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基于物联网的老年人卫浴产品智能控制系统
资料介绍
针对目前老年人卫浴产品温度无法智能控制或一直存在控制精度低、耗时长的问题,提出基于物联网的老年人卫浴产品温度自动控制方法.建立老年人卫浴产品控制模型并分析各参数对控制效果的影响,采用最小二乘法对老年人卫浴产品控制模型结构参数进行估计,在此基础上,采用多变量广义预测控制简化算法对模型结构进行辨识,确定水温变冷的速度,采用物联网对老年人卫浴产品温度自动控制方法进行改进处理.实验结果表明,采用改进控制方法时,其温度控制精度、控制所需时间均要优于传统的控制方法,具有一定的优势.
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（完整内容请下载后查看）2017 年 9 月 1 日
第 40 卷第 17 期
Sep. 2017
现代电子技术
Modern Electronics Technique
Vol. 40 No. 17
113
doi：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2017.17.029
基于物联网的老年人卫浴产品智能控制系统
石元伍，余
莎
（湖北工业大学 工业设计学院，湖北 武汉 430000）
摘
要：针对目前老年人卫浴产品温度无法智能控制或一直存在控制精度低、耗时长的问题，提出基于物联网的老年
人卫浴产品温度自动控制方法。建立老年人卫浴产品控制模型并分析各参数对控制效果的影响，采用最小二乘法对老年人
卫浴产品控制模型结构参数进行估计，在此基础上，采用多变量广义预测控制简化算法对模型结构进行辨识，确定水温变冷
的速度，采用物联网对老年人卫浴产品温度自动控制方法进行改进处理。实验结果表明，采用改进控制方法时，其温度控制
精度、控制所需时间均要优于传统的控制方法，具有一定的优势。
关键词：物联网；老年人卫浴产品；温度控制；自动控制系统
中图分类号：TN911⁃34；TP399
文献标识码：A
文章编号：1004⁃373X（2017）17⁃0113⁃03
Internet of Things based intelligent control system for elderly sanitary product
SHI Yuanwu，YU Sha
（School of Industrial Design，Hubei University of Technology，Wuhan 430000，China）
Abstract：Since the temperature of the elderly sanitary product can′t be controlled intelligently，and the temperature con⁃
trol has low precision and long time consumption，an Internet of Things（IoT）based temperature automatic control method of el⁃
derly sanitary product is proposed. The control model of the elderly sanitary product was established，and the influence of each
parameter on control effect is analyzed. The least square method is used to estimate the structure parameter of the elderly sani⁃
tary product control model. On this basis，the multivariable generalized predictive control simplified algorithm is used to identify
the model structure，and determine the cooling speed of water temperature. The IoT is adopted to improve the temperature auto⁃
matic control method of elderly sanitary product. The experimental results show that，in comparison with traditional control
methods，the improved temperature control method has higher control precision and shorter control time，and has a certain advantage.
Keywords：Internet of Things；elderly sanitary product；temperature control；automatic control system
人卫浴产品，但随着控制对象的逐渐增加，其控制系统
0
引
言
的稳定性较差，对于老年人的使用存在一定的风险。文
献[10]提出基于捕鱼算法的老年人卫浴产品智能控制系
统，表现性能优越，但控制范围小，不适合广泛使用。
针对老年人卫浴产品温度控制一直存在控制精度
低、耗时长的问题，提出基于物联网的老年人卫浴产品
温度自动控制方法。通过提出在卫浴产品中植入智能
芯片，借助物联网以实现卫浴温度控制的智能化，满足
老年人居家养老的要求。通过建立老年人卫浴产品控
制模型并对各参数对控制效果影响进行分析，采用最小
二乘法对老年人卫浴产品控制模型结构参数进行估计，
在此基础上，采用多变量广义预测控制简化算法对模型
结构进行辨识，确定沉积速度，采用物联网对老年人卫
浴产品温度自动控制方法进行改进处理。实验结果表
明，采用改进控制方法时，其温度控制精度、控制所需时
间均要优于传统的控制方法，具有一定的优势。
近几年来，我国人口老龄化的问题越来越严重，老
年人已经成为我国的重点保护对象[1⁃3]，因此，供应给老
年人使用的工业产品需要格外注重功能及使用便利性
能，特别是老年人的卫浴产品，这是由于老年人动作迟
缓，调试不当，便容易受到伤害，针对老年人这一特殊群
体的设计和产品的开发供不应求，特别是卫浴产品。本
文通过分析老年人身体各机能的衰退[4⁃7]，以及现阶段老
年人卫浴产品的不健全，希望借助物联网这个现代化平
台找出更符合老年人身体特征的卫浴产品。在物联网
慢慢走进人们生活的今天，家居用品的智能化已经被人
们所接受，文献[8]中将 PID 控制方法应用于老年人卫浴
产品控制系统中，控制时间较为理想，但其稳定性差；文
献[9]中采用 Fuzzy⁃PID 控制方法，实现了智能控制老年
收稿日期：2016⁃12⁃28
万方数据
现代电子技术
2017 年第 40 卷
114
确定模型的结构参数后，可直接推广到多个变量确
1
老年人卫浴产品控制模型
定过程，采用最小二乘法对模型结构进行分析，可表示为：
Ω k - 2 Φ k - 1
)
对老年人卫浴产品进行控制模型构建，可准确地反
(
)
(
θ k = θT k - 1 +
( )
（5）
（6）
(
)
ρ + Ω k - 2 ΦT k - 1
)
映老年人卫浴产品温度的实际特性，可以为老年人卫浴
产品温度控制器及控制方法参数的设置提供充分的理
论依据。由于老年人卫浴产品温度控制器输入量均为
单个，且有滞后现象，可用降阶的滞后二级系统来表示，
老年人卫浴产品控制模型表达式为：
(
)
(
é
ù
Ω k - 2 Φ k - 1
)
(
)
(
Ω k = ΩT k - 2 +
1
( )
(
)
ê
ê
ú
ú
ρ + Ω k - 2 ΦT k - 1
)
û
ρ
(
)
(
ë
式中：ρ 为遗忘因子；Ω k - 2 为正定矩阵。
(
)
2.2 老年人卫浴产品温度自动控制方法
Ke-τs
Ts + 1
G s =
( )
（1）
首先确定隶属度函数，假设控制规则为 Ai 且 Bi，则
C 的控制关系可表示为 μ ∧ μ ∧ μ 。在进行运算
式中：K 为静态增益放大系数；T 为时间常数；τ 为滞
后时间；s 为控制速率。各个参数对控制效果的影响不
同，K ：主要表示被控制对象在静态即稳态时，输入信
号与输出信号之间的关系。当被控对象的自动平衡力
较小时，K 会越大，反之越小。 T ：当控制器的输入量
发生变化，再次达到一个稳定状态时，输出量达到这个
稳定状态所需的时间可表示被控制对象的惯性特点，值
越大，说明变化所需时间越长，反之越短。 τ ：当输入量
发生变化时，输出量也会发生一定的变化，这个变化如
果是在输入变化后的一定时间内发生，则这段时间就是
滞后时间，输出落后变化主要是由于热量的传递和输送
不能马上结束而导致的。
[
]
i
Ai
Bi
Ci
时，使用并集运算方法，其结果可以表示为：
A ∘ A → C ⋂ B ∘ B → C
（7）
（8）
′
′
(
)
(
)
]
[
i
i
i
i
其隶属度函数为：
μ = ∨ μ ∧ μ ∧ μ ⋂ ∨ μ ∨ μ ∧ μ
[
]
}
[
]
{
{
}
A′
Ai
C′
B′
B′
C′
其次，设置基于物联网的自动控制器，步骤为：
（1）为了得到准确的用户温度控制程序，先运用温度
的自诊断程序（主要有 I/O转换部分、存储器、CPU 等），如
果该过程的自诊断没有发生错误，则可继续进行检测。
（2）对于编程器和计算机的请求过程是否受到物
联网的控制，如果有控制就对程序、命令以及各种数据
做相应处理，编程器负责该数据的显示并接收此信息。
（3）各个输入端数据的准确扫描需要中央处理器
把信息快速传送到输入状态寄存器中。
2
物联网的老年人卫浴产品温度自动控制
2.1 老年人卫浴产品控制模型结构
假设采样周期为 Δ，时间常数为 T，其采样周期可
根据其所需能耗情况进行选择，表达式为：
（4）为了使温度控制指令顺利执行，CPU 要对输入、
输出状态执行“处理”，控制指令下的温度通过程序的逻
辑、算术运算，继续将结果准确地传送到输出寄存器内。
（5）全部温度控制指令执行之后，由数据输出部分
将寄存器的当前输出状态集中转换成用户可接收的信
号状态来完成对温度的控制。
2
πT
Δ
a = 1 - srctan
（2）
π
对采集的老年人卫浴产品控制数据进行连续滤波，
去掉杂波及最大和最小值后，取平均值作为当前时刻的
采样数据，对老年人卫浴产品控制数据进行滤波后，采
通过上述阶段完成对温度的自动控制，由于在工作
时会进行重复扫描，温度控制程序在执行时是通过循环的
方式逐个执行，所以无法在同一时刻执行多条指令，即以
串行的方式工作，此方法可避免出现温度控制执行程序匹
配不准的问题，增加温度控制的精度，控制过程见图 1。
用下式进行零均值化处理：
*
ì
í
î
u k = u k - u
i( )
i ( )
i0
i0
,
i = 1,2,⋯,n
（3）
y k = y* k - y
i( ) i ( )
式 中 ：ui0，yi0 分 别 表 示 输 入 、输 出 数 据 的 样 本 分 量 ；
u* k ，y* k 为通过上述过程经对波长过滤后的输入、输
i ( ) i ( )
出数据；u k ，y k 为经过数据均值初始化后的输入、
i( ) i( )
输出数据。
图 1 控制工作过程示意图
对于单输入输出过程，模型结构的辨识即为模型阶
次的确定，在此采用多变量广义预测控制简化算法对模
型结构进行辨识，即确定模型阶次。本文只对一阶模型
3
实验结果分析
上位机系统配置中主控室上位机为研华工控机
进行滞后辨识，确定模型结构的参数，表达式为：
m
610 机箱、14 槽 ISA/PCI 母板、300 V 工业电源，PIV2.0G/
256M/1.44M/50X TNT64M 显存 PCI显卡“，键盘、鼠标、彩
y k = a y t - 1 + b u t - d , i = 1,2,⋯,n （4）
i( )
(
)
(
)
∑
1
i
i0
ij
j = 1
万方数据
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