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[8月赛] [麒麟传说]基于OneNET云平台的百叶窗节能综合控制系统设计

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青铜小One

发表于 2017-8-27 19:16:48 | 显示全部楼层 |阅读模式
    针对重庆地区夏季天气炎热需要遮阳,冬季光照不足需要补光的气候特点,在办公大楼上安装上百叶窗,通过节能算法控制,可以减少办公大楼的耗能,起到绿色节能的目的。通过安装外活动遮阳百叶窗给予舒适环境的同时降低室内空调、照明等耗能,从而实现节能。节能算法能够针对办公大楼的不同朝向和当地不同季节和不同天气条件,对百叶窗的控制策略进行调整。

硬件组成:
    (1)主控模块选择的是麒麟座开发板,使用STM32主控芯片,实物如图1所示,其功能是实现系统的控制,完成硬件与云平台连接,读取传感器数据并上传相关数据,通过控制算法分析,输出电机控制信号和LED灯控制信号
    (2)主要控制对象是小功率的直流电机,可以直接应用到工业条件下,实物如图2所示,其功能是输出旋转运动,带动百叶窗旋转并控制百叶窗旋转角度。
    (3)次要控制对象是室内照明LED灯模拟模块,实物如图3所示,其工作情况反应综合节能控制系统中灯光耗能的节能效果。
    (4)检测模块包含五个传感器,分别是室内温度传感器、室外温度传感器、室内光照传感器、室外光照传感器和ADXL345角加速度传感器,实物如图4所示。光照与温度传感器可以采集室外光照度、室内光照度、室外温度和室内温度数据,提供给主控芯片进行控制算法分析和数据上传。ADXL345角加速度传感器进行角度检测,监测百叶窗角度,实现角度控制。
    (5)扩展模块包含电机驱动和模拟量采集电路,具体的PCB实物如图5所示。扩展模块电路主要包括两部分,第一部分是电机控制电路,第二部分是传感器模拟量采样电路。其中,电机控制电路使用L6202直流电机驱动芯片,芯片外接电路如图6所示。因为一面百叶窗两侧各安装一台直流电机,所以扩展模块上有两个电机驱动芯片。直流电机转动的角度是有约束的,转过180°后,电机会发生堵转,无法继续转动,故在电机电机控制电路中设计了电机运动反馈电路,反馈电路使用LM324来对反馈状态进行识别。反馈电路如图7所示。LM324在反馈电路中起到放大和比较的作用,最终根据电机的运行状态,输出高低电平,主控芯片STM32通过读取端口的高低电平实现对电机运动状态的判断。扩展模块的传感器模拟量采样模块能接两个光照度传感器和两个温度传感器。现有的硬件中,室外光照度传感器的模拟量信号是电压信号,范围是0~5V,经过电路转换后,模拟电压输入范围是0~3V。室内光照度传感器和室内室外温度传感器的模拟型号都是电流信号,范围是4~20mA,经过电路后转化为电压信号。传感器采样电路如图8所示。添加上相应的连接端口,使用cadence软件绘制的PCB板如图9所示。PCB板右侧是信号端和电源端,与麒麟座开发板的扩展端口相连接,实现控制信息的交互。同时与12V和5V电源模块相连接。PCB板下侧是四个传感器接口,均是12V供电。PCB左侧是直流电机接口,可以直接与直流电机相连。
   (6)电源模块选用220V交流电转12V和5V直流电的AC-DC电源模块,实物如图10所示。其主要为传感器、电机驱动芯片L6202和LM324供电

前端设计:
    使用OneNET云平台建立平台应用,实现状态展示和命令下达的功能。状态展示主要包括设备状态、百叶窗运动状态、LED灯亮度等级状态、传感器数据。其中百叶窗运动状态包括百叶窗正转、反转、停止和百叶窗当前角度角度。设备状态如图11所示,通过平台,可以实现一对多的控制。百叶窗当前角度、太阳光线角度、LED灯亮度等级和电机运动状态如图12所示。室内室外光照与温度传感器数据展示如图13所示。命令下达实现的功能主要包括手动与自动模式选择命令,在手动模式下的电机正转、反转、停止命令,在自动模式下的百叶窗控制模式选择命令,包括最佳光照模式和最强光照模式。最佳光照模式下设置了三个室内光照度的期望等级,方便用户进行选择,提高用户体验。命令下达应用如图14所示。

节能算法:
????  依据百叶窗当前角度和太阳光线角度,通过数学分析,得到室外光照度通过百叶窗后室内光照度的计算表达式,如图15所示。
    本项目中使用的节能控制算法的主要思路如图16所示。算法的核心思路是首先根据室外温度判断是否选择控温,在室外温度在低于20摄氏度或者高于30摄氏度时,如果阳光直射应以控温为主,选择挡温或者补温。否则以控光为主。控光在最强光照模式时又对阳光是否直射进行区分,在最佳光照模式时进行闭环的光照度光照度。根据室内光照度和期望的光照度的差值,控制百叶窗旋转对应的角度。在百叶窗控制完成后,根据室内光照度和期望光照度的对比,选择是否打开室内照明LED灯或判断LED灯亮度等级。LED灯的亮度是可调的,若百叶窗控制完成后,LED灯不用打开,则实现了灯光耗能节能。若能减小室内温度和室内期望温度的差值,则能实现空调耗能节能。

    使用现有材料,为控制系统搭建一个百叶窗模型,模型如图17所示。通过模型,可以对百叶窗和LED灯控制情况进行模拟控制,直观的观察百叶窗的运动情况。将模型的控制情况录成视频如附件1所示。附件1演示了百叶窗模型的整体情况、手动模式运动情况、自动模式下最佳光照模式运动控制情况和最强光照模式运动控制情况。附件二是控制系统的源码程序。

图1.麒麟座开发板实物图

图2.直流电机实物图

图3.室内照明LED灯模拟模块实物图

图4.传感器实物图

图5.扩展模块实物图
      


图6. L6202直流电机驱动芯片外接电路图



图7. LM324直流电机反馈电路图



图8. 模拟量采样模块电路




图9. 扩展模块PCB电路图

图10.电源模块实物图

图11.设备状态显示图

图12.百叶窗当前角度、太阳光线角度、LED灯亮度等级和电机运动状态显示图

图13.室内外温度光照传感器数据显示图

图14.命令下发按钮图

图15.光照度传递数学表达式

图16.节能算法框图

图17.百叶窗模型



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青铜小One

 楼主| 发表于 2017-8-27 19:20:17 | 显示全部楼层

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