基于物联网的老年人卫浴产品智能控制系统
石元伍+余莎
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 control has low precision and long time consumption， an Internet of Things （IoT） based temperature automatic control method of elderly 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 sanitary 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 automatic 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
0 引 言
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人卫浴产品，但随着控制对象的逐渐增加，其控制系统的稳定性较差，对于老年人的使用存在一定的风险。文献[10]提出基于捕魚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。
1 老年人卫浴产品控制模型
对老年人卫浴产品进行控制模型构建，可准确地反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：
（1）
式中：为静态增益放大系数；为时间常数；为滞后时间；为控制速率。各个参数对控制效果的影响不同，：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，会越大，反之越小。：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。：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。
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
假设采样周期为时间常数为其采样周期可根据其所需能耗情况进行选择，表达式为：
（2）
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，采用下式进行零均值化处理：
（3）
式中：分别表示输入、输出数据的样本分量；为通过上述过程经对波长过滤后的输入、输出数据；为经过数据均值初始化后的输入、输出数据。
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。本文只对一阶模型进行滞后辨识，确定模型结构的参数，表达式为：
（4）
确定模型的结构参数后，可直接推广到多个变量确定过程，采用最小二乘法对模型结构进行分析，可表示为：
（5）
（6）
式中：为遗忘因子；为正定矩阵。
2.2 老年人卫浴产品温度自动控制方法
首先确定隶属度函数，假设控制规则为且则的控制关系可表示为。在进行运算时，使用并集运算方法，其结果可以表示为：
（7）
其隶属度函数为：
（8）
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。
（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。
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。
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、彩显21”三星2台；组态监控软件为6.0版，运行版256点2套，开发版512点1套；下位机配置为SIEMENS，S7?300。为了进一步证明改进的温度自动控制方法在老年人卫浴产品方面的实用性及可行性，以PID控制方法及Fuzzy?PID控制方法进行温度控制时间方面的对比分析，结果如图2所示。
由图2 可知，采用PID控制方法时，其控制所需时间约为30.5 min，虽然随着控制设备的不断增加，其控制所需时间逐渐降低，但在300～350，450～600处出现上升，稳定性较差；采用Fuzzy?PID控制方法时，其控制所需时间约为26.8 min，但随着控制设备的不断增加，其控制所需时间逐渐降低，且在300～400处出现上升，虽然在450～600之间出现了稳定及下降的趋势，但其整体稳定性较差；采用改进控制方法时，其控制所需时间约为13.5 min，且随着控制设备数量的不断增加，其所需控制时间不断下降，甚至趋于稳定，相比PID控制方法及Fuzzy?PID控制方法分别降低了约17 min及13.3 min，具有一定的优势。
为了进一步证明改进的温度自动控制方法在老年人卫浴产品方面的实用性及可行性，以PID控制方法及Fuzzy?PID控制方法进行温度控制精度方面的对比分析，结果如图3所示。
由图3可知，采用PID控制方法时，其控制精度约为62.5%，虽然随着控制时间的不断增加，其控制精度逐渐上升，但在80～100 s时出现降低的现象；采用Fuzzy?PID控制方法时，其控制精度约为46.2%，但随着控制时间的不断增加，其控制精度逐渐上升，且在90～100处趋于稳定，但其整体稳定性较差；采用改进控制方法时，其控制精度约为92.5%，且随着控制时间的不断增加，其所需控制精度不断上升，甚至很长一段时间趋于稳定，相比PID控制方法及Fuzzy?PID控制方法分别提高了约30.0%及46.3%，具有一定的优势。
为了进一步证明改进的温度自动控制方法在老年人卫浴产品方面的实用性及可行性，以PID控制方法及Fuzzy?PID控制方法进行温度控制效果方面的对比，结果如图4～图6所示。
从图4～图6可以看出：采用PID控制方法时，出现了较大波动，且未达到稳定的范围，效果较差；采用Fuzzy?PID控制方法时，波动较小但较为频繁，效果很差；采用改进控制方法具有较好的控制作用，能够在短时间内将老年人卫浴产品的温度自动控制在较为理想的温度范围内。
4 结 论
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，本文提出基于物联网的老年人卫浴产品温度自动控制方法。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。
参考文献
[1] 于长江，洪炎，苏静明，等.基于物聯网的智能家居控制系统设计[J].科技视界，2016（25）：162.
[2] 区玉俊.基于物联网平台的智能家居监控系统设计[J].电子设计工程，2016，24（11）：157?159.
[3] 李伟，杨伟进，孙二杰，等.基于物联网技术的室内环境智能控制系统设计[J].信息技术与信息化，2015（2）：176?179.
[4] 张晶莹.基于物联网的智能家居控制系统设计[J].装备制造技术，2016，31（6）：54?57.
[5] 何桢烁.基于物联网的智能家居控制系统设计探讨[J].现代商贸工业，2015，36（16）：224?225.
[6] 聂军，莫夫，黄欣欣.基于物联网的智能路灯控制系统的设计[J].数字技术与应用，2015，24（11）：185?186.
[7] 贾庆华.物联网接入技术研究与系统设计[J].通讯世界，2016，22（8）：25.
[8] 陈友文，江昊，邓嵩源，等.一种适用于楼宇集中净化物联网系统的无线传输方案[J].科学技术与工程，2016，34（3）：72?77.
[9] 吕海东，葛日波.云平台分布式智能感知物联网应用开发[J].计算机测量与控制，2016，24（7）：212?214.
[10] 苗凤娟，高玉峰，陶佰睿，等.基于物联网与太阳能光伏的智能温室监控系统设计[J].科技通报，2016，32（9）：89?92.
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 control has low precision and long time consumption， an Internet of Things （IoT） based temperature automatic control method of elderly 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 sanitary 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 automatic 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
0 引 言
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人卫浴产品，但随着控制对象的逐渐增加，其控制系统的稳定性较差，对于老年人的使用存在一定的风险。文献[10]提出基于捕魚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。
1 老年人卫浴产品控制模型
对老年人卫浴产品进行控制模型构建，可准确地反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：
（1）
式中：为静态增益放大系数；为时间常数；为滞后时间；为控制速率。各个参数对控制效果的影响不同，：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，会越大，反之越小。：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。：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。
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
假设采样周期为时间常数为其采样周期可根据其所需能耗情况进行选择，表达式为：
（2）
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，采用下式进行零均值化处理：
（3）
式中：分别表示输入、输出数据的样本分量；为通过上述过程经对波长过滤后的输入、输出数据；为经过数据均值初始化后的输入、输出数据。
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。本文只对一阶模型进行滞后辨识，确定模型结构的参数，表达式为：
（4）
确定模型的结构参数后，可直接推广到多个变量确定过程，采用最小二乘法对模型结构进行分析，可表示为：
（5）
（6）
式中：为遗忘因子；为正定矩阵。
2.2 老年人卫浴产品温度自动控制方法
首先确定隶属度函数，假设控制规则为且则的控制关系可表示为。在进行运算时，使用并集运算方法，其结果可以表示为：
（7）
其隶属度函数为：
（8）
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。
（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。
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。
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、彩显21”三星2台；组态监控软件为6.0版，运行版256点2套，开发版512点1套；下位机配置为SIEMENS，S7?300。为了进一步证明改进的温度自动控制方法在老年人卫浴产品方面的实用性及可行性，以PID控制方法及Fuzzy?PID控制方法进行温度控制时间方面的对比分析，结果如图2所示。
由图2 可知，采用PID控制方法时，其控制所需时间约为30.5 min，虽然随着控制设备的不断增加，其控制所需时间逐渐降低，但在300～350，450～600处出现上升，稳定性较差；采用Fuzzy?PID控制方法时，其控制所需时间约为26.8 min，但随着控制设备的不断增加，其控制所需时间逐渐降低，且在300～400处出现上升，虽然在450～600之间出现了稳定及下降的趋势，但其整体稳定性较差；采用改进控制方法时，其控制所需时间约为13.5 min，且随着控制设备数量的不断增加，其所需控制时间不断下降，甚至趋于稳定，相比PID控制方法及Fuzzy?PID控制方法分别降低了约17 min及13.3 min，具有一定的优势。
为了进一步证明改进的温度自动控制方法在老年人卫浴产品方面的实用性及可行性，以PID控制方法及Fuzzy?PID控制方法进行温度控制精度方面的对比分析，结果如图3所示。
由图3可知，采用PID控制方法时，其控制精度约为62.5%，虽然随着控制时间的不断增加，其控制精度逐渐上升，但在80～100 s时出现降低的现象；采用Fuzzy?PID控制方法时，其控制精度约为46.2%，但随着控制时间的不断增加，其控制精度逐渐上升，且在90～100处趋于稳定，但其整体稳定性较差；采用改进控制方法时，其控制精度约为92.5%，且随着控制时间的不断增加，其所需控制精度不断上升，甚至很长一段时间趋于稳定，相比PID控制方法及Fuzzy?PID控制方法分别提高了约30.0%及46.3%，具有一定的优势。
为了进一步证明改进的温度自动控制方法在老年人卫浴产品方面的实用性及可行性，以PID控制方法及Fuzzy?PID控制方法进行温度控制效果方面的对比，结果如图4～图6所示。
从图4～图6可以看出：采用PID控制方法时，出现了较大波动，且未达到稳定的范围，效果较差；采用Fuzzy?PID控制方法时，波动较小但较为频繁，效果很差；采用改进控制方法具有较好的控制作用，能够在短时间内将老年人卫浴产品的温度自动控制在较为理想的温度范围内。
4 结 论
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，本文提出基于物联网的老年人卫浴产品温度自动控制方法。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。
参考文献
[1] 于长江，洪炎，苏静明，等.基于物聯网的智能家居控制系统设计[J].科技视界，2016（25）：162.
[2] 区玉俊.基于物联网平台的智能家居监控系统设计[J].电子设计工程，2016，24（11）：157?159.
[3] 李伟，杨伟进，孙二杰，等.基于物联网技术的室内环境智能控制系统设计[J].信息技术与信息化，2015（2）：176?179.
[4] 张晶莹.基于物联网的智能家居控制系统设计[J].装备制造技术，2016，31（6）：54?57.
[5] 何桢烁.基于物联网的智能家居控制系统设计探讨[J].现代商贸工业，2015，36（16）：224?225.
[6] 聂军，莫夫，黄欣欣.基于物联网的智能路灯控制系统的设计[J].数字技术与应用，2015，24（11）：185?186.
[7] 贾庆华.物联网接入技术研究与系统设计[J].通讯世界，2016，22（8）：25.
[8] 陈友文，江昊，邓嵩源，等.一种适用于楼宇集中净化物联网系统的无线传输方案[J].科学技术与工程，2016，34（3）：72?77.
[9] 吕海东，葛日波.云平台分布式智能感知物联网应用开发[J].计算机测量与控制，2016，24（7）：212?214.
[10] 苗凤娟，高玉峰，陶佰睿，等.基于物联网与太阳能光伏的智能温室监控系统设计[J].科技通报，2016，32（9）：89?92.
