Design and Implementation of Fuzzy Temperature Control System for WSN Applications

Department of Instrumentation and Control Engineering, National Institute of Technology Jalandhar, 144011, India Department of Electrical Engineering, Indian Institute of Technology Roorkee, 247667, India

Delhi Technological University Delhi, 110042, India

Summary

Motivated by present day research trends that focus on application specific deployment and information processing in WSN, this paper presents, in general the design and implementation of rule based, simple, robust closed loop temperature control system using Virtual Instrumentation (VI) technology. It can be used for plethora of ZigBee WSN distributed measurement and control applications in areas like environmental monitoring and control, controlled-environment precision agriculture, building automation and process control. Using node based or zone-node based addressing scheme and double-averaging measuring technique, a ZigBee WSN, configured for periodic data transfer over adhoc multihop mesh network, transmits the measured value of zonal temperature as a feedback signal to the dual input, three- term fuzzy temperature controller. The controller software is designed to provide optimized output to drive a heating and cooling actuator network. The self-developed software (application program) with GUI, running on host PC, integrates and controls the operation of the hardware components to provide continuous temperature monitoring and control along with execution of add-on intelligent features. Looking into the practical aspects of deploying actuator network to drive FCEs that require external a.c / d.c power source along with low-power wireless sensor nodes, a novel ZigBee-RS485 HWSAN (heterogeneous wireless sensor -actuator network) is proposed and used as system hardware for low-rate deterministic small to medium control networks. Housed in a small greenhouse (GH) chamber and controlled by system software, this network fuzzy temperature control system provides uniform and precise ambient temperature control within an offset of plusmn;1% over a wide temperature range of -10 to 70°C at a fast rate with information refresh rate as high as 2s. It provides high measurement and control performance and has flexible and versatile design to support not only single zone area base deployment but multi-zonal network deployment, where each zone is treated independently to meet same or different set point conditions. Moreover, the network has desirable level of security in terms of accurate, reliable and timely data transfer, fault tolerant configuration, alarm indication in case of node detection or network communication problem and low battery status indication to avoid battery-drained dead node situation.

Key words

ZigBee - RS485 Heterogeneous wireless sensor actuator network, Fuzzy temperature controller, Greenhouse automation, Virtual Instrumentation, GUI.

1. Introduction

WSN consists of spatially distributed embedded devices called sensor nodes, which form multi-hop adhoc mesh network, to cooperately measure the phenomenon of interest within the application domain and communicate it to a sink node server system that is interfaced to backend communication wired wireless system for end user access. Before deployment each node is preprogrammed in embedded software to execute application specific sensor based data sampling and acquisition, simple computation and wireless multi-hop mesh communication to form a reliable, self configurable and self healing network. A sink node collects raw data packet from each node and interface it via USB or Ethernet to host PC server system. A suitable program running on host PC deciphers the packet and converts it into useful data for analysis, information processing and display on network user interface.

This network not only measures the phenomenon of interest with desired level of accuracy and data integrity, but also provides better spatial and temporal resolution to meet stringent requirements of complex and distributed measurement and control applications that are multi parametric, inaccessible, difficult, impractical and cost prohibitive to solve with wired networks. Concentrating over the application domain of WSN, research review shows successful deployment of the network for data monitoring, event based detection, tracking, object classification, data collection for model building with less attention on control and automation .

Motivated by the concept of incorporating control in WSN, which is the need of some of the typical applications in the area of environmental monitoring and control, control environment agriculture, precision agriculture, building automation and process control , authors in this paper have projected a practical lookout of wireless sensor and control network and proposed the design and implementation of rule based simple, robust closed loop feedback fuzzy temperature control system using Virtual Instrumentation technology for such applications.

In todayrsquo;s WSN application scenarios, depending upon the practical feasibility and need base, different control strategies such as wired wireless, distributed centralized, single multi zone may be used to drive actuator nodes connected to FCEs, Combining control networks with sensor networks, henceforth broadly categories WSN as HWSAN (heterogeneous wireless sensor and actuator network) deploying wireless sensor network and wired actuator network and WSAN (wireless sensor and actuator network) deploying wireless sensor network and wireless actuator network with single zone multi zone controlling capabilities. As compared to WSANs, HWSANs offer more rugged and reliable actuation networks, compatible to drive power hungry actuator nodes but involve wiring overh

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WSN应用的模糊温度控制系统的设计与实现

国家技术研究所仪器和控制工程部Jalandhar，144011

印度理工学院电气工程系Roorkee，247667

印度德里技术大学德里，110042

概要

受当今研究趋势的驱动，专注于应用程序特定部署和信息处理WSN，本文提出了一般的设计和实现基于规则，简单，鲁棒的闭环温度控制系统采用虚拟仪器（VI）技术。它可用于过多的ZigBee WSN分布式测量和控制应用在环境监测和控制，受控环境精密农业，楼宇自动化和过程控制等领域。使用基于节点或基于区域 - 节点的寻址方案和双平均测量技术，被配置用于在自组织多跳网状网络上的周期性数据传输的ZigBee WSN将区域温度的测量值作为反馈信号传送到双输入，模糊温度控制器。

关键词：

ZigBee - RS485异构无线传感器执行器网络，模糊温度控制器，温室自动化，虚拟仪器，GUI。

1.介绍

WSN由称为传感器节点的空间分布式嵌入式设备组成，其形成多跳自组织网络网络，以合作地测量应用域内感兴趣的现象，并将其传送到接收到后端通信有线/无线系统的汇聚节点服务器系统用于最终用户访问。在部署之前，每个节点在嵌入式软件中被预编程以执行基于应用的基于传感器的数据采样和采集，简单计算和无线多跳网状通信，以形成可靠的，可自配置和自修复的网络。汇聚节点从每个节点收集原始数据分组，并经由USB或以太网将其接口到主机PC 服务器系统。在主机PC上运行的合适程序解密分组，并将其转换为用于分析，信息处理和在网络用户界面上显示的有用数据。

该网络不仅以期望的准确度和数据完整性水平测量感兴趣的现象，而且还提供更好的空间和时间分辨率以满足复杂和分布式测量和控制应用的严格要求，这些测量和控制应用是多参数的，不可访问的，困难的，不切实际的和成本的禁止用有线网络解决。集中在WSN的应用领域，研究审查显示成功部署用于数据监控，基于事件的检测，跟踪，对象分类，用于模型建立的数据收集的网络，而较少关注控制和自动化。

由于在WSN中并入控制的概念，这是在环境监测和控制，控制环境农业，精确农业，建筑自动化和过程控制领域的一些典型应用的需要，本文作者已经预测了一个实用的寻找无线传感器和控制网络，并提出基于规则的简单，鲁棒闭环反馈模糊温度控制系统的设计和实现，使用虚拟仪表技术为这些应用。

在今天的WSN应用场景中，根据实际可行性和需求基础，可以使用诸如有线无线，分布式，集中式，单/多区域的不同控制策略来驱动连接到FCE的致动器节点，将控制网络与传感器网络组合，从而将WSN广泛地分类为部署无线传感器网络和有线致动器网络的HWSAN（异构无线传感器和致动器网络）和部署具有单区域/多区域控制能力的无线传感器网络和无线致动器网络的WSAN（无线传感器和致动器网络）。与WSAN相比，HWSAN提供更坚固和可靠的驱动网络，兼容驱动耗电的驱动器节点，但涉及接线开销和控制器远程访问的限制。此外，在控制应用中使用的许多FCE（例如加热器，风扇，阀，冷却器，泵）需要用于由有线电力系统提供的操作的AC / dc电力，因此目前纯粹的无线控制网络不实现，除非新生成节点便于使用纳米技术的车载发电。

为了满足这种严格的控制要求，建议具有基于区域或区域的寻址方案的小到中等规模的确定性网络部署。在这种情况下，要监视和控制的整个网络区域被划分为少量的可管理区域。这里的“区域”被引入以指代由ID号标识的实体。其表示网络的应用域内的特定网格区域，其具有以自组织方式放置的几个无线传感器节点，用于有效测量致动器节点的参数和固定数目以响应于实时时间启动控制动作由传感器节点提供的参数信息。为了解决这种基于区域的传感器和控制网络，提出了一种更简单和更有效的基于区域 - 节点的寻址方案（基于节点的寻址的变体）作为唯一地寻址和识别网络区域中的节点的方法。它使用16位区域 - 节点ID寻址代码，高位和低位字节分别指定区域ID和节点ID。与基于GPS的基于位置的寻址方法相比，这是相对更简单且功率更高的相对基于位置的寻址方案，但是需要仔细部署为特定区域设计的节点。对于其中参数的空间变化非常小的小区域，优选基于单区域/区域的网络部署策略，其中整个网络区域被认为是具有足够数量的传感器节点和致动器节点以adhoc uniform方式进行节拍的单个实体。它使用具有16位节点ID的基于节点的寻址方案来寻址和识别节点。

图1表示出了基于WSN的闭环反馈控制系统的示意图。 WSN是新一代传感器数据采集和采集网络。分布在应用区域无线传感器节点内，将传感器数据包传输到网关节点系统。它收集原始数据包，传播和预处理数据包以检索有意义的传感器信息，以提供控制变量的精确实时值作为控制器的负反馈信号。基于误差和变量，控制器使用常规或AI模拟数字控制技术来产生输出，以驱动致动器系统。使用有线网络或控制信号分组将控制信号无线地传送到无线致动器节点，无线致动器节点又驱动FCE，目的是使误差最小化。在多区无线传感器和控制网络的情况下，控制器在来自各个区域的传感器网络信息之间共享时间以驱动相应的致动器节点。

图1. 一般基于WSN的闭环反馈控制系统示意图

基于该概念，本文的以下部分简要讨论（i）使用VI的设计背景，其解释用于定义作为整体的部件和系统的功能的技术（ii）通常提供硬件部件的需求的系统架构 与系统布局和系统软件的实现（iii）实验工作涉及现场部署新的ZigBee-RS485 MWSAN系统，用于在具有测试结果，结论和未来范围的小GH室中的环境温度控制。

2.设计背景

基于VI，整个系统设计集中在开发单个基于多区域PC的采样，逐点温度网络包获取，分析和致动系统，其中控制循环在来自每个区域的WSN的每个温度信息样本处重复 生成模糊控制器o p信号，以驱动加热和冷却致动器节点所有区域，以在plusmn;1％FSR的误差范围内进行均匀和精确的温度控制。 底层数据采集，分析和控制方法和技术决定了硬件和软件组件的设计，以定义系统的功能。 下面的部分讨论重要组件的设计方法。

（i）数据采集和分析：对于确定性多区域WSN，提出了基于区域节点的寻址方案作为在区域中部署传感器节点并报告最佳测量的区域温度的方法，其中将感测中的误差最小化为反馈信号 控制器。 该方案允许对网络区域进行独立和同时处理，以便在网络区域上均匀和精确地控制环境温度。 在嵌入式软件中预编程每个节点，采样温度传感器，形成包含关于温度，区域ID和节点ID的数字信息的消息包与其他头参数，并将包发送到宿节点服务器系统。 所获取的消息分组被解密并由应用程序层协作地预处理以指示最佳区域温度值，最佳测量电压值，电压和温度报警功能，如下所述：

对于这种采样的WSN系统，考虑具有n个区域和每个区域中m个传感器节点的区域A单元的网络，其中元素被指定为：区域= Z 1（i从1到n变化）。

传感器节点在Zi = SNij（j从1到m变化）。其中每个传感器节点SNij测量节点电压和环境温度。在采样时间t的瞬时的最佳采样温度值（SNijT）t是所收集的最近5个温度采样的平均值，并且由等式1给出。

并且在采样时间t时刻的区域温度（TZi）t的最佳记录值是区域中的节点的最佳采样温度值的平均值，并且由等式（2）给出。

（TZi）t是基于双平均技术为每个区域计算的，是区域温度的当前值和反馈信号给控制器以启动该区域的控制器动作。

对于温度报警通知，区域温度（TZi）t的每个最佳记录值与低温（Tlow）和高温（Thigh）报警值比较，以分别使用比较来激活低（ATlow）i或高 由等式（3）和（4）给出的逻辑语句。

If (T_Zi )_t le; T_low =gt; (AT_low) _Zi uarr;

else (AT_low)_Zi (3)

If (T_Zi )_t ge; T_high =gt; (AT_high) _Zi uarr;

else (AT_high)_Zi darr; (4)

类似地，还测量每个节点的电池电压以记录在采样时间t的瞬时的最佳采样电压值（SNijV）t，采样时间t是由（等式5）给出的最近五个电压样本的平均值。 为了跟踪节点的低电池状态，使用由等式（6）给出的比较的逻辑语句，将电压的电流值与低电池电压值进行比较以激活低电池报警（ABlow）ij。

在单区域/区域部署的情况下，使用具有双平均测量技术的基于节点的寻址方案，并且每个节点用节点ID预编程。 这是上述系统数学描述的极限情况，通过仅消除Z i和i保持相同。

（ii）反馈控制器：它是反映系统工作性能的核心要素。作为支持温度控制策略的专家语言描述，在许多复杂的WSN应用中使用，难以在数学上建模，基于规则的模糊控制模型被用于设计鲁棒温度控制器[11] [12]。它是一个双重I P三项模糊控制器。在范围（-1,1）中的每个控制器I P变量，温度误差（TE =设定点 - 当前温度和温度误差的变化（CTE =（TE）t-（TE）t-1）七个语言术语：负小（NS），负介质（NM），负大（NL），接近零（NZ），正小（PS），正介质（PM），正大全范围重叠和在范围（-1,1）中的控制器O P（FO）被模糊化为三个语言术语：加热器（H），OFF（OFF），冷却器根据输入，某些规则被触发，并使用最大 - 最小推理和最大中心（CoM）去模糊化方法最可能的脆度O P。

为了在具有无线传感器和致动器网络的实时情况下使用，FC 1 / Ps从过程信息导出。 对于通过WSN测量的给定高（TR high）和低（TR low）温度范围，温度设定点期望值（TSP）和区带温度的当前值（TZi）t，控制器归一化I P变量温度误差 ）t和在时刻t的每个区Zi的温度误差（CTEZi）t的变化是使用等式（7）和（8）接受地计算的。

(TE_Zi)_t = T_SP - (T_Zi)_t / T_Rhigh - T_Rlow (7)

(CTE_Zi)_t = T_SP - (T_Zi )_t / 2(T_Rhigh - T_Rlow) (8)

基于这些实时I Ps，FC在该时刻为Zi产生O P控制信号（FOZi）t以驱动致动系统。这是共同的设计元件是在从不同区域到区域的顺序驱动致动器节点的温度输入之间共享的时间。控制器设计经过优化，可适应宽温度范围（-10°C至80°C），提供高精度性能，误差为plusmn;1％FSR。

开发了如图2所示的交互式程序，用于测试和绘制控制器的模拟的多个特性作为研究/修改控制器设计的基础，并且还被作为在线访问的主程序的一部分到设施。

（iii）致动机构：

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