一種基于模糊pid的智能窗簾控制器及智能窗簾的制作方法

一種基于模糊pid的智能窗簾控制器及智能窗簾的制作方法
【專利摘要】一種基于模糊PID的智能窗簾控制器，和智能窗簾的執行電機連接用于控制智能窗簾的遮光部件的開合狀態，其特征在于包括：電機控制部，和執行電機連接，用于發出電流信號來驅動執行電機的運轉；通信部，與外界的智能終端進行通信；光照檢測部，設置在窗簾的室內側，用于檢測室內的光照強度信號；以及位置檢測部，用于檢測遮光部件的位置信號，其中，電機控制部包括單片機主控單元、電源單元、電機驅動單元。由于其中的電機控制部具有的單片機主控單元可以根據環境光的情況，進行模糊PID控制，所以使得本發明的智能窗簾控制器可以準確控制智能窗簾的開閉，滿足人們的合理利用自然光和保護隱私需求。
【專利說明】
一種基于模糊PID的智能窗簾控制器及智能窗簾
技術領域
[0001] 本發明涉及一種基于模糊PID的窗簾智能控制器和窗簾，屬于智能控制領域。
【背景技術】
[0002] 智能家居領域發展迅猛，窗簾智能控制器就是其中一種。窗簾是日常生活的必備 品。它一般有兩個主要功能:一、幫助我們合理利用自然光，當室內光線較暗時，我們可打開 窗簾讓光線照進來;而當室內光線較亮時，又可以打開窗簾;二、保護我們的隱私，夜幕降臨 時，我們習慣拉上窗簾。
[0003] 然而自然光的變化不可捉摸，不同季節，不同天氣甚至一天中的不同時刻，光線的 變化都很大。因此，想要根據室內外光差自動控制窗簾的開閉，并不容易。

【發明內容】

[0004] 本發明為解決上述問題，提供了一種基于模糊PID的窗簾智能控制器和窗簾，其利 用模糊PID控制來解決上述不同情況下光照和控制信號問題來準確控制智能窗簾的開閉， 滿足人們的合理利用自然光和保護隱私需求。
[0005] -種基于模糊PID的智能窗簾控制器，和智能窗簾的執行電機連接用于控制智能 窗簾的遮光部件的開合狀態，其特征在于包括：電機控制部，和執行電機連接，用于發出電 流信號來驅動執行電機的運轉;通信部，與外界的智能終端進行通信;光照檢測部，設置在 窗簾的室內側，用于檢測室內的光照強度信號；以及位置檢測部，用于檢測遮光部件的位置 信號，其中，電機控制部包括單片機主控單元、電源單元、電機驅動單元。
[0006] 本發明提供的基于模糊PID的智能窗簾控制器，還可以具有這樣的特征:其中，位 置檢測部還包括避障單元、遮光部件開度檢測單元，避障單元，用于避開遮光部件開合過程 中的障礙，遮光部件開度檢測單元，用于檢測遮光部件的開度信號。
[0007] 本發明提供的基于模糊PID的智能窗簾控制器，還可以具有這樣的特征:其中，避 障單元為紅外傳感器，遮光部件開度檢測單元包括兩個霍爾傳感器，以相隔四分之一圓周 放置，用于檢測執行電機的轉向以及旋轉圈數并傳送給單片機主控單元。
[0008] 本發明提供的基于模糊PID的智能窗簾控制器，還可以具有這樣的特征:其中，光 照檢測部為光照傳感器BH1750FVI芯片。
[0009] 本發明提供的基于模糊PID的智能窗簾控制器，還可以具有這樣的特征:其中，霍 爾傳感器為3144E開關型霍爾傳感器，紅外傳感器為紅外發射接收管。
[0010] 本發明提供的基于模糊PID的智能窗簾控制器，還可以具有這樣的特征:其中，通 信部與智能終端通信的方式為藍牙或Wi-Fi。
[0011] 本發明還提供一種智能窗簾，包括：智能窗簾本體，包括執行電機和遮光部件；以 及控制器，和執行電機連接用于控制遮光部件的開合狀態，其中，控制器為上述的基于模糊 PID的智能窗簾控制器。
[0012] 發明作用與效果
[0013] 本發明所提供的基于模糊PID的智能窗簾控制器，具有電機控制部、通信部、光照 檢測部以及位置檢測部，由于其中的電機控制部具有的單片機主控單元可以根據環境光的 情況，進行模糊PID控制，所以使得本發明的智能窗簾控制器可以準確控制智能窗簾的開 閉，滿足人們的合理利用自然光和保護隱私需求。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發明的智能窗簾的結構示意圖；
[0015] 圖2為本發明的基于模糊PID的智能窗簾控制器的結構框圖；
[0016] 圖3為光強模糊查詢表。
【具體實施方式】
[0017] 為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，以下實 施例結合附圖對本發明的智能窗簾和基于模糊PID的智能窗簾控制器的結構和使用方法工 作原理作具體闡述。
[0018] 實施例1
[0019] 圖1為本實施例的智能窗簾的結構示意圖。
[0020] 如圖1所示，智能窗簾100包括智能窗簾本體10和基于模糊PID的智能窗簾控制器 20 〇
[0021] 其中，智能窗簾本體10包括執行電機11和遮光部件12以及掛桿13,其中執行電機 11和遮光部件12都安裝在掛桿13上，而掛桿13被固定在窗戶的上部墻壁上。本實施例中遮 光部件12即為普通的窗簾，在執行電機11的控制下開合。
[0022]基于模糊PID的智能窗簾控制器20,和執行電機11連接用于控制遮光部件12的開 合狀態，具有電機控制部21、通信部22、光照檢測部23以及位置檢測部24。
[0023] 其中，電機控制部21，和執行電機11連接，包括單片機主控單元211、電源單元212 以及電機驅動單元213。
[0024] 單片機主控單元211，采用單片機作為平臺，將預先設計好的模糊PID控制模型寫 入到單片機中，這樣就得到了可以進行模糊PID控制的單片機主控單元211。本實施例使用 的單片機型號為宏晶公司的STC89C52RC單片機。下文在使用過程中將詳細介紹控制模型的 構建。
[0025] 電源單元212和單片機主控單元211連接，為其供電，其本身同室內電網連接。
[0026] 電機驅動單元213,和電源單元212連接，并在單片機主控單元211的控制下直接驅 動執行電機11的運轉。
[0027] 通信部22,與外界的智能終端進行通信，通信的方式為藍牙或Wi-Fi，本實施例中 選用藍牙和智能手機進行通信，直接由智能手機上的APP發出指令經通信部22接收后發給 單片機主控單元211進行控制。
[0028]光照檢測部23,設置在遮光部件12的室內側，用于檢測室內的光照強度信號L，單 位為lx。本實施例中選用光照傳感器M11750FVI芯片，安裝在室內，且和單片機主控單元211 連接。
[0029]位置檢測部24,用于檢測遮光部件的位置信號，包括避障單元241、遮光部件開度 檢測單元242。
[0030] 避障單元241，用于避開遮光部件12開合過程中的障礙，使用紅外傳感器，本實施 例中使用紅外發射接收管實現壁障。
[0031] 遮光部件開度檢測單元242,用于檢測遮光部件12的開度信號，由兩個霍爾傳感器 組成，以相隔1/4圓周放置在執行電機11的旋轉軸側，可得到執行電機11轉向以及旋轉圈 數，由單片機主控單元211處理霍爾傳感器的信號便可得到窗簾的行程，即開度信號W，也 就是感應遮光部件12的位置信號W，本實施例中選用的是3144E開關型霍爾傳感器。
[0032] 1.光照模糊控制算法實現。依據模糊控制的原理，選定設定光強SP，設定值與實際 值偏差ER(ER = SP-L),作為模糊控制器的輸入量，窗簾開度U作為輸出量。定義論域為SP[0， 1500]，ER[-600,600]，U[0,IhSPJR為光照強度，單位是Ix13U表示窗簾開度百分比，0表示 全關，1表示全開。
[0033]設定 SP，ER，U 的模糊子集分別為：SP{TS，VS，S，M，B，VB，TB};ER{NB，MM，NS，ZE，PS， ?8};1]汀3，￥3,3，，8，￥8，了8}。3?，1]的物理意義從左至右分別是43極小，￥3很小，3，小，1中 等，大B，VB較大，TB很大。ER的物理意義從左至右分別是:NB遠小于，小于，NS較小于，ZE等 于，PS較大于，PB大于。
[0034] SP，ER，U的隸屬度函數設定為三角形。依據生活經驗，設定模糊控制規則。例如設 定光強（SP)中等(M)，并且偏差值(ER)較大（PS)，那么窗簾的開度應該是M(中等）。利用 MATLAB軟件中的Fuzzy工具箱即可實現上述設置，最終得到49條規則。
[0035]圖3為光強模糊查詢表。
[0036] 編寫MATLAB程序，對Fuzzy工具箱進行仿真，即可得到光強模糊查詢表。該查詢表 寫入STC89C52RC單片機的EEPROM中，單片機根據程序指令，在適當的時候查表，將用戶期望 的窗簾開度即遮光部件12的位置信號輸出。
[0037] 2.模糊自整定PID控制算法實現。模糊自整定PID算法，實際上是利用模糊控制策 略對PID控制器的三個參數進行在線調整，使得系統適應性更加良好，從而到達預期的控制 效果。
[0038]該算法的實現可分為兩部分：I .PID模糊查詢表的生成；2.PID算法。其中PID模糊 查詢表的生成過程與光照模糊查詢表的生成一樣，區別僅在于PID模糊查詢表需要產生三 張表:KP，KD，KI。它們同樣存儲在單片機EERROM中。PID模糊控制算法的輸入為E {NB，NM，NS， ZE，PS，PB};EC{NB，NM，NS，ZE，PS，PB：^|iaSKP{NB，NM，NS，ZE，PS，PB};KI{NB，NM，NS，ZE，PS， PB};KD{NB，匪，NS，ZE，PS，I?}。其中E表示用戶期望位置與實際位置的差值，該差值由位置 檢測模塊中得霍爾傳感器體現計算公式為E = U-W。EC是偏差的變化率。輸出KP，KI，KD表示P 比例，I積分，D微分三個參數的增量，用以整定PID控制器。
[0039] 關于PID算法，采用增量式算法來實現。增量式算法公式如下：
[0040] uout=Uk+KP*【E(k)-E(k-l)】+KI*E(k)+KD*【E(k)-2E(k-l)+E(k-2)】
[0041 ] 增量式的輸出uou t，程序中我們設定為執行電機11中脈寬調制(PWM，Pu I s e Wi dth Modulation)控制波的占空比。從而本控制器可以根據模糊PID得到的值對執行電機11的速 度進行控制，更快更準確的達到期望位置。
[0042] PID算法可以在單片機定時中斷中運行，初始化定時器時選定采樣時間，利用上述 公式，即可實現PID的控制。而對于KP，KI，KD三個參數，利用PID模糊查詢表得到的數據進行 在線整定，即可實現模糊自整定PID控制算法。
[0043] 3.PID初始參數的確定。關于PID控制器的初始參數，需要一定的方法去確定。工程 上經常采用Z-N法。本控制器采用兩種方法來確定PID控制器的初始參數，均可得到期望的 值。
[0044] 方法一：
[0045] 將執行電機11與掛桿13(這里作為窗簾導軌)連接起來后，使得電機PWM控制波的 占空比為最大，在最高速度下運行電機，得到窗簾由全關到全開的時間T。
[0046] 在PID增量式算法中，使得KI=KD = O,選取適當的KP值。通過與計算機的串口通 信，觀察選取的KP值能否在T/10的時間內，使得電機達到最大速度，該值就是合適的KP初始 值。
[0047]關于KI，KD的確定，采取同樣的方式即可確定。要保證系統的超調量以及穩態誤差 在可接受的范圍之內。
[0048]方法二：
[0049]利用C語言編寫整定程序，在程序中利用確定KP的值。最后利用Z-N整定公式KI = 0.2KP，KD= 1.25KP得到完整的參數。該整定程序的思路是，設定KP的初始值，以一定的時間 間隔T對KP的值進行增加，看它是否滿足設定的系統要求。
[0050]該程序是PID控制的子程序，稍加修改，即可實現本控制器的要求。 unsigned int PID_Control(unsigned int set) { unsigned int 61=0,62=0,6^0,^=0; e - set - Speed;
[0051 ] u=Kp *(e-e I )+Ki* e+Kd*(e-2 I+e2); //增量值 e2:el; el=e. return u; }
[0052] 裝置運行原理
[0053] 光照檢測部23,將得到的室內外光差信號ER傳送給單片機主控單元211，單片機主 控單元211通過模糊控制算法計算出窗簾的開度U，即應該到達的位置，從而控制電機驅動 模塊，使得窗簾到達該位置。
[0054]遮光部件開度檢測單元242,將遮光部件12實際到達的位置傳送給單片機主控單 元211，單片機主控單元211通過模糊PID控制算法糾正窗簾的開關程度，從而使遮光部件12 更加精確的到達用戶期望位置。
[0055] 通信部22與單片機主控單元211配合，可以實現藍牙手動控制與光照自動控制的 自由切換。
[0056] 實施例的作用和有益效果
[0057] 本實施例所提供的基于模糊PID的智能窗簾控制器，具有電機控制部、通信部、光 照檢測部以及位置檢測部，由于其中的電機控制部具有的單片機主控單元可以根據環境光 的情況，進行模糊PID控制，所以使得本發明的智能窗簾控制器可以準確控制智能窗簾的開 閉，滿足人們的合理利用自然光和保護隱私需求。
[0058]本實施例所提供的基于模糊PID的智能窗簾控制器，由于位置檢測部還包括避障 單元、遮光部件開度檢測單元，使得本發明的控制器可以躲避障礙，同時遮光部件開度檢測 單元可以實時檢測開度，實現反饋控制，從而更準確的發出控制指令。
[0059]本實施例所提供的基于模糊PID的智能窗簾控制器，由于其中避障單元為紅外傳 感器，遮光部件開度檢測單元包括多個霍爾傳感器，這兩個傳感器結構簡單，價廉易得，更 適合運用在智能窗簾上，使得本控制器易于推廣。
【主權項】
1. 一種基于模糊PID的智能窗簾控制器，和所述智能窗簾的執行電機連接用于控制所 述智能窗簾的遮光部件的開合狀態，其特征在于包括： 電機控制部，和所述執行電機連接，用于發出電流信號來驅動所述執行電機的運轉； 通信部，與外界的智能終端進行通信； 光照檢測部，設置在所述窗簾的室內側，用于檢測室內的光照強度信號；以及 位置檢測部，用于檢測所述遮光部件的位置信號， 其中，電機控制部包括單片機主控單元、電源單元、電機驅動單元。2. 根據權利要求1所述的基于模糊PID的智能窗簾控制器，其特征在于： 其中，所述位置檢測部還包括避障單元、遮光部件開度檢測單元， 所述避障單元，用于避開所述遮光部件開合過程中的障礙， 所述遮光部件開度檢測單元，用于檢測所述遮光部件的開度信號。3. 根據權利要求2所述的基于模糊PID的智能窗簾控制器，其特征在于： 其中，所述避障單元為紅外傳感器， 所述遮光部件開度檢測單元包括兩個霍爾傳感器，以相隔四分之一圓周放置，用于檢 測所述執行電機的轉向以及旋轉圈數并傳送給所述單片機主控單元。4. 根據權利要求1所述的基于模糊PID的智能窗簾控制器，其特征在于： 其中，所述光照檢測部為光照傳感器BH1750FVI芯片。5. 根據權利要求3所述的基于模糊PID的智能窗簾控制器，其特征在于： 其中，所述霍爾傳感器為3144E開關型霍爾傳感器， 所述紅外傳感器為紅外發射接收管。6. 根據權利要求1所述的基于模糊PID的智能窗簾控制器，其特征在于： 其中，所述通信部與所述智能終端通信的方式為藍牙或Wi-Fi。7. -種智能窗簾，包括： 智能窗簾本體，包括執行電機和遮光部件；以及 控制器，和所述執行電機連接用于控制所述遮光部件的開合狀態， 其中，所述控制器為權利要求1-5中任意一項所述的基于模糊PID的智能窗簾控制器。
【文檔編號】A47H23/00GK105962740SQ201610292215
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月5日
【發明人】鄭健博, 焦新兵
【申請人】上海理工大學