型的準確性，所以需要針對時間段缺失數(shù)據(jù)進行合理預(yù)測，由于傳感采集的離散溫濕度參數(shù)較多，且在智能臥室系統(tǒng)調(diào)節(jié)中，當抽風機動作時，處于不同高度的溫濕度參數(shù)變化會有差別，如靠近抽風口的溫濕度變化速率更快、更明顯，所以采取系統(tǒng)平均值的方法進行數(shù)據(jù)合理預(yù)測，預(yù)處理思路為：

1)如果缺失時間段較短，則采用臨近時間段(0～1 min以內(nèi))溫濕度走向進行平均預(yù)測。

2)如果缺失時間段較長，則采用長時間段(1～5 min以內(nèi))溫濕度走向進行平均預(yù)測。

由以上思路進行缺失數(shù)據(jù)預(yù)測后，將所采集溫濕度變化參數(shù)進行基于最小二乘的多元擬合，將不同參數(shù)點進行建立坐標系擬合，將擬合的多元函數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂撇呗赃M行控制執(zhí)行器動作，最后檢測相關(guān)度。

在建立的多元擬合算法模型中，溫度、濕度為算法輸入數(shù)據(jù)，假設(shè)UP為模型輸出變量，E為溫度與濕度參數(shù)偏差，Δe為溫濕度變化率，DL為溫度比預(yù)設(shè)參數(shù)大，DM為溫度在溫度預(yù)設(shè)參數(shù)范圍中，DS為溫度比預(yù)設(shè)參數(shù)小;KL為濕度比預(yù)設(shè)參數(shù)大，KM為濕度在濕度度預(yù)設(shè)參數(shù)范圍中，KS為溫度比預(yù)設(shè)參數(shù)小,由最小二乘法建立多元擬合，則系統(tǒng)調(diào)試過程中UP的影響參數(shù)為：

UP={DL,DM,DS,KL,KM,KS}

E= {DL,DM,DS,KL,KM,KS}

Δe= {DL,DM,DS,KL,KM,KS}

通過調(diào)試進行算法校正，將結(jié)構(gòu)模型建立后，進行參數(shù)采集，調(diào)整算法在系統(tǒng)中聯(lián)控相關(guān)度。經(jīng)過算法調(diào)試后，得出溫濕度調(diào)節(jié)變化量隨著抽風量的變化關(guān)系為趨近線性關(guān)系，擬合算法部分處理數(shù)據(jù)見圖2、圖3。

圖2 溫度基數(shù)擬合圖

圖3 濕度基數(shù)擬合圖

3 系統(tǒng)硬件研發(fā)

3.1 智能臥室定義及條件

臥室是用戶在居家中休息和所處時間最長的地方，臥室的舒適宜居性能直接影響用戶的睡眠質(zhì)量。智能臥室為智能家居系統(tǒng)的一個分支，智能臥室系統(tǒng)可采集臥室的各類信息(如家電設(shè)備參數(shù)、溫濕度參數(shù)等)，根據(jù)這些參數(shù)的變化特征，來改變相應(yīng)的控制順序，且通過智能物聯(lián)、人機信息交互等無線互聯(lián)技術(shù)，使用戶可實時掌握參數(shù)量且可操作控制順序。

設(shè)計的智能臥室系統(tǒng)可對臥室中的家電設(shè)備控制、環(huán)境參數(shù)適宜性和安全管理進行閉環(huán)聯(lián)合控制，滿足智能臥室條件。將系統(tǒng)硬件研發(fā)分為兩部分，即臥室結(jié)構(gòu)模型與硬件電路兩部分。

3.2 結(jié)構(gòu)模型設(shè)計

采用三維繪圖軟件Solid works建立三維結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計分為模擬家居、傳感器支撐、風機口支撐、控制主板支撐及加熱裝置支撐共5部分，每一部分完成預(yù)期支撐及展示功能。設(shè)計完成后對結(jié)構(gòu)材料選型，考慮耐熱性、可塑性、碰撞系數(shù)、性價比等方面，選擇亞克力材料。三維結(jié)構(gòu)模型見圖4，結(jié)構(gòu)模型CAD見圖5。

圖4 三維結(jié)構(gòu)模型圖

圖5 結(jié)構(gòu)模型CAD圖

3.3 硬件模塊選型

使用AD軟件設(shè)計硬件系統(tǒng)，設(shè)計分為主控及基本電路設(shè)計、傳感器選型及電路、按鍵及顯示模塊、無線通信模塊、繼電器模塊、雙層故障預(yù)警模塊共6大部分進行，每部分設(shè)計完成預(yù)期功能，最后組合為系統(tǒng)整體硬件電路。部分硬件電路圖見圖6～圖7。

圖6 藍牙模塊電路接線圖

圖7 故障預(yù)警模塊電路圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件編程使用基于Keil uVision4的開發(fā)平臺，采用C語言編寫程序，模塊化編程可以更加便捷地進行功能調(diào)試，在主程序中，各個功能模塊(如串口通信、按鍵掃描、溫濕度讀取、自動閉環(huán)調(diào)節(jié)、無線通信等)被依次調(diào)用，從而完成系統(tǒng)預(yù)設(shè)目標及功能。

軟件總控制流程為當系統(tǒng)完成初始化及參數(shù)設(shè)定后，在系統(tǒng)調(diào)控中，分布于臥室模型中不同高度的DHT11溫濕度傳感器將采集到的溫濕度信息傳遞給中央微處理器，處理器對溫濕度參數(shù)進行求取參數(shù)平均值，該平均值可在LCD 顯示屏及通過藍牙通信在手機上實時顯示，且作為系統(tǒng)調(diào)控影響參數(shù)，參與算法控制模型調(diào)控，調(diào)控可分為鍵盤掃描控制、自動閉環(huán)控制及藍牙無線通信控制共3個模塊，配以基本串口讀寫、溫濕度采集及計算、液晶顯示程序、故障預(yù)警及延時等程序設(shè)計，主控根據(jù)系統(tǒng)溫濕度設(shè)定值進行調(diào)控，調(diào)控過程及控制相關(guān)執(zhí)行器次序根據(jù)基于最小二乘的多遠擬合算法建立調(diào)控函數(shù)，從而完成智能臥室系統(tǒng)溫濕度自動閉環(huán)均衡調(diào)控。溫濕度閉環(huán)控制流程見圖8、雙級報警流程見圖9。

圖8 溫濕度閉環(huán)控制流程圖

圖9 雙級報警流程圖

5 實驗分析及結(jié)果

5.1 調(diào)試實驗分析

調(diào)試實驗分析分為軟件調(diào)試實驗、硬件調(diào)試實驗及軟硬件聯(lián)合調(diào)試共3部分。

軟件調(diào)試實驗分為C語言源程序調(diào)試和藍牙模塊手機APP安卓程序調(diào)試兩個方面，C源程序調(diào)試可由Keil平臺進行在線調(diào)試，針對溫濕度采集、故障預(yù)警、自動閉環(huán)調(diào)節(jié)、延時程序等各個模塊進行單步運行調(diào)試，最后由所建工程進行整體編譯調(diào)試；藍牙模塊手機APP安卓程序調(diào)試可由安卓程序開發(fā)平臺E4a進行調(diào)試，E4a平臺集成了關(guān)于手機APP程序所需各個模組，只需尋找藍牙模組，然后設(shè)置相關(guān)界面、屬性參數(shù)、設(shè)置安裝文檔，然后進行主窗口代碼運行調(diào)試，最后生成APK文件進行手機程序安裝總調(diào)試即可完成手機APP安卓程序調(diào)試。藍牙模組安卓界面調(diào)試見圖10。

圖10 藍牙模組安卓界面調(diào)試圖

硬件調(diào)試實驗中有很多需要調(diào)試的注意點，每一個硬件調(diào)試不準確都會導(dǎo)致硬件電路無法完成預(yù)定功能及指標，本系統(tǒng)硬件調(diào)試進行分區(qū)域分功能調(diào)試，例如：通過萬用表逐個接口，逐個線路進行檢測焊接的萬用版電路是否會有各個引腳虛焊，如針對復(fù)位電路的復(fù)位按鍵引腳，如果引腳為虛焊狀態(tài)，在沒有按復(fù)位狀態(tài)時復(fù)位引腳電壓仍為高電平，這種硬件解決方案是需要重新進行引腳焊接，然后再用萬用表針對焊點再檢測是否還存在復(fù)位引腳錯誤。針對溫濕度傳感監(jiān)測電路的調(diào)試，在調(diào)試溫濕度傳感監(jiān)測電路的調(diào)試時，由于檢測比較復(fù)雜，所以采用人工哈氣的方式，先用DHT11溫濕度傳感器在控制萬用板上進行插接，用萬用表接一個高電平給檢測電路輸入端，然后檢測驅(qū)動狀態(tài)顯示電路是否有電壓，在面板上調(diào)試成功后再焊接到電路板上。

軟硬件聯(lián)合調(diào)試實驗為將控制程序下載進主控芯片中，對系統(tǒng)各項功能進行初步確定及完善，配合手機APP程序進行軟硬聯(lián)調(diào)步驟。

5.2 調(diào)試實驗結(jié)果

通過軟件調(diào)試實驗、硬件調(diào)試實驗及軟硬件聯(lián)合調(diào)試共3部分分析，對系統(tǒng)調(diào)試實驗的硬件及軟件各功能模塊進行單獨實驗調(diào)試處理，最后經(jīng)軟硬件實物模型功能實驗，系統(tǒng)聯(lián)控模型完整，調(diào)試實驗后完成各項功能如下：

1)系統(tǒng)采用多個溫濕度傳感器分布于臥室模型不同高度進行參數(shù)采集，將所采集參數(shù)進行平均計算，完成在溫濕度均衡控制中準確傳導(dǎo)模型溫濕度功能，避免單一傳感器采集誤差。

2)系統(tǒng)由多元擬合算法進行參數(shù)模型建立聯(lián)控影響函數(shù)。

3)系統(tǒng)可完成與移動設(shè)備的無線信息交互功能(如藍牙)，可與移動設(shè)備(如手機)顯示密閉臥室模型中實時溫濕度顯示及適合溫濕度設(shè)定等功能。

4)系統(tǒng)控制主板可完成密閉臥室模型實時溫濕度顯示功能(如LCD顯示屏)。

5)當模型中溫濕度不在設(shè)置的舒適參考范圍時，系統(tǒng)根據(jù)算法給出的控制函數(shù)，進行聯(lián)控相關(guān)執(zhí)行器，完成溫濕度回復(fù)設(shè)置參考值功能。

6)當聯(lián)控調(diào)節(jié)時間超出計算時間時，系統(tǒng)可啟動二級

故障報警功能。

6 結(jié)束語

將基于多元擬合算法控制的智能臥室系統(tǒng)分為算法控制模型、結(jié)構(gòu)模型、硬件模塊及軟件模塊共4大模塊進行研發(fā)，傳感器將采集的溫濕度信號傳導(dǎo)回中央微處理器，中央微處理器對所接收信號處理后，將溫濕度參數(shù)顯示于顯示屏中，并將相關(guān)信息通過藍牙模組實時無線共享，根據(jù)算法建立的聯(lián)控模型，進行各類執(zhí)行器的控制，完成系統(tǒng)溫濕度閉環(huán)調(diào)節(jié)功能。

對4大模塊完成設(shè)計，最后進行模型組裝及軟硬件調(diào)試，經(jīng)實物模型功能測試，系統(tǒng)聯(lián)控模型完整，圓滿完成預(yù)期各項目標。