夏中林

摘要：本文根據(jù)某電子集團(tuán)工作環(huán)境的問題，提出并實(shí)現(xiàn)了基于Zigbee、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能環(huán)境監(jiān)控調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并簡(jiǎn)略介紹系統(tǒng)中Zigbee節(jié)點(diǎn)的硬件構(gòu)成和軟件實(shí)現(xiàn)，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)。經(jīng)實(shí)踐表明，該系統(tǒng)能根據(jù)工作環(huán)境中溫度、濕度、VOC氣體濃度、當(dāng)班職員信息，輔助管理人員分析制定中央空調(diào)等設(shè)備控制策略并執(zhí)行，能顯著提高工作環(huán)境的舒適性，降低空調(diào)等設(shè)施的能耗。

關(guān)鍵詞：Zigbee；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；CC2530

中圖分類號(hào)：TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）07-0010-01

1 引言

環(huán)境是人們工作、生活的重要基礎(chǔ)條件，但在工業(yè)環(huán)境中大量存在焊接、粘合、老化測(cè)試等制造環(huán)節(jié)，造成一些區(qū)域存在溫度較高、有害氣體濃度較大等情況。對(duì)此某電子集團(tuán)啟動(dòng)了智能環(huán)境監(jiān)控調(diào)節(jié)系統(tǒng)項(xiàng)目，該項(xiàng)目使用Zigbee技術(shù)監(jiān)測(cè)環(huán)境的溫濕度、揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）等信息，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)根據(jù)環(huán)境和人力數(shù)據(jù)對(duì)中央空調(diào)、新風(fēng)風(fēng)量等進(jìn)行動(dòng)態(tài)輔助調(diào)節(jié)，為員工提供了一個(gè)健康、舒適的環(huán)境，并顯著降低了相關(guān)設(shè)備能耗。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)分為感知控制層、連接處理層、展示控制層。感知控制層由具有多種感知控制模塊的ZigBee節(jié)點(diǎn)組成，該層傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組網(wǎng)的方式向連接處理層網(wǎng)關(guān)傳送感知信息并獲取控制信息。連接處理層由網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)中間件組成，用于對(duì)數(shù)據(jù)和控制信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換解釋，以及對(duì)接考勤系統(tǒng)獲取人員信息。展示控制層由數(shù)據(jù)庫服務(wù)、智能控制核心和web服務(wù)組成，可將環(huán)境、設(shè)備信息通過圖表等的方式向用戶展示運(yùn)行情況，并通過智能控制核心分析制定控制策略，輔助管理人員控制執(zhí)行。

3 Zigbee節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)的微處理器需要完成Zigbee網(wǎng)絡(luò)的組建與維護(hù)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)間、節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間的無線通訊，以及傳感器數(shù)據(jù)的采集、外設(shè)的控制等工作，并需考慮維護(hù)、抗干擾能力等因素。因此，選用TI公司的CC2530F128做為核心處理器，該芯片自帶無線收發(fā)，從硬件上支持IEEE 802.15.4、Zigbee和RF4CE應(yīng)用，自帶低功耗的8051內(nèi)核、高性能RF收發(fā)器。本次將CC2530與外圍晶振電路、巴倫匹配電路和天線組成高靈敏、抗干擾強(qiáng)的最小化系統(tǒng)。

節(jié)點(diǎn)以CC2530微處理器為核心，可根據(jù)不同需求掛接不同功能器件，包括溫濕度傳感器、VOC氣體傳感器、光敏傳感器、繼電器控制和485通訊接口。其中溫濕度傳感器通過單通道串行方式與CC2530連接提供溫濕度數(shù)據(jù)，VOC氣體傳感器通過CC2530的ADC接口經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換提供氣體濃度信息，光敏傳感器通過上連上拉電阻連接到CC2530的輸入引腳提供環(huán)境工作狀態(tài)，繼電器控制電路通過下拉電阻連接到CC2530輸入引腳驅(qū)動(dòng)外部電機(jī)設(shè)備。

溫濕度傳感器選用DHT11，用于系統(tǒng)判斷是否處于合適的人體舒適環(huán)境。這是一種含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度傳感器，可測(cè)量相對(duì)濕度20%-90%RH、攝氏溫度0-50℃，傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接[1]。同時(shí)DHT11具有響應(yīng)速度快、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

VOC氣體傳感器選用MS1100來感知周圍環(huán)境中的揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）濃度，用于系統(tǒng)判斷是否需要置換空氣。MS1100是一種VOC電阻型傳感器，對(duì)甲苯、甲醛、酒精等有機(jī)氣體靈敏度高，能達(dá)到0.1ppm，并具有穩(wěn)定性高、連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

光敏傳感器選用GL5516光敏電阻獲取環(huán)境明暗信息，用于系統(tǒng)判斷是否有人在工作。繼電器控制電路選用ULN2003驅(qū)動(dòng)繼電器控制外設(shè)電機(jī)工作，用于系統(tǒng)控制新風(fēng)系統(tǒng)換氣、區(qū)域送風(fēng)量。485通訊接口選用MAX3488E將CC2530的串行信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)485信號(hào)，用于系統(tǒng)控制中央空調(diào)。

3.2 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為兩類：簇頭節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)，其具體類型通過自由競(jìng)爭(zhēng)決定。普通節(jié)點(diǎn)功能較少，僅有比較加入附近簇、定期將VOC濃度等環(huán)境信息上傳、按控制指令進(jìn)行外部設(shè)備控制等功能。簇頭節(jié)點(diǎn)較普通節(jié)點(diǎn)增加建立簇、管理簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的功能以及簇內(nèi)數(shù)據(jù)融合等功能。

本系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的軟件采用TI的Z-Stack-CC2530協(xié)議棧開發(fā)。該協(xié)議棧是TI公司推出的遵守Zigbee2007規(guī)范的協(xié)議棧，它可以兼容IEEE802.15.4/Zigbee的CC2530片上系統(tǒng)解決方案[2]。節(jié)點(diǎn)在通電啟動(dòng)后，通過ZMain中的main函數(shù)依次對(duì)底層硬件和軟件系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后載入OSAL任務(wù)，初始化各感知控制模塊、進(jìn)行自組網(wǎng)管理、數(shù)據(jù)收發(fā)以及外設(shè)控制等。

4 智能控制核心

智能控制核心采用基于BP多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來制定系統(tǒng)調(diào)節(jié)策略。本次BP算法采用三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包括輸入層、輸出層以及一層隱層。對(duì)于廠房環(huán)境主要考慮溫度因素，由于廠房環(huán)境相對(duì)封閉應(yīng)遵循能量守恒定律：

房間內(nèi)熱量=進(jìn)入室內(nèi)空氣熱量+室內(nèi)外交換熱量+設(shè)備人員的散熱量-外排空氣熱量

而人體熱量模型參考靜態(tài)熱舒適方程：

人體新陳代謝率-人體所做功率=呼吸散熱量+皮膚散熱量+人體蓄熱率。

因此，輸入層輸入僅從全局考慮當(dāng)班人員數(shù)量、人體散熱、機(jī)械和電腦等設(shè)備散熱以及設(shè)備工藝的VOC等數(shù)據(jù)即可?？刂颇Ｐ陀?xùn)練初期使用歷史天氣、人員和能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行，試運(yùn)行階段直接使用真實(shí)數(shù)據(jù)訓(xùn)練。經(jīng)多種方法比較以及權(quán)重、閥值、神經(jīng)元數(shù)量和訓(xùn)練次數(shù)等參數(shù)的調(diào)整和對(duì)比，最終使用自適應(yīng)學(xué)習(xí)率加速BP算法收斂，確定隱層神經(jīng)元為16以及散熱權(quán)重等。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)雖然在智能控制核心未訓(xùn)練好前出現(xiàn)較大電能消耗和局部舒適度不佳的情況，但經(jīng)四個(gè)月個(gè)多月的試運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整后，誤差和預(yù)測(cè)效果趨于穩(wěn)定，能有效根據(jù)廠房環(huán)境中的溫度、濕度、VOC氣體參數(shù)、當(dāng)班職員等信息，分析并輔助控制中央空調(diào)、風(fēng)閥、風(fēng)機(jī)等，為工作人員提供舒適的工作環(huán)境，并顯著降低中央空調(diào)等設(shè)備能耗。

參考文獻(xiàn)

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