毕业设计（论文）-基于无线传感器网络的分布式温度控制系统.doc

北京科技大学硕士研究生选题报告目 录1文献综述21.1 无线传感器网络相关技术21.1.1无线传感器网络特点21.1.2无线传感器网络体系结构21.1.3无线传感器网络的特点41.1.4无线传感器网络通信技术51.2分布式协调控制系统71.2.1分布式控制系统的架构71.2.2现场总线技术81.3空调控制系统101.3.1变风量空调控制基本原理101.3.2变风量空调控制基本方法132课题背景及开展研究的意义142.1课题背景142.2开展研究的意义153研究内容、预期目标及研究方法163.1研究内容163.1.1分布式温度传感器软硬件实现163.1.2变风量式空调系统的控制方法163.1.3多个空调的分布式控制163.2预期目标173.2.1开发出有效的控制算法并利用Fluent软件进行流体应用验证173.2.2对整个系统软硬件进行实现并实际应用于工业场合173.3研究方法183.3.1基于Zigbee的无线传感器网络通信183.3.2对非线性时滞空调系统的控制203.3.3基于CAN总线的分布式空调控制223.3.3利用协调编队思想实现多个空调的有效联合控制224进度安排25参 考 文 献261文献综述1.1 无线传感器网络相关技术1.1.1无线传感器网络特点近年来，随着微机电系统（Micro-Electro-Mechanism System，MEMS）、片上系统（SOC，System on Chip）、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN），并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革1。无线传感器网络是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。其特点是节点必须通过相互关联才能完成一定的任务，而单个节点则通常无法发挥作用，节点间的关联性是通过无线通信实现的，因而从本质上说，节点至少具有计算处理、无线通信、检测或控制能力。强大的数据获取和处理能力使得其应用范围十分广泛，可以被应用于军事、防爆、救灾、环境、医疗、家居、工业等领域，因其广阔的应用前景而成为当今世界上备受关注的多学科高度交叉的热点研究领域2-3。它是继因特网之后，将对21世纪人类生活方式产生重大影响的IT技术之一。美国技术评论在预测未来技术发展的报告中，将无线传感器网络列为21 世纪改变世界的十大新兴技术之首4。由此可见，无线传感器网络的出现将会给人类社会带来巨大的变革。1.1.2无线传感器网络体系结构典型的无线传感器网络结构如图1 所示，传感器节点经多跳转发，再把传感信息送给用户使用，系统构架包括分布式无线传感器节点群、汇集节点、传输介质( Internet 或卫星通信) 和网络用户端。节点通过飞行器撒播、人工埋置或火箭弹射等方式任意散落在被监测区域内。传感网络是核心，在感知区域中，大量的节点以无线自组网( ad-hoc network) 方式进行通信，每个节点都可充当路由器的角色，并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力，传感器节点将所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合之后传送给用户，数据传送的过程是通过相邻节点接力传送的方式传送回基站，然后通过基站以卫星信道或者有线网络连接的方式传送给最终用户5。图1 无线传感器网络体系结构节点是无线传感器网络的基本功能单元，典型的节点结构如图2 所示，主要包括数据采集模块( 传感器、A/D 转换器) 、数据处理和控制模块( 微处理器、存储器) 、无线通信模块( 无线收发器) 和供电模块( 电池、能量转换器) 这4 部分。数据采集模块负责监测区域内信息的采集和数据转换，传感器用于感知、获取外界的信息，被检测的物理信号决定了传感器的类型，A/D 转换器将物理信号转换为数字信号； 数据处理和控制模块负责控制整个传感器节点的操作，微处理器负责协调节点各部分的工作，通常选用嵌入式CPU； 数据传输模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据。 供电模块为传感器节点提供正常工作所必需的能量。图2 无线传感器网络节点结构1.1.3无线传感器网络的特点作为一种新型的网络，无线传感器网络主要有如下特点6：( 1) 电源能力局限性。节点通常由电池供电，每个节点的能源是有限的，一旦电池能量耗尽，节点就会停止正常工作。( 2) 节点数量多。为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，通过分布式处理大量采集的信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求； 大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能； 大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或盲区。( 3) 动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动9； 某个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行。 也可能由于工作的需要而被添加到网络中。( 4) 自组织网络。在无线传感器网络应用中，通常情况下传感器节点的位置不能预先精确设定。节点之间的相互邻居关系也不能预先知道，如通过飞机撒播大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理。无线传感器网络的自组织性还要求能够适应网络拓扑结构的动态变化。( 5) 多跳路由。网络中节点通信距离一般在几十到几百米范围内，节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。这样每个节点既可以是信息的发起者，也可以是信息的转发者。( 6) 以数据为中心。传感器网络中的节点采用编号标识，节点编号不需要全网唯一。由于传感器节点随机部署，节点编号与节点位置之间的关系是完全动态的，没有必然联系。用户查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这是一种以数据本身作为查询或者传输线索的思想。所以通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络。1.1.4无线传感器网络通信技术从网络结构上看，无线传感器网络属于无线个域网(WPAN)，WPAN用于很小范围内的终端与终端之间的连接，即点到点的短距离连接。用于无线个域网的通信技术有很多，如IEEE802.11b、蓝牙(IEEE802.15.1)、UWB(IEEE802.15.3)、ZigBee/IEEE802.15.4。IEEE802.11b 又称为WiFi，是目前最普及、应用最广泛的无线标准。IEEE802.11b 工作于2.4GHz 频带，物理层支持5.5Mbps 和11Mbps 两个传输速率。IEEE802.11b 的传输速率会因环境的干扰或传输距离的变化而变化，其速率在1Mbps、2Mbps、5.5Mbps、11Mbps之间切换，而且在1Mbps、2Mbps 速率时与IEEE802.11 兼容。IEEE802.11 技术的成熟，使得基于该标准网络产品的成本得到很大的降低，无论公司用户还是家庭，无须太多的投资即可组建一套无线局域网。IEEE802.11 的缺点也有很多，比如其最高的11Mbps的传输速率并不能很好地满足用户高速数据传输的需要。而且IEEE802.11b 也难以提供理想的流媒体QoS，有关标准组织正试图修改以适应家庭网络对QoS 的要求。蓝牙(Bluetooth)是由爱立信、英特尔、诺基亚、IBM 和东芝等公司于1998 年5 月联合主推的一种短距离无线通信技术，它可以用于较小的范围内通过无线连接的方式实现固定设备或移动设备之间的网络互连。蓝牙技术一般有效通信范围为10m，强的可以达到100m 左右，其最高速率可以达到1Mbps。蓝牙技术运行在全球通行，无须申请许可的2.4GHz 频段。采用GFSK 调制技术，传输速率达1Mbps；采用FHSS 扩频技术，把信道分成若干个长为625s 的时隙，每个时隙交替进行发射和接收，实现时分全双工通信。在2.4022.480GHz 频段内含有间隔为1MHz的79 个调频载频及一系列的跳频序列，跳频速率为1600hops/s，每个时隙传送一个分组数据。蓝牙技术推出较早、也曾被寄予厚望，目的是取代电脑、周边设备及移动设备之间的一切电缆连接。但由于与WiFi 共用一个频段而相互冲突，而且协议复杂，普及情况不尽人意，目前只在无线鼠标和蓝牙耳机上有较多的应用。ZigBee 技术的命名源于人们对蜜蜂采蜜过程的研究，蜜蜂具体进行采蜜时，跳着八字舞，作为传递食物源的方向、距离和位置等信息的方法。因此，人们用ZigBee 技术来代表具有能量消耗小、体积小、传输速率低和成本低的无线通信技术，也就是。紫蜂。技术。IEEE802.15.4 是为满足低功耗、低成本的无线传感器网络要求而专门开发的低速率WPAN 标准。IEEE802.15.4 工作在ISM 频段，它定义了2.45GHz 频段和868/915MHz 频段两个物理层，这两个物理层都采用直接序列扩频DSSS 技术。在2.45GHz 频段有16 个速率为250kbps 的信道，在868MHz 频段有1 个速率为20kbps 的信道，在915MHz 频段有10 个速率为40Kbps 的信道。ZigBee 主要应用在短距离、低功耗、数据传输速率不高的各种电子设备之间，典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间的数据。其主要目标是：工业控制、医护、家庭智能控制、消费类电子设备的遥控装置、PC 外设的无线连接等领域。各种通信技术都具有各自的特点，适用于不同的场合。红外技术由于其传输距离有限、传输方向性强等缺点，在应用范围上受到了一定程度的限制。蓝牙技术只能配置7 个节点，制约了其在大型传感器网络开发中的应用；无线局域网技术发射功率比较大，大多数便携WiFi 装置都需要常规充电，从而限制了它在工业场合的推广和应用。在比较之下，ZigBee 技术具有成本更低、网络容量更大、功耗更低、时延更短等优点，故而本文选取了Zig2Bee 技术为无线传感网络提供互联互通的平台。ZigBee 是IEEE 802. 15. 4标准的扩展集，它基于标准的7 层开放式系统互联(OSI) 模型。网络层( NWK) 和应用层(APL) 的框架设计是由ZigBee 联盟负责制定， IEEE 则制定物理层( PH Y) 和介质接入控制层(MAC) 标准。其中，APL 的框架包括了应用支持子层(APS) 、ZigBee设备对象( ZDO) 以及由制造商指定的应用对象。ZigBee 的体系结构如图3所示。图3 ZigBee 体系结构图ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术7，其PHY层和MAC层协议为IEEE802.15.4协议标准。网络层由ZigBee技术联盟指定，应用层的开发应用根据用户自己的需要进行，因此该技术能够为用户提供机动灵活的组网方式。ZigBee的主要应用领域包括工业自动化、智能楼宇、消费和家用自动化以及医用设备控制和农业应用等方面。 1.2分布式协调控制系统1.2.1分布式控制系统的架构分布式控制系统(Distributed Control SystemDCS) 是应用计算机技术对生产过程进行集中监测、管理和分散控制的综合性网络系统8。自1975 年美国HONEYWELL 公司推出第一套分布式控制系统( TDC - 2000) 以来，DCS 已经在工业过程控制领域中得到了广泛的应用。纵观其近三十年的发展历程，计算机(Computer) 技术、控制(Control) 技术、通信(Communication) 技术以及显示技术(CRT) 的不断进步与DCS 的更新换代息相关。这些高新技术将为DCS迈向大型化的计算机集成制造系统(CIMS) 提供有力的支持和保障。DCS 是分级递阶的控制系统，集中管理和分散控制是它的主要特点。采用分级递阶的体系结构，主要是从系统工程的角度出发，通过功能分层、危险分散来提高系统的可靠性和应用的灵活性。最简单的DCS 至少在垂直方向上分为两级，即操作管理级和过程控制级。在水平方向上各个过程控制级之间是相互协调的分级，在完成现场数据上传和接受操作管理级指令的同时，各水平级间也可进行数据交换。这种分工协作的关系能够使整个系统在优化的操作条件下运行。DCS 中的分散是在相互协调基础下的自治。分散的含义不仅是分散控制，还包含有人员分散、地域分散、功能分散、危险分散、设备分散以及操作分散等含义。分散的最终目的是为了有效提高设备的可利用率。基于上述特点，在局域通信网络(LAN) 的支持下，一套完整的DCS 一般由监控管理级、过程控制级和现场级组成。DCS 的基本结构如图4所示。图4 基于LAN 的DCS 系统结构进入21 世纪后， DCS 又发展到了以现场总线技术支撑的第四代产品，或者称为现场总线控制系统(FCS)。现场总线用新一代的现场总线控制系统代替传统的集散控制系统(DCS)，实现现场通信网络与控制系统的集成。1.2.2现场总线技术现场总线(F1eld BUS)是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式串行多点通信数据总线，是一种数字化的串行双向通信系统，是一种用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备仪表互连的通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成，现场总线系统通常费用较低，构成系统的造价以及与上层网络连接的成本都比较低廉，下面介绍几种较有影响的工业现场总线：(1)HART协议是美国Rosemuont公司1986年推出的一种兼容4mA一20mA模拟信号和调制数字信号的现场总线协议，其数字通信由于采用了调制解调方式，速率很低(1200bps)，严格地讲，HART不属于现场总线，而是模拟系统向数字系统过渡的一种产品。(2)Bitbus总线由Intel公司推出，它是一种低成本的串行控制总线，其物理层使用EIA485标准，采用两对双绞线，一对用于传输数据，另一对用于提供时钟和控制信号。它的数据链路层采用工MB的同步数据链路控制标准SDCL。Bitbus允许一条线路上最多挂接250个节点，它以主从方式工作，最高传输速率50OKbPS，最大传输距离1.2Km。(3)Profibus由欧洲ISP(interoperable System project)组织推出。它是一种多主多从的令牌网络，物理层采用EIA485，数据链路层采用分布式令牌协议，每一个系统允许最多4个网段，每个网段可挂接32个节点。Porfibus自1989年问世以来，其严格的定义和完善的功能成为开放式系统的典范。(4)FF基金会总线由ISP和World FPI组织合并而成的FF组织推出。FF网络除了应用层!数据链路层和物理层之外，还增加了用户层，各厂家设备通过用户层实现互操作。FF总线协议包括低速总线协议Hl和高速总线协议H2，H1和H2可以通过网桥连接。(5)LonWorks是美国Echelon公司推出的，它采用LONTALK通信协议，该协议遵循ISO/OSI参考模型，提供了OSI所定义的全部7层服务，这是一种对等网络，其碰撞检测机制为CSMA加时隙方式，使网络碰撞的几率大大降低。Neuron芯片是LON总线的核心，具有强大的网络处理能力，其物理层可使用多种物理介质，有专门的网络收发器以适应不同的物理线路。(6)CANbus是是一种对等的总线网，其物理层符合ISODIS11895标准，可使用双绞线，数据链路层采用了载波监听冲突检测机制，并增加了优先级控制。CAN的最高传输速率为IMbps，最大传输距离为10Km。以上几种总线中，HART数字信号的传输速率有限，不能接入太多的仪表，一般在10个左右，这限制了它的应用。Bitbus总线是多主多从结构的总线形式，不利于系统的扩展。Porfibus的最远通信距离只有4.8Km。FF基金会总线的协议已经形成，但其现场测试一直没有完整地进行。LONWORKS网络功能强大，但价格比较昂贵。根据冷库温度控制系统的需求和各种总线性能的比较，无论是从距离上看还是多点控制上看，CAN总线适合应用在大型冷库的温度检测中，CAN总线产品价格也比较低，因此本系统采用CAN总线应用于冷库温度控制系统。控制器局域网(controller area network，简称CAN) 是一种多主方式的串行通讯总线， 是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN 总线具有高位速率、高抗电磁干扰性、容错性等特点。1986 年，德国首先提出基于CAN2.0 协议的农业机械总线标准(DIN9684)， 并于1993 年起被欧洲各国的农业机械制造厂商普遍采用。20 世纪90 年代中期，以DIN9684 为基础， 国际化标准组织(ISO) 制定了基于CAN2.0协议的国际标准总线协议( ISO11783) ，到目前为止，ISO11783已经比较成熟和完善，它将成为未来农业机械数据通讯和接口设备的通用标准。1.3空调控制系统1.3.1变风量空调控制基本原理近年来，我国空调事业得到了迅猛发展，随之而来的能量供需矛盾也越来越突出。对于定风量空调系统（Constant Air Volume SystemCAV），维持其送风量大小恒定，通过送风温度的改变来控制和调节某一空调区域的温度，因此比较容易控制，从而达到控制室温的目的，同时也有助于改善气流组织差、空气分布不均匀造成的空调区域内局部过热/过冷等现象。但空调系统的能耗问题很容易被忽略，它根据空调区的最大负荷工况设计送风量的大小，必须使送风机在 100%的转速下工作才能维持送风量的恒定，但事实上，空调区的负荷是随时变动的，并不是每时每刻都等于最大值，以至于在很多情况下都会消耗不必要的能量。所以，在节能方面优于定风量空调系统的变风量空调系统得到了大力推广和使用。变风量空调系统（Variable Air Volume SystemVAV），顾名思义，送风量不再维持不变，为了与空调区负荷的变化相适应，通过调节送风量达到控制室温的目的。由于在全年的大部分时间内，空调系统一直处于部分负荷下的运行状态，而且仅在空调系统全年总运行时间的 10%的时间内，会出现最大负荷，全年负荷率仅为 50%，当空调区负荷发生变化时，VAV 末端装置会自动调节送入房间的送风量，确保室内温度保持在设计范围内，从而使得空气处理机组在低负荷时的送风量减少，空气处理机组的送风机转速也随之而降低，达到节能的目的。因此，20 世纪 70 年代，变风量空调系统秉着其节能潜力大的优势在很多西方国家得到大力推广和广泛应用。变风量空调系统的基本原理是通过改变送风量以适应空调负荷的变化，维持空调房间的空气参数。在空调系统运行过程中，出现最大负荷的时间不到总运行时间的10% ，全年平均负荷率仅为50% ，在绝大部分时间内，空调系统处于部分负荷运行状态。变风量系统通过减少送风量，从而降低风机输送功耗，起到了明显的节能效果9。 而且，楼宇自控系统可根据当前的制冷(制热) 需要，调节冷水机组(热泵机组) 的制冷(制热) 能力及投入运行的台数。根据工况需求，自动组合启动冷水泵、冷却水泵及冷却塔的投运台数，以达到最佳的环境控制和节能效果。积极合理的自控系统有助于延长机组寿命，提高设备利用效率，使系统提供更舒适的环境，避免过冷，更容易达到设计要求。变风量空调系统由空气处理机组、送风系统、末端装置及自控装置等组成，其中末端装置及自控装置是变风量系统的关键设备，它们可以接受室温调节器的指令，根据室温的高低自动调节送风量，以满足室内负荷的需求。其他组成部分与定风量空调系统的作用基本相同。图5 是一个单风道变风量空调系统的结构原理图。图5变风量空调机组组成变风量空调机组是由新风段、回风段、表冷/加热段、送风段、加湿段等组成。新风段引入室外空气(新风)，利用其调节进入空调机组的室外空气(新风)量，达到改善室内空气品质的作用。回风段利用回风段，将室内空气引入空调机组进行处理。其核心是回风调节阀，利用其可调节进入空调机组的回风量。表冷/加热段核心是盘管。在夏季盘管内流动的是70冷水，利用其与通过它的气流进行热交换，达到对空气降温的目的。在冬季盘管内流动的是600的热水，利用其与通过它的气流进行热交换，达到对空气加热的目的。表冷/加热段的盘管上安装有调节阀，通过调节阀门的开度，可调节进入盘管的冷热水量，从而调节处理的空气温度。加湿段核心是加湿器，该加湿器在夏季不工作。在冬季给通过的气流加湿。加湿器上安装有调节阀，通过调节阀门的开度，可调节进入加湿器水量，从而调节处理的空气湿度。送风段核心是配有变频器的送风机，根据负荷的变化调节运行频率，实现温度的调节和节能的双重目的。1.3.2变风量空调控制基本方法VAV 系统是通过改变送入室内的送风量来实现对室内温度调节的空调系统， 因此风量控制是VAV 系统控制的关键环节， 它关系着整个系统的能耗情况和系统的稳定性和可靠性。目前总送风量的控制方法主要有两种： 静压控制法和风量控制法。静压控制法又分为定静压法和变静压法。定静压控制由于简单、运行可靠， 目前仍作为一种主要的控制方法在变风量系统中得到普遍采用， 但不利于风机节能。变静压法可以最大限度地降低能耗， 节能效果显著。Tung 和Wang 等人介绍了变静压控制策略，并分别用实验研究和计算机模拟的方法对两种控制策略的节能情况进行了比较， 结果都表明变静压控制方式比定静压控制方式节能效果好。为了全面提高系统的稳定性， 最大限度地节约能量， Hartman 提出了一个新的概念， 即基于末端装置的风量调节( terminal regulated air volume，TRAV) 。TRAV 基于末端装置实时的风量要求， 采用先进的控制软件， 实施风机控制。其基本原理是， 将末端装置送风温度、温控器读数、风量及阀位信号都送入一个中央控制器， 由它计算后再调节送风状态点(不仅变送风量而且要变送风温度) 。但这种控制方法需要解决两个关键的问题， 即送风状态点的预测和所需送风状态的实现。如果能比较好地解决这两个问题， 就可以避免多个环路之间的相互作用，从而提高系统的稳定性。此外TRAV 要求从建筑到VAV box都应采用先进的DDC 控制。2课题背景及开展研究的意义2.1课题背景当今社会随着人们生活水平的提高，人们对冷藏食品质量的要求也在不断提高，不仅要求食品经冷藏后尽量减少营养成分的损失，还希望能保持原有的色泽。食品外观及营养成分的变化与冷藏温度密切相关，并且不同种类的食品，其相应的最佳冷藏或冷冻温度也不同。在允许的冷藏温度范围内，以较高温度储存食品，对于节省电能，延长制冷设备的使用寿命都很有利。如果冷库制冷系统出现异常， 不仅会造成不必要的经济损失和浪费，还可能会危及人身健康及影响企业信誉， 因此冷库制冷系统的可靠性及稳定性至关重要川。按照使用库温要求分，冷库可分为冷却库、冻结库和冷藏库。冷却库的保持温度通常在0左右，并以冷风机进行吹风冷却，主要用于果蔬之类食品的储藏。冻结库一般库温在2030左右，通过冷风机或专用冻结装置来实现对肉类食品的冻结。冷藏库是冷却或冻结后食品的储藏库，它把不同温度的冷却食品和冻结食品在不同温度的冷藏间和冻结间内作短期或长期的储存。通常冷却食品的冷藏间保持库温-4-2，主要用于储存果蔬和乳蛋等食品。冻结食品的冷藏间的保持温度可达到-18-25，用于储存肉、鱼及家禽肉等。在大型冷库系统中，往往库房个数多，保存的食品种类也多，每个库房有自己所要求的工作温度，因此大型冷库的温度控制控制起来比较复杂。传统的冷库温度控制技术对库房温度测量的准确性不高，而且不能满足节能和智能化要求。变风量空调技术是跨暖通专业和控制专业的新领域，如果没有好的控制策略和在工程中简单可行的实施方法，变风量空调系统达不到预期效果的。在此背景下，探讨变风量空调系统的控制，有着重要的现实意义。另一方面能源资源是有限的。为了降低能耗节能减排，做好变风量空调控制技术在我国具有良好的应用环境和发展潜力。本文采用基于标准湍流模型和三维有限元计算软件，研究了不同送风速度、送风温度和送风方向下空调房间内的气流和温度场分布。该研究结果对空调安装、设计以及环境舒适性评价具有重要的理论与实践意义。2.2开展研究的意义本文针对某冷库的变风量空调控制系统进行了设计及实现工作，试图摸索出一套工程上可行的控制策略及实施方案，提高节能效果，达到要求的设计目标，为以后更多的控制工程的设计和实施积累经验。(l)温度范围调节对于一般的冷冻冷藏要求，只需将温度控制在合适的范围之内即可，当库温高于给定温度上限值时，控制节点发出降温信号，继电器闭合，使电磁阀打开，主阀打开，氨泵运转供液，冷风机起动工作，压缩机起动工作。若库温低于给定温度下限值时，继电器断开，使电磁导阀关闭，主阀关闭，停止该库房的供液，该库房冷风机也停止运转，这样就能把库房温度控制在所需的范围内。当各库房的温度都达到给定温度下限值，不需要供液降温时，氨泵和压缩机自动停止工作。这种可满足一般的温度大范围控制要求。(2)温度精确控制对于一些特殊的冷冻冷藏需求，需要精确的温度，例如血液、特殊化学药品等，因次当给定参考温度时，库温高于给定温度上限值时，控制节点发出降温信号，继电器闭合，使电磁阀打开，主阀打开，氨泵运转供液，冷风机起动工作，压缩机起动工作。通过传感器实时监测库温，对变风量式空调进行吹风量的控制直到温度降到设定温度。这种可满足需要特定温度的控制要求。(3)多空调联合协调控制在一些特定场合，对于空间较大的冷库系统，同一个场所可能在不同位置安装有多个温控设备（空调），它们之间是可视的（没有隔墙），那么该区域的智能控制终端需要根据环境的现状自动进行优化组合、协调动作，改变原来每台空调单兵作战，转换为空调组群团队的作战，群组内可智能控制某个子区域内的节点快速调整环境温度，提高能效。这种可满足需要一些特定场所的控制要求。3研究内容、预期目标及研究方法3.1研究内容3.1.1分布式温度传感器软硬件实现无线传感器网络节点通常由四个主要模块构成10：传感器模块(传感器、信号调整、A/ D 转换器) 、处理器模块(微处理器、存储器) 、无线收发模块(无线网络、MAC、收发器) 和能量供应模块(电源、AD/DC) 。此外，还可选择其他附加的功能模块，例如定位模块、移动设备模块等。无线传感器网络节点其实现机理是以ZigBee 传输模块代替传统的串行通信模块，将采集到的信息数据以无线方式准确地发送出去。软件部分包括整体程序以及所调用的多个子程序模块，分别用来处理相应的功能。初始化模块来初始化系统及ZigBee 模块，查询模块用来查询附近通信节点的信息11-12。通信链路模块用来建立监测区域内节点间的数据链路。数据通信模块用来接收并分析无线传感器网络节点发来的数据信息，处理后将数据信息发送出去。3.1.2变风量式空调系统的控制方法变风量空调系统相对于其他空调系统( 如定风量空调系统) 有很多优点，但是由于建筑物和集中送风系统的复杂性和多样性，在对变风量空调系统进行设计时，确定一种合理、有效、精确的控制方法并不容易，这使得变风量空调系统的普及受到了限制。因此，对变风量空调系统各房间和各个环节建立精确的数学模型具有非常重要的意义。为了获得满意的控制性能， 变风量空调控制系统采用模糊控制与PID 控制相结合的控制方法， 既有利于解决控制系统中的稳定性与准确性的矛盾， 又能增强系统对不确性因素的适应性。这种方法在理论研究和工程实践中具有实际的应用价值和指导意义3.1.3多个空调的分布式控制由于存在多个空调的同时控制，因此我们采用基于CAN总线的分布式控制，控制系统模块采用上、下位机二级分布式结构。上位机是整个系统的控制中枢，采用高性能的工控机。它主要负责导航的整体规划、各驱动器控制信息的发送和状态信息的接收。下位机各电动机控制器负责接收上位机的控制信息，向上位机发送电动机的状态信息，并控制电动机的速度或转角。CAN 通讯网络模块由主节点和执行节点节点组成，控机安装有CAN 接口卡作为主节点，空调控制器各有一个执行节点， 它们通过CAN 总线连接起来13-16。图.6系统结构示意图3.2预期目标3.2.1开发出有效的控制算法并利用Fluent软件进行流体应用验证Fluent airpak是面向工程师、建筑师和室内设计师的专业领域工程师的专业人工环境系统分析软件，特别是HVAC领域。它可以精确地模拟所研究对象内的空气流动、传热和污染等物理现象，它可以准确地模拟通风系统的空气流动、空气品质、传热、污染和舒适度等问题，并依照ISO 7730标准提供舒适度、PMV、PPD等衡量室内空气质量（IAQ）的技术指标。从而减少设计成本，降低设计风险，缩短设计周期。Airpak提供了强大的数值报告，可以模拟不同空调系统送风气流组织形式下室内的温度场、湿度场、速度场、空气龄场、污染物浓度场、PMV场 、PPD场等，以对房间的气流组织、热舒适性和室内空气品质(IAQ)进行全面综合评价，更方便地理解和比较分析结果。它可以实时描绘出气流运动情况，看到速度矢量、云图和粒子流线动画等利用Airpak软件进行冷库物理三维建模并进行空调吹风温度模拟，检测温度并验证控制算法的有效性17。3.2.2对整个系统软硬件进行实现并实际应用于工业场合以冷库中的温度控制系统作为设计对象，选择合适的处理器、温度传感器、发射器等器件，搭建硬件平台18-20，用CAN现场总线的连接方式实现对冷库变风量式空调系统的控制，进一步从硬件系统的构造成本、综合性能和功能的可扩展性等方面，说明该方案的科学性、合理性和可行性，并且对其他要求低成本的温度控制场合具有推广应用价值。3.3研究方法3.3.1基于Zigbee的无线传感器网络通信无线通信模块选用CC2430 芯片。CC2420是Chipcon As公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器。该器件包括众多额外功能，是第一款适用于ZigBee产品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF 03技术，以0.18um CMOS工艺制成 只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kbps可以实现多点对多点的快速组网。CC2420只需要极少的外围元器件。它的外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。芯片本振信号既可由外部有源晶体提供， 也可由内部电路提供。由内部电路提供时需外加晶体振荡器和两个负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。例如当采用16MHz晶振时其电容值约为22pF。CC2420可以通过4线SPI总线(SI、SO、SCLK、CSn)设置芯片的工作模式并实现读/写缓存数据读/写状态寄存器等。通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射/接收缓存器。CC2420片内有33个16比特状态设置寄存器，在每个寄存器的读/写周期中，SI总线上共有24比特数据，分别为：1比特RAM/寄存器选择位(0：寄存器，1：RAM)，1比特读/写控制位(0：写，1：读)，6比特地址选择位、16比特数据位。在数据传输过程中CSn必须始终保持低电平。CC2430 芯片采用0. 18m CMOS 工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA 。在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA 或25 mA。CC2430 的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。利用此芯片开发的短距离射频传输系统成本低、功耗小，适于电池长期供电。具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点，为家庭自动控制、工业监控、传感网络、消费电子、智能玩具等提供了理想的解决方案。无线传感器网络节点系统的软件设计主程序流程如图7 所示。图7 节点软件主程序流程图基于CAN总线的冷库温度监控系统的主要功能是通过温度传感器将冷库的温度传到单片机21，单片机判断温度是否达到限定值来决定是否开启或者关闭压缩机。通过单片机可以将冷库的温度传到上位机里面做数据备份。工作人员还可以通过上位机监控软件查询冷库的实时温度16。3.3.2对非线性时滞空调系统的控制空调系统自控装置的主要任务是维持空调房间的温度在要求的范围内。为了分析方便，可以把空调房间看成一个单容对象，在建立数学模型时，暂不考虑它的纯滞后。由于热量由外界通过围护结构进入室内有很长的延时，以暂不考虑通过围护结构由室外向室内的传热量。变风量空调室温控制框图如图8 所示。 图8 变风量空调室温控制框图从图中可以看出，在该控制回路中使用了一个串级控制回路21-23。该控制回路主回路为一定值控制系统( 将室内温度控制在一定值) ，副回路为一随动系统。主调节器的输出能按负荷和操作条件的变化而变化， 从而不断改变副调节器的给定值，使副调节器适应给定值并随条件而变化，即串级控制系统依靠其副回路，并有一定的自适应能力。其中主控制器控制室内温度，副控制器控制风量。温控器为主控制器，风量控制器( 即VAV 控制器) 为副控制器，构成串级控制回路。VAV 控制器将房间温控器检测到的实际温度和设定温度进行比较，根据比较的差值输出信号作为所需风量的设定值。VAV 控制器根据设定值调节风阀， 改变总风量，使室内温度保持在设定范围内。在系统模型参数变化不大的情况下，PID 控制效果良好，但变风量空调系统是一个干扰大、高度非线性化、不确定的系统，所以单纯的PID 控制效果并不好。常规的PID 控制参数在线调整困难，抗干扰能力比较差，稳定性也比较差，对于大型冷库这种可靠性和稳定性要求高的系统很难控制。而模糊控制是建立在模糊推理基础上的一种非线性控制策略，它通过模糊语言表达了人们的操作经验以及常识推理规则，因此，通过模糊控制，过程的动态响应品质优于常规的PID 控制，并对过程参数的变化具有较强的适应性，而且模糊控制器具有设计比较简单、控制性能比较好的特点。因此，本设计中将模糊( fuzzy) 控制与PID 控制相结合应用于变风量空调控制系统中，通过模糊控制在线调整PID 控制的参数，可以适应系统参数的变化，使变风量空调系统体现出节能的优势。模糊控制与PID 控制相结合的基本思想是以偏差的大小来决定模糊控制和PID 控制的使用情况，在大偏差时采用模糊控制，在小偏差时采用PID 控制，完全适应于对动态特性要求不高而对稳态特性要求高的空调房间。其控制系统流程如图7所示，图中e( k) 为k 时刻的采样偏差值， e0 为允许偏差， y ( k ) 为k 时刻的采样值， r ( k) 为k 时刻的输入值， c( k ) 为k 时刻的输出值。图9控制系统流程3.3.3基于CAN总线的分布式空调控制上位机CAN 节点的主要任务是对CAN 接口卡的初始化、CAN 信息包的发送和接收等。对CAN 通讯接口卡的初始化主要是初始化接口卡的各个寄存器， 设置中断向量、通信的波特率以及中断屏蔽字等必要的参数， 为正常通信做准备。当需要发送CAN 信息包时， 首先要确定信息包的29 位信息标识符， 填入帧头， 并在数据域中填入需要发送的数据信息， 通过发送函数发送给其他CAN 节点。而对于使用接收函数所接收到的CAN 信息包， 也通过其29 位信息标识符， 判断其来源， 对数据域的数据进行提取解析， 得到有效的信息。下位机控制器按功能和结构可分为主处理器、CAN 接口电路、电动机控制电路、数据采集电路等模块。微处理器一方面负责控制其他芯片来实现数据采集、转换、接收、发送和输出等任务， 另一方面还要负责数据的处理工作。CAN接口电路采用Philips 的SJA1000 独立CAN 控制器和PCA82C250 CAN 总线驱动器， 来实现执行节点的信息发送和接收。正交解码与可逆计数专用芯片HCTL2021 用来测量光电编码器输入的脉冲数， A/D 转换芯片MAX197 用来把电动机电枢电流参考模拟量转换成数字量， D/ A 转换芯片MAX508 用来将速度或转角的数字量转换成模拟量， 输出到电动机驱动器来控制电动机。下位机主要完成以下任务：接收上位机控制信息；向上位机传输采集的电动机速度或位置信息；向电动机驱动器输出电压模拟量。各执行节点大部分时间用于电动机的速度或转角的控制，只有当上位机需要电动机状态信息或发送控制命令信息时，下位机才进行信息的接收、电动机状态信息的采集和发送。当下位机确认上位机发送的是请求状态信息时，开始采集电动机的转速或转角和电枢电流等信息， 并将其转换为一定格式的数据，发送给上位机。当下位机确认是上位机发送过来的控制命令信息时， 对其进行解析处理， 并转换为模拟电压， 输出到电动机驱动器上， 从而驱动电动机。3.3.3利用协调编队思想实现多个空调的有效联合控制大型冷库设计容量大，因此安装多个空调实现制冷功能；同时由于储存物品的不同，在每个区域需要不同的温度。但为了创造亮丽美观的视觉效果以及成本等因素，空间各区域开敞而相互连通。由于热空气对流，进入冷库的人流存在高峰和稀少的特点，人多人少是动态的。各个的空调不仅主要影响本区域温度，还影响其他区域的温度变化，这和一般空调控制是不同的。在对空调系统进行控制前，首先构造相互整个空间的温度场。根据无线传感器网络采集到的各节点温度，利用不规则三角网(Triangulated Irregular Network，TIN)模型来对区域温度进行建模，构造出整个空间的温度场24。利用空间场的空间自相关性，通过相邻采样点来局部插值出未知点的温度值。从而达到通过离散的温度特征点来对区域温度分布状况进行布控的目的。将点集转成TIN，最常用的方法是Delaunay三角剖分方法。生成TIN 的关键是Delaunay三角网的产生算法。Voronoi图，又叫泰森多边形或Dirichlet图，它由一组连续多边形组成，多边形的边界是由连接两邻点线段的垂直平分线组成。N 个在平面上有区别的点，按照最近邻原则划分平面：每个点与它的最近邻区域相关联。Delaunay三角形是由与相邻Voronoi多边形共享一条边的相关点连接而成的三角形。Delaunay三角形的外接圆圆心是与三角形相关的Voronoi多边形的一个顶点。Delaunay三角形是Voronoi图的偶图。图10Delaunay三角网与Voronoi图TIN模型由不规则分布的数据点连成的三角网组成，三角面的形状和大小取决于不规则分布的观测点或称节点的密度和位置，因而具有不规则采样、密度不一致的特性。根据区域有限个点集将区域划分为相连的三角面网络，区域中任意点落在三角面的顶点、边上或三角形内。如果点不在顶点上，该点的Z值通常通过线性插值的方法得到(在边上用边的2个顶点的Z值，在三角形内则用3个顶点的Z值) 。所以TIN是一个3维空间的分段线性模型，在整个区域内连续但不可微。TIN既有减少采用格网方法带来的数据冗余，同时在计算效率方面又优于纯粹基于等值线的方法，而且可以在构网时，加入限制条件，从而使它更能反映其他点情况。空调送风位置、送风方向、空调数量、送风温度等参数直接影响温度场和气流组织分布，从而影响制冷环境的效果，而这些影响因素之间具有强耦合、非线性关系。空调制冷过程属于湍流自然流动。 K-方程模型在一定程度上考虑了流动场中各点的湍能传递和流动的历史作用25，能够较好地用于复杂的流体三维流动计算。首先进行空间几何网络模型的构建，然后对室内空调工况的温度场和气流分布进行了三维数值模拟，获得不同送风角度和送风速度参数下气流组织和温度场分布规律。比较温度计算结果与实测值，验证计算模型可靠；对比不同送风角度及送风量大小对气流分布和温度分布的影响，最终选择合适的送风角度及送风量，保证制冷效果，并使其有利于节约能耗。4进度安排2014.06-2014.07：查找总结文献，理清思路，完成开题报告。2014.08-2014.10：前期算法研究，芯片选型应用等。2014.10-2015.03：对算法进行编程实现，整体设计等2015.04-2015.07：现场实地应用，测试等。2015.08-2015.12：后期整理，撰写论文，答辩等。本人签名：年 月 日参 考 文 献1 任丰原，黄海宁，林闯 无线传感器网络J 软件学报，2003， 14( 2) ： 1148-11572 孙利民，李建中，陈渝，等 无线传感器网络M 北京：清华大学出版社， 20053 JENNIFER Y，BISWANATH M，DIPAK G Wireless sensor networks surveyJ Computer Netw