一种基于无线传感网络的智能温湿度控制系统和方法与流程

1.本发明涉及温湿度控制领域，尤其是一种基于无线传感网络的智能温湿度控制系统和方法。


背景技术：

2.环境条件中的温湿度指标是许多工作场合的重要参数，不论是仓库管理、图书保存还是工业测量与计量检定，都需要符合操作规定的温湿度环境条件。特别是在生产中，对于温湿度的控制需要更高。但是现有的温湿度控制系统存在一些缺陷，例如：中国专利文献cn201821283126.4公开了一种温湿度控制系统，该方法包括冷热源、新风处理机组、再热系统、辐射系统、第一水泵、第二水泵、第三水泵和电磁阀八个步骤，但该方法的部署不够灵活系统可扩展性不强。中国专利文献cn201720749446.3公开了一种浴室温湿度控制系统，包括温度传感器、湿度传感器、红外探测电路、单片机、继电器驱动电路、继电器、抽风机七个步骤，该方法可以实现在浴室无人使用的情况下自动调节浴室的温湿度的效果，但该方法的部署成本较高mcu资源浪费。
3.因此，设计一套能灵活部署、可扩展性强且部署成本不高的温湿度控制系统就变得很重要。


技术实现要素：

4.本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于无线传感网络的智能温湿度控制系统，通过设计了能灵活部署、可扩展性强的无线传感网络，解决了现有温控系统部署不够灵活系统可扩展性不强且部署成本高的问题。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.本发明一种基于无线传感网络的智能温湿度控制系统，包括温湿度采集模块、zigbee模块、数据处理控制模块和继电器模块；
7.所述温湿度采集模块，包括温湿度传感器节点，用于采集温湿度数据；
8.所述zigbee模块，采用网状拓扑结构方式组网，包括zigbee协调器、zigbee终端节点和路由器，负责各个模块间的通信；
9.所述zigbee终端节点，将采集到的实时温湿度数据，自主预测比对用户预先设置好的温度阈值，来控制继电器模块；
10.所述数据处理控制模块，用于接收、处理zigbee协调器的数据，控制各个模块的工作；所述继电器模块，用于接收、执行数据处理控制模块的指令，控制温湿度设备。
11.以上结构，zigbee模块采用网状拓扑结构方式组网，节点及路由可依据需求拓展，可实现超大规模节点部署，且具有冗余功能；从而系统能灵活部署、可扩展性强、鲁棒性强。并且zigbee终端节点，将采集到的实时温湿度数据，自主预测比对用户预先设置好的温度阈值，来控制继电器模块；从而能够在zigbee终端节点就能实现温湿度控制系统的本地自动控制。
12.作为优选，所述温湿度采集模块包括至少两个温湿度传感器节点。
13.以上结构，针对实际生产生活中区域巨大的面积，通过一个传感器节点采集的温度数据是不准确的，可以设置多个传感器节点实时采集的温度数据，通过zigbee组网，zigbee节点自主调控或者通过经协调器或路由器发往上位机的数据集中处理。
14.作为优选，所述zigbee模块包括至少一个zigbee协调器、zigbee终端节点和路由器。
15.以上结构，zigbee模块由一个zigbee协调器与多个路由及zigbee终端节点组成，可以根据传感器节点分布的不同,灵活组成各种网络拓扑形式,还可以实现节点的自组网、动态添加或删除功能。
16.作为优选，所述数据处理控制模块还连接温湿度显示模块和按键模块。
17.以上结构，由于数据处理控制模块连接温湿度显示模块和按键模块，可在数据处理控制模块所在监控中心显示实时温湿度，还能够通过按键操作。
18.作为优选，所述zigbee终端节点设置有温湿度显示模块和按键模块，通过按键自行设置温度阈值。
19.以上结构，zigbee终端节点可通过按键自行设置温度阈值，还可通过显示模块实现温度的实时显示，方便节点的监控使用。
20.作为优选，所述zigbee终端节点自主调控、通过经协调器或者路由器，给数据处理控制模块发送数据集中处理。
21.以上结构，对于很多传感器采集点的数据，可以通过zigbee发送到数据处理控制模块集中处理，从而减少了控制成本。
22.作为优选，所述数据处理控制模块还对接收的数据进行数据处理，并建立且筛选出最优的预测模型，对过程控制策略进行优化；数据处理控制模块的最优的预测模型，优化的控制策略也可以发送到zigbee终端节点，便于zigbee终端节点自主预测对比，以及控制。
23.本发明一种基于无线传感网络的智能温湿度控制方法，根据基于无线传感网络的智能温湿度控制系统，包括以下方法：
24.s1：温湿度采集模块采集温湿度数据，上传到zigbee终端节点；
25.s2：zigbee终端节点将采集到的实时温湿度数据，自主对比用户预设的温度阈值从而控制继电器开合，或者zigbee终端节点通过zigbee协议把数据发送给协调器,然后协调器把数据发送到数据处理控制模块。
26.作为优选，s3：数据处理控制模块对上传的实时温湿度数据，比对用户预先设置好的温度阈值，来控制继电器。
27.作为优选，数据处理控制模块还包括处理方法：
28.步骤一：接收环境数据，并进行数据预处理；
29.步骤二：采用线性回归算法，并进行正则优化，建立预测模型；
30.步骤三：采用神经网络算法，并进行正则优化，建立预测模型；
31.步骤四：根据rmse、mae、mape评估指标自动选择最优的预测模型；
32.步骤五：通过最优的预测模型，对过程控制策略进行优化。
33.以上方法，数据处理控制模块通过构建大数据算法，基于最优模拟预测模型，对生产全过程进行过程控制策略进行优化，将控制策略优化并将策略发送至终端节点，大大降
低了设计的复杂度,能够更有效地实现温湿度控制中低成本、低功耗、高稳定性等实际需求。
34.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
35.1、本发明解决了现有温控系统部署不够灵活系统可扩展性不强且部署成本高的问题，可以根据传感器节点分布的不同,灵活组成各种网络拓扑形式，形成展性强的无线传感网络，满足不同传感器节点的数据传输需求。
36.2、本发明能够进行多区域的多点监测和数据传输,具有低成本、便于安装、运行可靠等特点。
37.3、本发明通过zigbee终端节点直接自动控制温湿度设备，降低了硬件成本。
38.4、本发明既能够在zigbee终端节点显示实时温湿度、控制温湿度设备和调节阈值，也能在数据处理中心进行集中显示或控制。
39.5、本发明通过大数据算法和最优模拟预测模型，对控制策略进行优化，大大降低控制的复杂度，降低了成本，提高了效率。
附图说明
40.本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
41.图1是本发明一种基于无线传感网络的智能温湿度控制系统的结构示意图。
42.图2是实施例中zigbee终端节点数据采集程序流程图。
43.图3是实施例中zigbee终端节点控制程序流程图。
44.图4是实施例中zigbee终端节点电路图。
45.图5是实施例中网状拓扑结构组网示意图。
46.图6是实施例中基于最优预测模型算法的流程图。
具体实施方式
47.本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
48.本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
49.如图1所示，本发明一种基于无线传感网络的智能温湿度控制系统，包括温湿度采集模块、zigbee模块、数据处理控制模块和继电器模块。
50.温湿度采集模块，包括温湿度传感器节点，用于采集温湿度数据；本模块使用sht11温度传感器实时测量温度数据，采集到的数据由zigbee节点接收。测量温度数据还可以采用dbs18b20或hdc1080dmbr。
51.zigbee模块，采用网状拓扑结构方式组网，包括zigbee协调器、zigbee终端节点和路由器，负责各个模块间的通信；采用嵌入zigbee协议的主控芯片cc2530模块，主控芯片cc5230和温湿度传感器sht11的结合,真正实现了成本低,功耗小,稳定性好的特点。如图2所示，zigbee组网后，接收温湿度采集模块采集的数据，当收到数据，zigbee自主调控或者通过zigbee协调器发送数据到数据处理控制模块；若没有收到数据，发送报错数据。
52.zigbee终端节点，将采集到的实时温湿度数据，自主预测比对用户预先设置好的温度阈值，来控制继电器模块，实现本地自主控制温湿度设备工作，确保区域内温湿度保持在合理范围。如图3所示，zigbee终端节点接收数据后，在节点显示实时温湿度，判断实时温湿度是否小于预设阈值温湿度，若小于预设阈值温湿度，通过继电器控制设备开始加热，并判断是否达到设置阈值温湿度，达到后关闭加热，没有达到继续加热；若大于预设阈值温湿度，发出警报，关闭加热，直到小于预设阈值温湿度。如图4所示，zigbee终端节点电路包括连接的主控芯片cc2530、lcd1602显示屏、继电器电路、警报电路和按键电路。
53.如图5所示，在一定的区域中部署大量的无线传感网络节点，根据需要采用网状拓扑结构方式组网，由一个zigbee协调器与多个路由及zigbee终端节点组成，节点及路由可依据需求拓展。
54.数据处理控制模块，用于接收、处理zigbee协调器的数据，控制各个模块的工作，主要控制继电器。可以选用上位机，sht11采集到的数据由zigbee节点发送到zigbee协调器，协调器通过串口将温度数据发送到上位机，上位机可以显示采集的温度数据还可以通过协调器向终端节点发送指令来修改温度阈值、开启关闭继电器。
55.继电器模块，用于接收、执行数据处理控制模块的指令，控制温湿度设备，比如：电热线、加湿仪、抽风机等。
56.在一些实施例中，还包括显示模块和按键模块。
57.显示模块，本模块采用lcd1602，主要负责本地显示实时温湿度，可以设置在zigbee终端节点，也可以设置在数据处理中心，方便查询显示实时温湿度。
58.按键模块，本模块包括三个按键，负责满足用户的本地使用需求。同样可以设置在zigbee终端节点，通过三个按键自行设置温度阈值，还可通过lcd实现温度的实时显示。
59.本发明还公开了一种基于无线传感网络的智能温湿度控制方法，包括以下方法：
60.s1：温湿度采集模块采集温湿度数据，上传到zigbee终端节点；
61.s2：zigbee终端节点将采集到的实时温湿度数据，自主对比用户预设的温度阈值从而控制继电器开合。由终端节点本地自主控制温湿度设备。
62.在另一个实施例中，zigbee终端节点通过zigbee协议把数据发送给协调器,然后协调器把数据发送到数据处理控制模块；s3：数据处理控制模块对上传的实时温湿度数据，比对用户预先设置好的温度阈值，来控制继电器。通过数据处理控制模块所在的数据处理中心来显示和控制温湿度设备。
63.如图6所示，数据处理控制模块还部署一套大数据算法，采用线性回归、正则化、神经网络、支持向量等多种组合算法，基于最优模拟预测模型，对生产全过程进行过程控制策略进行优化。
64.算法具体包括：
65.步骤一：接收环境数据，并进行数据预处理；数据预处理包括数据清洗、数据归一化、异常数据处理；
66.步骤二：采用线性回归算法，并进行正则优化，建立预测模型；
67.步骤三：采用神经网络算法，并进行正则优化，建立预测模型；
68.步骤四：根据rmse、mae、mape评估指标自动选择最优的预测模型；
69.步骤五：通过最优的预测模型，对过程控制策略进行优化。
70.本发明在一定的区域中部署大量的zigbee终端节点，在不同的监控区域范围内形成一个个传感器网络，通过sht11采集区域内实时温湿度，由zigbee节点经zigbee协调器通过串口发送到上位机，上位机显示实时温湿度及存储数据。上位机还可发送控制指令到zigbee节点。
71.整个系统可以根据传感器节点分布的不同,灵活组成各种网络拓扑形式,还可以实现节点的自组网、动态添加或删除功能。采集的温室环境参数进行显示和存储。基于无线传感网络的智能温湿度控制系统,能够进行多区域的多点监测和数据传输,具有低成本、便于安装、运行可靠等特点。
72.本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。