劉偉

（貴州電子科技職業(yè)學(xué)院，貴州貴陽(yáng)，550025）

0 引言

水溫控制產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘５纳a(chǎn)生活中，從熱水器、電飯煲、飲水機(jī)等家電產(chǎn)品到工業(yè)生產(chǎn)中的水溫控制器，人們對(duì)精確的水溫監(jiān)測(cè)控制和智能化交互的需求越來(lái)越迫切。隨著智能家居和工業(yè)云控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)技術(shù)也迅速融入了我們的生活之中，各種智能家居、智能家電產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，針對(duì)水溫控制系統(tǒng)的控制精度和智能化交互水平較低的問(wèn)題，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)和ZigBee 模塊的水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主要利用ZigBee 模塊、DS18B20 溫度傳感器和云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)基于IOT 云平臺(tái)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水溫，利用PID 算法對(duì)水溫進(jìn)行控制，經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在20℃～90℃范圍內(nèi)，水溫控制精度達(dá)到±0.1℃，并利用云服務(wù)器和手機(jī)終端實(shí)現(xiàn)交互的智能化。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及控制原理

如圖1 所示為所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的組成框圖，包括系統(tǒng)主控CC2530F256 模塊、溫度傳感器、無(wú)線傳輸模塊、加熱控制電路、上位機(jī)、手機(jī)端APP 和云平臺(tái)組成，通過(guò)上位機(jī)設(shè)定所需加熱溫度，控制器與傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)做PID加熱控制，最后達(dá)到所需溫度并提示溫度達(dá)到。

圖1 水溫監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)控制利用PID 閉環(huán)控制算法，通過(guò)上位機(jī)軟件設(shè)定一個(gè)所需溫度，主控芯片采集溫度的傳感器數(shù)據(jù)并將結(jié)果反饋到PID 控制路線上控制加熱器，實(shí)現(xiàn)溫度的PID 閉環(huán)控制，達(dá)到穩(wěn)定后將溫度發(fā)給云平臺(tái)或手機(jī)APP。如圖2所示為系統(tǒng)PID 閉環(huán)控制原理框圖[1～2]。

圖2 系統(tǒng)PID 閉環(huán)控制原理框圖

系統(tǒng)PID 控制其輸出信號(hào)u(t) 為：

其中：Er(t) 為溫度變化量；u(t) 為控制溫度量。

對(duì)(2)式進(jìn)行拉普拉斯變換，得到系統(tǒng)PID 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)G(s) 為：

其中：Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，Kd為微分系數(shù)。

PID 溫度控制算法在C 語(yǔ)言程序中實(shí)現(xiàn)，首先假設(shè)系統(tǒng)采樣時(shí)間為T，則在第t 時(shí)刻溫度偏差為Er(t)，積分控制環(huán)節(jié)用偏差累加用表示，微分控制環(huán)節(jié)用[Er(t)-Er(t-1)]/T斜率的形式表示，從而可以得到PID 離散表示形式。

然后，將(2)式離散化得到(4)式：

最后，再將(1)式代入(4)式，得到：

其中：JF 為積分前項(xiàng)值。

所設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過(guò)PWM 來(lái)控制加熱控制器工作，需要確定PID 控制的三個(gè)參數(shù)Kp、Ki、Kd。

設(shè)定系統(tǒng)的溫度傳感器的采樣時(shí)間T=1s，在開(kāi)環(huán)狀態(tài)之下，上位機(jī)記錄溫度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，采用在不同溫度下重復(fù)試驗(yàn)的方法，記錄溫度數(shù)據(jù)并得到實(shí)驗(yàn)曲線，圖3為開(kāi)環(huán)控制時(shí)溫度曲線。

圖3 開(kāi)環(huán)控制時(shí)溫度曲線

圖中可知，上位機(jī)設(shè)定溫度為30℃，初始溫度為20℃，穩(wěn)定后的溫度與設(shè)置溫度存在1.3℃的誤差。通過(guò)Matlab 軟件輸入溫度控制模型并建立PID 溫度控制模塊，從而得到仿真溫控曲線，來(lái)確定溫控系統(tǒng)的PID參數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，首先系統(tǒng)硬件部分是主控芯片選用TI 公司的CC2530F256，該芯片內(nèi)部集成了低功耗、高性能的8051 內(nèi)核，支持8KB 的SRAM、256 KB 的Flash，12 位ADC、2個(gè)USART串口、DMA 和ZigBee 協(xié)議棧等功能，本系統(tǒng)主控硬件設(shè)計(jì)原理圖，如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)主控電路原理圖

溫度傳感器采用數(shù)字式溫度傳感器BS18B20、溫度傳感器與CC2530F256 芯片的P0_7 相連接，加熱控制器與主控P0_1、P0_2 I/O 口相連接。系統(tǒng)的無(wú)線傳輸模塊ESP8266，它內(nèi)置超低功耗32位RISC 處理器，時(shí)鐘速度最快為160MHz，支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和TCP/IP 協(xié)議，通過(guò)WiFi 網(wǎng)絡(luò)來(lái)連接云平臺(tái)和手機(jī)端APP，實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)交互功能。本系統(tǒng)主控?zé)o線模塊連接原理圖[3～6]，如圖5 所示。

圖5 無(wú)線傳輸模塊原理圖

如圖5所示，無(wú) 線傳輸模塊ESP8266 與主控CC2530F256的I/O 口P0_2、P0_3、VCC 和GND相連接，通過(guò)串口AT 指令主控向無(wú)線模塊發(fā)送命令，系統(tǒng)上電后設(shè)置工作模式、WiFi 名稱和密碼、云平臺(tái)地址和服務(wù)器端口等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由主控程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)、云平臺(tái)和手機(jī)端APP 設(shè)計(jì)三個(gè)部分組成。

本系統(tǒng)主控程序設(shè)計(jì)由IAR 平臺(tái)開(kāi)發(fā)，首先系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括CC2530I/O 口、定時(shí)器、中斷和串口的初始化、ESP8266WiFi 網(wǎng)絡(luò)的初始化、溫度傳感器的初始化操作，具體的流程框圖如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程框圖

主控的CC2530 實(shí)時(shí)讀取溫度傳感器的信息，并通過(guò)RS232 串口與PC 端上位機(jī)通信設(shè)置所需溫度值，得到傳感器實(shí)時(shí)值和設(shè)定值之后進(jìn)行PID 控制加熱器工作，直到得到所需溫度值，CC2530 單片機(jī)再將所得到溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)WIFI 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)利用HTTP 的POST 協(xié)議送入云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)云端實(shí)時(shí)顯示[7]。

上位機(jī)軟件采用Visual Studio 軟件利用C#語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，主要是由串口通信、溫度數(shù)據(jù)顯示、實(shí)時(shí)曲線顯示、溫度數(shù)據(jù)設(shè)置和溫度數(shù)據(jù)保存等功能模塊構(gòu)成。上位機(jī)軟件界面如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)上位機(jī)界面

系統(tǒng)云平臺(tái)部分，選用中國(guó)移動(dòng)的PaaS 物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)—OneNET 云平臺(tái)，它可以利用MQTT 協(xié)議、HTTP、EDP、MODBUS 或多協(xié)議方式實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備接入與開(kāi)發(fā)部署，為智能家居產(chǎn)品及遠(yuǎn)程控制提供完善的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

本系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線與OneNET 云平臺(tái)連接，從云端對(duì)溫度進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)顯示、溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程控制功能，實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的智能化交互控制[8]。系統(tǒng)云平臺(tái)操作界面如圖8 所示。

圖8 云平臺(tái)操作界面

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制溫度的精度，通過(guò)系統(tǒng)水溫加熱控制的溫度輸出與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)作對(duì)比試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分別選取20℃～30℃、20℃～40℃、20℃～60℃、20℃～70℃、20℃～80℃、20℃～90℃的六組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)在達(dá)到系統(tǒng)所設(shè)定溫度值時(shí)，記錄PID 控制輸出的溫度值，重復(fù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)三次記錄溫度穩(wěn)定后平均誤差，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 系統(tǒng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

同時(shí)，在上述條件之下，將使用PID 控制和未使用PID控制的輸出溫度進(jìn)行對(duì)比，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 PID控制對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2 可知，在使用和未使用PID 控制的情況下的輸出溫度的誤差值對(duì)比，如圖9 所示。

圖9 PID 控制對(duì)比實(shí)驗(yàn)誤差

5 結(jié)論

本文針對(duì)現(xiàn)有水溫控制系統(tǒng)的控制精度和智能化交互水平較低的問(wèn)題，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)OneNET 云平臺(tái)的水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)系統(tǒng)硬軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)在水溫控制系統(tǒng)的智能化交互控制，并在溫度控制上加入PID 閉環(huán)控制，使得在20°C～90°C 的溫度范圍內(nèi)，水溫的控制精度能達(dá)到±0.1℃，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。