基于ZigBee技术的军体...室内温度自动监测和控制系统_巩博.pdf

收稿日期:2022-10-31基金项目:军事人才资助计划(军事人才资助计划:编号:SZ-RCZZ)作者简介:巩博(1985-),男,陕西商洛人,中级,硕士,体育教育学。通讯作者:陈杨(1986-),男,陕西商洛人,中级,硕士,研究方向为体育教育。基于 ZigBee 技术的军体馆室内温度自动监测和控制系统巩 博,马 涛,董润峰,陈 杨(空军军医大学,西安 710000)摘 要:为了实现军体馆室内温度的监测和控制,提升军体馆室内温度的管理水平,设计基于 ZigBee 技术的军体馆室内温度自动监测和控制系统。系统利用 DS18B20 温度传感器采集军体馆室内温度,所采集温度依据 ZigBee 通信协议传送至控制模块;运行粒子群优化 PID 的军体馆室内温度控制算法,调节 PID 控制器控制军体馆室内温度,并将温度监测和控制结果通过远程监测显示模块实时展示至用户。系统测试结果表明,该系统可以自动监测与精准控制军体馆室内温度,传输军体馆室内温度数据的丢包率低于 0.25%。关键词:ZigBee 技术;军体馆;室内温度;自动监测;控制系统;PID 控制器 中图分类号:TP301 文献标识码:A DOI 编码:10.14016/ki.1001-9227.2023.01.152Automatic Monitoring and Control System of Indoor Temperature in Military Gymnasium Based on ZigBee TechnologyGONG Bo1,MA Tao2 DONG Runfeng3,CHEN Yang4(Air Force Medical University,Xian 710000,China)Abstract:In order to realize the monitoring and control of the indoor temperature of the military gymnasium and improve the management level of the indoor temperature of the military gymnasium,an automatic monitoring and control system for the indoor temperature of the military gymnasium based on ZigBee technology is designed.The system uses DS18B20 temperature sensor to collect the indoor temperature of the military gymnasium,and the collected temperature is transmitted to the control module according to ZigBee communication protocol;Run the particle swarm optimization PID control algorithm for the indoor temperature of the military gymnasium,adjust the PID controller to control the indoor temperature of the military gymnasium,and display the temperature monitoring and control results to the user in real time through the remote monitoring display mod-ule.The system test results show that the system can automatically monitor and accurately control the indoor temperature of the military gymnasium,and the packet loss rate of transmitting the indoor temperature data of the military gymnasium is less than 0.25%.Key words:ZigBee technology;military sports hall;indoor temperature;automatic monitoring;control system;PID controller0 引言军体馆是训练人员强身健体的重要途径,战斗力的发展与基础体能水平存在重要关联。军体馆是为人们提供体育运动的重要场所1,军体馆的环境以及设施水平,是影响运动水平的重要因素。体育馆温度设计时,应该充分考虑运动人员运动过程的舒适性2。适宜的体育馆环境温度,对于人体运动效率以及人体舒适感受均可以产生积极有利的正向影响3。实时监测体育馆室内的环境温度,控制体育馆的室内温度,为体育馆内的运动人员创造良好的运动环境。控制体育馆室内温度时,需要综合考虑人体的运动舒适性与空调能耗4。温度是军体馆室内环境控制的重要参数,PID 控制技术是目前广泛应用于环境温度控制中的重要技术,利用PID 控制技术控制军体馆温度5,为军体馆内的运动人员提供舒适的环境。将 Zigbee 技术应用于军体馆室内温度自动监测和控制系统中,利用高效的通信技术6,提升军体馆室内温度监测和控制性能。ZigBee 技术可以解决以往通信网络受干扰影响较大,以及布线过于繁琐的问题,通过方便、灵活的安装方式提升军体馆室内温度监测和控制效果。目前众多研究学者针对环境监测与温度控制进行研究。翁连娟等人将 ZigBee 技术应用于桑园环境监控中7,实现桑园环境信息的有效监控,具有较高的环境监控性能;杨世忠等人将串级自抗扰控制方法应用于房间温度控制中8,精准控制房间温度。以上两种方法分别可以实现环境信息监控以及温度的控制,但是存在控251基于 ZigBee 技术的军体馆室内温度自动监测和控制系统 巩 博,等制灵敏性较差的缺陷,无法应用于需要较高控制精度的军体馆室内温度监测和控制中。研究基于 ZigBee 技术的军体馆室内温度自动监测和控制系统,利用 ZigBee 技术作为军体馆室内温度自动监测和控制的无线通信技术,实现军体馆室内温度的自动监测和控制。1 系统总体结构依据军体馆室内温度监测和控制需求,采用模块化设计方案,结合 ZigBee 无线通信技术与 ARM 控制技术,构建军体馆室内温度自动监测和控制系统的总体结构图如图 1 所示。利用温度传感器采集军体馆室内温度,将数据利用无线传感通信模块传送至控制模块。控制模块采用基于粒子群优化 PID 的军体馆室内温度控制算法实现室内温度的自动调控,并利用远程监测显示模块将监测和控制结果实时展示至显示界面。军体馆室内温度管理人员可以查询界面,远程查询军体馆室内实时温度,实现军体馆室内温度的实时控制。图 1 系统总体结构图2 系统详细设计2.1 温度采集模块利用温度传感器采集军体馆室内温度,温度采集模块的结构图如图 2 所示。利用温度传感器实现军体馆室内温度的数据采集,选取美信公司的 DS18B20 温度传感器作为采集温度信息的温度传感器,该温度传感器接口方式独特,采用单总线接口方式与核心处理芯片利用I/O 通信。所选取的温度传感器具有接线方式简单的优势9,温度传感器可以采集-15 80 的温度,传感器所采集温度精度为0.1,可以满足军体馆内温度的采集需求。图 2 采集节点电路结构图2.2 无线传感通信模块利用 ZigBee 技术将温度信息传输到控制模块中,同时实现系统中信息的通信。ZigBee 技术适用于远程监控与控制。ZigBee 协议由 PHY 层、MAC 层、网络层以及应用层组成。选取 Z-Stack 协议栈作为软件程序的开发工具。路由器是无线通信网络中的终端设备,终端节点连接温度传感器采集的军体馆室内温度信息10,利用路由节点传送至协调器,实现数据的采集与转发。无线传感通信模块包括以下部分:(1)ZigBee 芯片。选取 TI 公司的 CC2530 芯片作为无线传感通信模块的 ZigBee 通信芯片。该芯片运行ZigBee 无线通信技术,其中设置的射频收发器以及微处理器可以满足 ZigBee 协议的传输需求,具有极强的抗干扰能力11,组网灵活,满足军体馆室内温度自动监测和控制的通信传输需求。(2)ZigBee 节点。无线传感通信模块中 ZigBee 节点的硬件组成结构图如图 3 所示。ZigBee 节点硬件模块主要包括 MC13213 微处理器、射频收发器以及电源单元组成12。温度传感器采集的军体馆室内温度数据与ZigBee 节点连接,实现军体馆室内温度数据的采集与处理。图 3 ZigBee 节点硬件结构图(3)ZigBee 协调器。ZigBee 协调器具有构建网络,管理网络中的终端节点以及路由节点,存储节点信息等功能。无线传感通信模块中的 ZigBee 协调器结构图如图 4 所示。包括 CC2530 通信芯片、CC2591 射频芯片、串口单元等,利用 CC2530 实现 ZigBee 节点的控制。利用 CC2591 提升无线通信时的传输功率以及传输灵敏度。上位机和 ZigBee 节点利用串口单元连接。ZigBee无线通信网络的连接状态利用 LED 灯指示。军体馆室内温度自动监测和控制的无线通信利用 ZigBee 协调器控制,利用 ZigBee 协调器组建无线通信网络,实现信道351自动化与仪器仪表2023 年第 1 期(总第 279 期)选择、地址分配、加入与删除节点的功能13。ZigBee 协调器将所接收的体育馆室内温度采集结果,传送至控制模块的 STM32ARM Cortex-M 微处理器,同时将微处理器输出的控制指令传送至室内温度调节模块调节温度。图 4 ZigBee 协调器结构图2.3 控制模块设计选取 STM32ARM Cortex-M 微处理器作为系统控制模块的处理器,该处理器内核为 ARM920T,是一种 RISC嵌入式微处理器,具有功耗低,性价比高的优势14,运行频率高达 200 MHz。所选取的微处理器利用存储器管理单元管理虚拟内存。STM32ARM Cortex-M 嵌入式微处理器的结构如图5 所示。利用图5 的嵌入式控制芯片结构,实现 RS232 串口驱动、USB 接口驱动等不同类型驱动的扩展。利用嵌入式控制芯片的嵌入式 Linux 内核作为应用程序开发的基础,嵌入式控制芯片可以为用户提供 ARM 数据处理、视频监控、图形显示界面以及网页服务器等众多功能,实现体育馆室内温度的自动监测和控制。STM32ARM Cortex-M 嵌入式微处理器运行粒子群优化室内温度调节模块中的 PID 控制器,调节军体馆室内温度。图 5 嵌入式控制芯片结构图2.4 粒子群优化 PID 的军体馆室内温度控制系统控制模块中的温度控制单元利用粒子群算法优化室内温度调节模块中的 PID 控制器,实现军体馆室内温度调控。应用于室内温度调整模块中可实现军体馆室内温度控制的连续 PID 控制器表达式如下:u t()=Kpe t()+1Tit0e t()dt+1TDde t()dt(1)式中,e(t)与 u(t)分别表示 PID 控制器的输入与输出,Kp与 Ti分别表示 PID 控制器的比例放大系数以及积分时间常数,t 与 TD分别表示时间常数以及微分时间常数。军体馆室内温度控制是一个单输入单输出的非线性控制过程。设置军体馆室内温度偏差作为 PID 控制器的输入量,军体馆室内实际温度作为 PID 控制器的输出。输入 e(t)计算公式如下:e t()=r t()-y t()(2)式中,r(t)与 y(t)分别表示期望军体馆室内温度值与军体馆室内实际温