石元伍+余莎

摘 要： 針對目前老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品溫度無法智能控制或一直存在控制精度低、耗時長的問題，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品溫度自動控制方法。建立老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品控制模型并分析各參數(shù)對控制效果的影響，采用最小二乘法對老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品控制模型結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，在此基礎(chǔ)上，采用多變量廣義預(yù)測控制簡化算法對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行辨識，確定水溫變冷的速度，采用物聯(lián)網(wǎng)對老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品溫度自動控制方法進(jìn)行改進(jìn)處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用改進(jìn)控制方法時，其溫度控制精度、控制所需時間均要優(yōu)于傳統(tǒng)的控制方法，具有一定的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)； 老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品； 溫度控制； 自動控制系統(tǒng)

中圖分類號： TN911?34； TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）17?0113?03

Internet of Things based intelligent control system for elderly sanitary product

SHI Yuanwu， YU Sha

（School of Industrial Design， Hubei University of Technology， Wuhan 430000， China）

Abstract： Since the temperature of the elderly sanitary product can′t be controlled intelligently， and the temperature control has low precision and long time consumption， an Internet of Things （IoT） based temperature automatic control method of elderly sanitary product is proposed. The control model of the elderly sanitary product was established， and the influence of each parameter on control effect is analyzed. The least square method is used to estimate the structure parameter of the elderly sanitary product control model. On this basis， the multivariable generalized predictive control simplified algorithm is used to identify the model structure， and determine the cooling speed of water temperature. The IoT is adopted to improve the temperature automatic control method of elderly sanitary product. The experimental results show that， in comparison with traditional control methods， the improved temperature control method has higher control precision and shorter control time， and has a certain advantage.

Keywords： Internet of Things； elderly sanitary product； temperature control； automatic control system

0 引 言

近幾年來，我國人口老齡化的問題越來越嚴(yán)重，老年人已經(jīng)成為我國的重點(diǎn)保護(hù)對象[1?3]，因此，供應(yīng)給老年人使用的工業(yè)產(chǎn)品需要格外注重功能及使用便利性能，特別是老年人的衛(wèi)浴產(chǎn)品，這是由于老年人動作遲緩，調(diào)試不當(dāng)，便容易受到傷害，針對老年人這一特殊群體的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品的開發(fā)供不應(yīng)求，特別是衛(wèi)浴產(chǎn)品。本文通過分析老年人身體各機(jī)能的衰退[4?7]，以及現(xiàn)階段老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品的不健全，希望借助物聯(lián)網(wǎng)這個現(xiàn)代化平臺找出更符合老年人身體特征的衛(wèi)浴產(chǎn)品。在物聯(lián)網(wǎng)慢慢走進(jìn)人們生活的今天，家居用品的智能化已經(jīng)被人們所接受，文獻(xiàn)[8]中將PID控制方法應(yīng)用于老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品控制系統(tǒng)中，控制時間較為理想，但其穩(wěn)定性差；文獻(xiàn)[9]中采用Fuzzy?PID控制方法，實(shí)現(xiàn)了智能控制老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品，但隨著控制對象的逐漸增加，其控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，對于老年人的使用存在一定的風(fēng)險。文獻(xiàn)[10]提出基于捕魚算法的老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品智能控制系統(tǒng)，表現(xiàn)性能優(yōu)越，但控制范圍小，不適合廣泛使用。

針對老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品溫度控制一直存在控制精度低、耗時長的問題，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品溫度自動控制方法。通過提出在衛(wèi)浴產(chǎn)品中植入智能芯片，借助物聯(lián)網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)浴溫度控制的智能化，滿足老年人居家養(yǎng)老的要求。通過建立老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品控制模型并對各參數(shù)對控制效果影響進(jìn)行分析，采用最小二乘法對老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品控制模型結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，在此基礎(chǔ)上，采用多變量廣義預(yù)測控制簡化算法對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行辨識，確定沉積速度，采用物聯(lián)網(wǎng)對老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品溫度自動控制方法進(jìn)行改進(jìn)處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用改進(jìn)控制方法時，其溫度控制精度、控制所需時間均要優(yōu)于傳統(tǒng)的控制方法，具有一定的優(yōu)勢。

1 老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品控制模型

對老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品進(jìn)行控制模型構(gòu)建，可準(zhǔn)確地反映老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品溫度的實(shí)際特性，可以為老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品溫度控制器及控制方法參數(shù)的設(shè)置提供充分的理論依據(jù)。由于老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品溫度控制器輸入量均為單個，且有滯后現(xiàn)象，可用降階的滯后二級系統(tǒng)來表示，老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品控制模型表達(dá)式為：endprint

（1）

式中：為靜態(tài)增益放大系數(shù)；為時間常數(shù)；為滯后時間；為控制速率。各個參數(shù)對控制效果的影響不同，：主要表示被控制對象在靜態(tài)即穩(wěn)態(tài)時，輸入信號與輸出信號之間的關(guān)系。當(dāng)被控對象的自動平衡力較小時，會越大，反之越小。：當(dāng)控制器的輸入量發(fā)生變化，再次達(dá)到一個穩(wěn)定狀態(tài)時，輸出量達(dá)到這個穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間可表示被控制對象的慣性特點(diǎn)，值越大，說明變化所需時間越長，反之越短。：當(dāng)輸入量發(fā)生變化時，輸出量也會發(fā)生一定的變化，這個變化如果是在輸入變化后的一定時間內(nèi)發(fā)生，則這段時間就是滯后時間，輸出落后變化主要是由于熱量的傳遞和輸送不能馬上結(jié)束而導(dǎo)致的。

2 物聯(lián)網(wǎng)的老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品溫度自動控制

2.1 老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品控制模型結(jié)構(gòu)

假設(shè)采樣周期為時間常數(shù)為其采樣周期可根據(jù)其所需能耗情況進(jìn)行選擇，表達(dá)式為：

（2）

對采集的老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品控制數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)濾波，去掉雜波及最大和最小值后，取平均值作為當(dāng)前時刻的采樣數(shù)據(jù)，對老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品控制數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波后，采用下式進(jìn)行零均值化處理：

（3）

式中：分別表示輸入、輸出數(shù)據(jù)的樣本分量；為通過上述過程經(jīng)對波長過濾后的輸入、輸出數(shù)據(jù)；為經(jīng)過數(shù)據(jù)均值初始化后的輸入、輸出數(shù)據(jù)。

對于單輸入輸出過程，模型結(jié)構(gòu)的辨識即為模型階次的確定，在此采用多變量廣義預(yù)測控制簡化算法對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行辨識，即確定模型階次。本文只對一階模型進(jìn)行滯后辨識，確定模型結(jié)構(gòu)的參數(shù)，表達(dá)式為：

（4）

確定模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)后，可直接推廣到多個變量確定過程，采用最小二乘法對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可表示為：

（5）

（6）

式中：為遺忘因子；為正定矩陣。

2.2 老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品溫度自動控制方法

首先確定隸屬度函數(shù)，假設(shè)控制規(guī)則為且則的控制關(guān)系可表示為。在進(jìn)行運(yùn)算時，使用并集運(yùn)算方法，其結(jié)果可以表示為：

（7）

其隸屬度函數(shù)為：

（8）

其次，設(shè)置基于物聯(lián)網(wǎng)的自動控制器，步驟為：

（1） 為了得到準(zhǔn)確的用戶溫度控制程序，先運(yùn)用溫度的自診斷程序（主要有I/O轉(zhuǎn)換部分、存儲器、CPU等），如果該過程的自診斷沒有發(fā)生錯誤，則可繼續(xù)進(jìn)行檢測。

（2） 對于編程器和計(jì)算機(jī)的請求過程是否受到物聯(lián)網(wǎng)的控制，如果有控制就對程序、命令以及各種數(shù)據(jù)做相應(yīng)處理，編程器負(fù)責(zé)該數(shù)據(jù)的顯示并接收此信息。

（3） 各個輸入端數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確掃描需要中央處理器把信息快速傳送到輸入狀態(tài)寄存器中。

（4） 為了使溫度控制指令順利執(zhí)行，CPU要對輸入、輸出狀態(tài)執(zhí)行“處理”，控制指令下的溫度通過程序的邏輯、算術(shù)運(yùn)算，繼續(xù)將結(jié)果準(zhǔn)確地傳送到輸出寄存器內(nèi)。

（5） 全部溫度控制指令執(zhí)行之后，由數(shù)據(jù)輸出部分將寄存器的當(dāng)前輸出狀態(tài)集中轉(zhuǎn)換成用戶可接收的信號狀態(tài)來完成對溫度的控制。

通過上述階段完成對溫度的自動控制，由于在工作時會進(jìn)行重復(fù)掃描，溫度控制程序在執(zhí)行時是通過循環(huán)的方式逐個執(zhí)行，所以無法在同一時刻執(zhí)行多條指令，即以串行的方式工作，此方法可避免出現(xiàn)溫度控制執(zhí)行程序匹配不準(zhǔn)的問題，增加溫度控制的精度，控制過程見圖1。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

上位機(jī)系統(tǒng)配置中主控室上位機(jī)為研華工控機(jī)610機(jī)箱、14槽ISA/PCI母板、300 V工業(yè)電源，PIV2.0G/256M/1.44M/50X TNT64M顯存PCI顯卡，“鍵盤、鼠標(biāo)、彩顯21”三星2臺；組態(tài)監(jiān)控軟件為6.0版，運(yùn)行版256點(diǎn)2套，開發(fā)版512點(diǎn)1套；下位機(jī)配置為SIEMENS，S7?300。為了進(jìn)一步證明改進(jìn)的溫度自動控制方法在老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品方面的實(shí)用性及可行性，以PID控制方法及Fuzzy?PID控制方法進(jìn)行溫度控制時間方面的對比分析，結(jié)果如圖2所示。

由圖2 可知，采用PID控制方法時，其控制所需時間約為30.5 min，雖然隨著控制設(shè)備的不斷增加，其控制所需時間逐漸降低，但在300～350，450～600處出現(xiàn)上升，穩(wěn)定性較差；采用Fuzzy?PID控制方法時，其控制所需時間約為26.8 min，但隨著控制設(shè)備的不斷增加，其控制所需時間逐漸降低，且在300～400處出現(xiàn)上升，雖然在450～600之間出現(xiàn)了穩(wěn)定及下降的趨勢，但其整體穩(wěn)定性較差；采用改進(jìn)控制方法時，其控制所需時間約為13.5 min，且隨著控制設(shè)備數(shù)量的不斷增加，其所需控制時間不斷下降，甚至趨于穩(wěn)定，相比PID控制方法及Fuzzy?PID控制方法分別降低了約17 min及13.3 min，具有一定的優(yōu)勢。

為了進(jìn)一步證明改進(jìn)的溫度自動控制方法在老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品方面的實(shí)用性及可行性，以PID控制方法及Fuzzy?PID控制方法進(jìn)行溫度控制精度方面的對比分析，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，采用PID控制方法時，其控制精度約為62.5%，雖然隨著控制時間的不斷增加，其控制精度逐漸上升，但在80～100 s時出現(xiàn)降低的現(xiàn)象；采用Fuzzy?PID控制方法時，其控制精度約為46.2%，但隨著控制時間的不斷增加，其控制精度逐漸上升，且在90～100處趨于穩(wěn)定，但其整體穩(wěn)定性較差；采用改進(jìn)控制方法時，其控制精度約為92.5%，且隨著控制時間的不斷增加，其所需控制精度不斷上升，甚至很長一段時間趨于穩(wěn)定，相比PID控制方法及Fuzzy?PID控制方法分別提高了約30.0%及46.3%，具有一定的優(yōu)勢。

為了進(jìn)一步證明改進(jìn)的溫度自動控制方法在老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品方面的實(shí)用性及可行性，以PID控制方法及Fuzzy?PID控制方法進(jìn)行溫度控制效果方面的對比，結(jié)果如圖4～圖6所示。

從圖4～圖6可以看出：采用PID控制方法時，出現(xiàn)了較大波動，且未達(dá)到穩(wěn)定的范圍，效果較差；采用Fuzzy?PID控制方法時，波動較小但較為頻繁，效果很差；采用改進(jìn)控制方法具有較好的控制作用，能夠在短時間內(nèi)將老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品的溫度自動控制在較為理想的溫度范圍內(nèi)。

4 結(jié) 論

針對老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品溫度控制一直存在控制精度低、耗時長的問題，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)的老年人衛(wèi)浴產(chǎn)品溫度自動控制方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用改進(jìn)控制方法時，其溫度控制精度、控制所需時間均要優(yōu)于傳統(tǒng)的控制方法，具有一定的優(yōu)勢。

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