使用电机控制参数进行权限动态验证的空气调节方法

摘要

本发明涉及一种使用电机控制参数进行权限动态验证的空气调节方法，利用控制系统控制电机按照规定运动方程转动，利用补偿参数对电机的控制脉冲进行补偿，保证控制的准确性。同时，该补偿参数可以用做权限控制，从而提高系统的安全性。

说明书

技术领域

本发明属于自动控制领域，特别属于电机控制领域。

背景技术

目前在日常生活中，大多使用空调和空气净化器进行室内空气控制，当夏天天气热的时候，关闭门窗，开启空调调低到合适的温度保持室内温度凉爽，当冬天天气冷的时候，则可以开启空调调高到合适的温度保持室内温暖。当室外出现雾霾等空气质量不好的时候，还会在室内开启空气净化器，用于保持室内空气清洁舒适。

传统的方式，大多是采取人工操作的方式，即通过电源开关或遥控器的方式来操作空调或者空气净化器。在操作开启空调或空气净化器之前，还需要先去关闭窗户，保证室内空气密闭的情况下，再去开启诸如空调或空气净化器等空气控制系统。

目前也有利用手机远程控制调节室内空气的方案，但都是针对电器去控制，实际只是控制了屋内循环，并没有实现最重要的空气出入口（窗户）与相关电器联合控制。而对于窗户的控制，目前都是手动完成，大多只能实现开闭，而无法精确控制，更无法和其他家电配合。

传统的室内控制存在以下一些问题：

1.基于人工操作控制的方式操作室内空气控制系统，不能给用户带来很好的体验。当用户需要进行室内空气控制，比如调低气温或进行空气净化时，传统手工的方式，需要手工操作开启，并等待一定的时间，才能使室内达到预期的温度和空气质量。而在这期间，用户只能等待，用户体验不佳。

2.目前一些室内空调或者空气净化器等，也提供了远程操作开启的功能，可以在用户需要进行室内空气控制之前提前开启，减少用户的等待，但是这样的控制都是基于单个控制器的，比如对于室内的空调或者空气净化器的，没法做到空气控制系统内的多个控制器的联动控制。

3.此外，对于室内空气控制，如果没有先关闭窗户，即开启了控制器，也无法实现室内空气的有效控制，而传统的方法，均是通过手工方式关闭窗户，这样大大降低了室内空气控制系统的可用性。

4.电机控制窗户开合会由于传动机构、电机老化导致开合角度不准确，特别是闭合时闭合不严，同时传统的电动开窗方式在系统受到攻击时存在较大安全隐患。

5. 经过申请人研究发现上述老化的主要原因关键在于电机驱动窗户开合时，通常采用匀速方式，而由于窗户与其他被驱动物内部结构不同，较大的冲击会带来机械结构的老化。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出如下解决方案

一种使用电机控制参数进行权限动态验证的空气调节方法，包括

（1）用户输入期望的开窗角度θ1和开窗持续时间T1，控制系统向窗户电机发送控制信号，驱动其按照运动曲线θ=a*t^2+b*arctan(c*t)进行开启，其中a，b，c为运动控制系数；

（2）检测窗户电机的转动信号，当开窗角度到达θ=θ1/2的时刻，此时控制系统向空调电机发送启动信号，空调确定送风量，风量P=m*θ，其中m为风量控制系数。在窗户开启角度较小时，说明用户换气需求相对较小，因此选择低风量，而如果窗户开启角度较大，说明客户需要在短期内完成换气，因此选择大风量；

（3）当送风时间达到T=n*θ（其中n为送风时间控制系数）时，控制系统向空调电机发送驱动信号，保证送风量按如下公式进行P= m*θ/(t+1)+ m*θ/4；

（4）当送风时间达到预定T1时，控制系统向窗户电机发送控制信号，驱动其按照运动曲线θ=a*t^2+b*arctan(c*t)进行闭合；

（5）监测窗户电机的驱动信号，当其信号减小到0时，控制系统向净化器电机发送启动信号，驱动净化器电机转动；

（6）监测室内空气质量，当PM2.5下降到客户期望的阈值之下，控制系统停止净化器电机，并向空调电机发送启动信号，空调根据温度设定进行工作；

在窗户电机空闲时，驱动窗户电机使得窗户打开θ1角度，测量窗户打开的实际角度θ’，计算补偿参数R=θ’/θ1；

在步骤（1）中包括权限控制，用户需要输入补偿系数R，控制系统从数据库中存储的补偿参数与用户输入的补偿参数进行验证，当验证补偿参数一致时才向窗户电机发送控制信号，同时，基于该补偿参数进行窗户电机的实际工作脉冲控制。

特别的，基于该补偿参数进行窗户电机的实际工作脉冲控制包括：Q=R*w*θ0/B，其中Q为实际工作脉冲，w为传动系数，θ0为客户期望的开窗角度，B为电机步距角。

特别的，窗户电机、空调电机及净化器电机均与控制系统权限模块连接。

一种基于电机控制的空气调节系统，包括

窗户装置、空调装置、净化器装置，

无线信号发射和接收模块，用于三个电机与控制系统通讯；

控制系统，用于数字化操控电机；其包括室内空气控制系统数据库，用于存储电机控制参数，还包括空气系统的控制查询模块，提供给用户用来对室内空气指数、电机控制本地状态进行查询的功能。

特别的，控制系统还包括控制消息处理模块，用于进行各类信息接收、确认、处理，三个电机的控制信息和状态信息，都经过消息处理模块进行分析处理。

特别的，控制消息处理模块采用分布式消息队列的机制。

技术效果及发明点：

1、传统空气调节系统只能控制单个电器或家居，无法实现联动配合。而本发明将能够调节空气的多个电器和窗户配合控制，并且设置特殊的控制流程，实现了智能化空气调节。

2、个别联动配合的系统也是基于单个电器输出的信号，而本发明基于电机信号，更加直接准确，方便控制。

3、传统对于窗户电机的控制较为简单，即开闭两种状态。本发明提供了窗户角度的控制方法，能够更人性化，同时能够更好地与空调、净化器系统配合。

4、传统对于窗户电机的控制较为简单，窗户的开闭是匀速运动，这样在启动和停止时都会对电机及机械系统造成较大冲击。而本发明优化了电机运动方程，保证了系统的可靠性和耐用性。

5、传统对于窗户电机控制精度不够，随着电机使用及机械传动系统老化，特别是窗户开闭系统老化，难以达到精确的开闭要求（影响与空调、净化器的配合），甚至难以闭合。而本发明设定了自检程序，利用补偿系数精确控制电机，实现了窗户的精确开闭。

6、传统自动开闭窗户难以推广的重要原因在于安全性，本发明创造性地采用补偿系数作为电机启动的验证，更加动态随机，使得系统安全性更高。

同时，由于篇幅所限，上述发明点仅为有限列举，说明书中其他对于现有技术的改进同样为本发明的发明点。

附图说明

图1是基于电机的空气调节系统的流程图。

图2是基于电机的空气调节系统功能结构示意图。

图3是基于电机的空气调节系统流程示例示意图。

具体实施方式

图1是基于电机的室内空气控制系统的流程图，包含如下步骤：

（1）客户通过室内空气控制系统的信息查询模块，查询室内的空气质量指数，包含PM2.5指数，室内温度等信息。当空气质量指数正常时，表明室内的空气质量良好，此时无需进行室内空气控制。

（2）当空气质量指数异常时，比如室内温度超过设置的正常区间，室内的PM2.5指数超过设定的阈值等情况，则室内空气控制系统开启室内空气控制流程。

（3）室内空气控制系统查询模块，查询室内空气控制系统数据库，获取控制本体T1（窗户）开闭状态信息。如果控制本体T1开闭状态为开启，则启动控制本体T1开合控制子流程。反之，如果此时控制本体T1状态为已闭合，则跳过该子流程。

（4）在控制本体T1（窗户）开合控制子流程中，室内空气控制系统通过无线信号收发模块，开启用于控制窗户开合的步进电机A1，并向该电机的数字控制器C1发送脉冲控制信号。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机，旋转角度和速度根据脉冲信号给出实现转动，转动的角度控制非常精准。对于步距角B的步进电机，转一圈所用的脉冲数N=360/B。丝杆螺距H，表示电机转一圈转换成直线位移的距离。这样依据公式M=H/N，可以算出该电机的脉冲当量。假设窗户长度为X，窗户的开合角度为θ，则所需位移为Y=X*sinθ。则该步进机需要转的圈数为Q=Y/H，总共所需要的脉冲数为T=Q*N。上述相关的电机参数均存放在室内空气控制系统数据库中。步进电机A1，通过传动结构装置D1，将窗户闭合。

（5）控制本体T1闭合后，无线信号收发模块将其闭合信息发送给室内空气控制系统。并触发后续操作控制步骤。本发明方案将电机参数信息存储在室内空气控制系统中，并通过无线信号收发模块，开启步进电机，实现了电机的联动控制，这部分应该作为本发明方案的一个发明点。

（6）在完成控制本体T1（窗户）闭合后，室内空气控制消息处理模块收到通过无线信号收发模块发来的窗户闭合的消息，修改电机控制本体状态信息，并调用室内空气控制系统权限校验模块进行控制本体T2，比如空气净化器的校验。如果室内空气控制系统权限校验模块允许对控制本体T2进行控制，则开启该控制本体T2的控制子流程。反之，则跳过该子流程。

（7）对于控制本体T2，比如空气净化器，系统通过室内空气控制系统消息处理模块，将需要开启的信息发送到室内空气控制系统的控制模块。控制模块收到该消息后，通过控制本体T2电机组对应的智能开关，开启该控制本体。

（8）控制本体T2（空气净化器）开启后，通过无线信号收发模块，将其开启的状态信息发送到室内空气控制系统的消息处理模块，室内空气控制系统可以确认控制本体T2已完成开启。

（9）对应的，当控制本体T2（空气净化器）开启后，室内空气质量例如PM2.5指数等信息，也会通过无线信号收发模块，发送到室内空气控制系统的信息收集模块，用户可以通过室内空气控制系统的信息查询模块，查询到室内空气指数等相关信息。

（10）当确认控制本体T2（空气净化器）已开启后，室内空气控制系统权限校验模块对于控制本体T3，比如空调进行校验。如果室内空气控制系统权限校验模块允许对控制本体T3进行控制，则开启该控制本体T3的控制子流程。反之，则跳过该子流程。

（11）对于控制本体T3，比如空调，系统通过室内空气控制系统消息处理模块，将需要开启的信息发送到室内空气控制系统的控制模块。控制模块收到该消息后，通过控制本体T3电机组对应的智能开关，开启该控制本体。

（12）当控制本体T3（空调）开启后，通过无线信号收发模块，将其开启的状态发送到室内空气控制系统的消息处理模块，内空气控制系统则可以确认控制本体T3完成开启。

（13）对应的，当控制本体T3（空调）开启后，室内温度信息，也会通过无线信号收发模块，发送到室内空气控制系统的信息收集模块，用户可以通过室内空气控制系统的信息查询模块，查询室内温度信息。用户通过室内空气控制系统的信息查询模块，可以实时查询室内空气指数，温度等信息，提供给用户在线实时的室内空气情况查询，并以此进行操作控制这应该是本方案的一个发明点。

（14）当用户需要关闭室内空气控制时，室内空气控制系统的权限校验模块，从系统数据库中查询控制本体T3的状态，判断其状态为已开启，则启动关闭控制本体T3的子流程。

（15）对于控制本体T3，比如空调，系统通过室内空气控制系统消息处理模块，将需要关闭的信息发送到室内空气控制系统的控制模块。控制模块收到该消息后，通过控制本体T3电机组对应的智能开关，关闭该控制本体。

（16）控制本体T3关闭后，通过无线信号收发模块，将其关闭的状态发送到室内空气控制系统的消息处理模块。室内空气控制系统则可以确认其已完成关闭。

（17）室内空气控制系统的权限校验模块，从系统数据库中查询控制本体T2的状态，判断其状态为已开启，则启动关闭控制本体T2的子流程。

（18）对于控制本体T2，系统通过室内空气控制系统消息处理模块，将需要关闭的信息发送到室内空气控制系统的控制模块。控制模块收到该消息后，通过控制本体T2电机组对应的智能开关，关闭该控制本体。

（19）室内空气控制系统的权限校验模块，从系统数据库中查询控制本体T1的状态，判断其状态为已关闭，则启动开启控制本体T1的子流程。

（20）通过步进电机打开控制本体T1（窗户）。对于控制本体T1，之前是关闭状态，此时需要打开窗户，开合角度为θ，当需要开启时，用于控制其开合电机的数字控制器C1，向发送相对应的脉冲信号，驱动电机转动并通过传动装置开启。

（21）特别的，通过步进电机控制窗户开启时，并不是按照均匀的速度开启，而是按照如下类抛物线的运动函数进行运动，即θ=a*t^2+b*arctan(c*t)。其中t表示窗户开启的时间，θ表示窗户开合的角度，a、b、c为运动控制系数，用于保证电机控制窗户开合的顺畅。经过大量实验，当运动控制系数取如下数值时，对整个电机及机械系统影响最小：a=θ/50，b=θ/4，c=0.5。按照前述的电机控制公式，对于步距角B的步进电机，转一圈所用的脉冲数N=360/B。因此，窗户转动θ所需要脉冲数Q=w*θ/B，其中w为传动系数。同时，随着电机的使用时长，可能会电机转动的角度会有误差，或传动系统会有误差，或窗户的机械结构老化导致误差。因此，为了保证电机可以精确的控制窗户开合的角度，则需要定期自检，确定补偿参数JZ用于补偿电机的脉冲当量。

自检方法包括：在窗户电机空闲时，驱动窗户电机使得窗户打开θ1角度，测量窗户打开的实际角度θ’，补偿系数R=θ’/θ1。当用户在实际使用时，需要打开θ2角度的窗户时，实际控制的脉冲数应当为Q2=R* w*θ2/B。这个补偿参数在每次窗户闭合时，就会进行自校验，并将计算的补偿参数通过室内空气控制系统的消息处理模块发送给用户的客户端，同时这个补偿参数也通过室内空气控制系统的数据库模块存储在数据库中。这个补偿参数一方面用于控制电机使得窗户开合角度更精确，另一方面在用户准备通过室内空气控制系统控制开窗时，需要输入这个补偿参数，系统会从数据库中存储的补偿参数与用户输入的补偿参数进行验证，当验证补偿参数一致时才开窗。在本方案中，由于每个窗户电机不同，使用频率不同，误差千差万别，且随时间推移会发生变化，使得纠正误差的补偿参数随机动态变化，因此使用补偿参数相当于动态更新的随机密码，更加安全；另一方面，能够准确控制开窗动作，保证满足开窗角度要求。防止系统受到攻击时由于开关被劫持导致窗户被打开，发生安全隐患，应该作为本方案的一个发明点。

对于更精确的控制，也可以采用如下流程：

（1）用户输入期望的开窗角度θ1和开窗持续时间T1，控制系统向窗户电机发送控制信号，驱动其按照运动曲线θ=a*t^2+b*arctan(c*t)进行开启；

（2）检测窗户电机的转动信号，且θ=θ1/2的时刻；此时控制系统向空调电机发送启动信号，空调确定送风量，风量P=m*θ，其中m为风量控制系数。在窗户开启角度较小时，说明用户换气需求相对较小，因此选择低风量，而如果窗户开启角度较大，说明客户需要在短期内完成换气，因此选择大风量。

（3）当送风时间达到T=n*θ（其中n为送风时间控制系数）时，控制系统向空调电机发送驱动信号，保证送风量按如下公式进行P= m*θ/(t+1)+ m*θ/4。

（4）当送风时间达到预定T1时，控制系统向窗户电机发送控制信号，驱动其按照运动曲线θ=a*t^2+b*arctan(c*t)进行闭合。

（5）监测窗户电机的驱动信号，当其信号减小到0时，控制系统向净化器电机发送启动信号，驱动净化器电机转动。

（6）监测室内空气质量，当PM2.5下降到客户期望的阈值之下，控制系统停止净化器电机，并向空调电机发送启动信号，空调根据温度设定进行工作。

以上是一种控制流程，客户还可以根据需要设定其他的控制流程，比如调整空调电机和净化器电机的开启时机。同时，该流程为简化流程，其具体内容与前述方法相同的地方不再赘述（例如权限），因此对于方案的理解应当包括前述所有方案的组合。

图2是基于电机的室内空气控制系统功能结构示意图。

基于电机控制的室内空气控制系统，包含以下几个模块：

三个控制本体，空调本体T1-窗户、控制本体T2-空调、控制本体T3-空气净化器。

一个传动机构，用于接收电动开窗电机的控制，并传动控制窗户的开合。

一个步进电机，用于驱动窗户开合。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机，旋转角度和速度根据脉冲信号给出实现转动，转动的角度控制非常精准。

两个电机组，用于驱动控制本体T2-空调和控制本体T3-空气净化器。

无线信号发射和接收模块，用于将电机控制本体信息发送到室内空气控制系统。

数字控制器，用于数字化操控电机的控制器。

室内空气控制系统数据库，用于存储电机控制本体信息和电机控制参数，用于权限控制信息等。同时，每次窗户开关记录都会记录在室内空气控制系统的数据库中，包含用于控制窗户开合的步进电机的脉冲数，以及用户开关窗户控制的时间，比如每天11点开始开窗，每天18点关窗。数据库中还会保存用户开关窗户时的空气指数，比如每当空气指数在40到60区间范围内窗户会关闭等。系统依据每次记录的用户开关窗户的数据统计分析该用户的使用习惯，当用于控制窗户开合的步进电机的脉冲数超过阈值或开合窗户的时间区间不在用户习惯时间范围，系统则会向用户发出报警信息，用于提示用户相关异常信息。在本方案中，使用记录在数据库中的步进电机的步距角，形成用户开关窗户习惯数据，并在异常情况时，给用户发出告警提示信息，极大的提升了本系统的安全性，可以作为本方案的一个发明点。

室内空气控制消息处理模块进行各类信息接收、确认、处理的模块。各类控制本体的控制信息和状态信息，都经过消息处理模块进行分析处理。该模块采用了分布式消息队列的机制，采用点对点模型。该模型包含消息发送者、消息接收者和一个分布式消息队列三类对象，在保证了消息的顺利投递和处理的基础上，又具有高吞吐量、可靠性。本方案采用分布式消息队列的机制对电机控制的消息进行加工处理，既保证了消息的顺序性，同时也具有很高的消息吞吐量和可靠性，应该可以作为是本方案的一个发明点。

室内空气系统的控制查询模块，提供给用户用来对室内空气指数、电机控制本地状态进行查询的功能。室内空气系统的控制校验模块，则是提供空气指数校验、电机控制本体状态校验、权限校验等功能。依据控制校验模块的校验结果，室内控制系统对各类控制本体进行相关适当的控制操作。在本方案中，室内空气系统的控制查询和控制校验模块，采用了容器化技术，将查询服务和校验服务进行编排。使用容器化技术，简化配置，降低了硬件要求和应用环境之间的耦合度。基于代码流水线的管理方式，给应用提供了一个从开发到上线均一致的环境。同时，基于容器化技术使得应用部署只是创建一个容器进程，而无需启动操作系统，实现了应用的秒级部署。这应该是本方案的一个发明点。

图3是基于电机的室内空气控制系统流程示例示意图，具体如下：

（1）客户通过室内空气控制系统查询到当日空气质量指数PM2.5为中度污染，通过室内空气控制系统通过无线信号收发模块，开启用于控制窗户开合的步进电机A1，并向该电机的数字控制器C1发送脉冲控制信号。对于步距角为1.8度的步进电机（小电机），转一圈所用的脉冲数为 n=360/1.8=200个脉冲。丝杆螺距h=5cm，表示电机转一圈转换成直线位移是5cm。这样就是可以算出脉冲当量=h/n=50mm/200=0.25mm/脉冲。假设窗户长度为X，窗户的开合角度为θ，则所需位移为Y=X*sinθ。以上悬式窗户为例，开合角度需要30°，窗户长度为100cm，则步进位移是Y=X*sin30=1/2*100cm=50cm。即步进机需要转50cm/5cm=10，即转10圈，所需脉冲数为200*10=2000。上述相关电机参数均存放在室内空气控制系统数据库中。同时，为了保证电机精确开合窗户，增加了补偿参数为0.5，也存储在室内控制系统的数据库中。

对于窗户，之前是开启状态，开合角度为30°，当关闭窗户时，用于控制窗户开合电机的数字控制器C1，向发送相对应的脉冲信号，驱动电机转动并通过传动装置关闭窗户。依据计算，完成上述窗户关闭动作，电机A1需要转圈10圈。

窗户闭合后，无线信号收发模块将窗户闭合信息发送给室内空气控制系统。

（2）在完成窗户闭合后，室内空气控制系统通过无线信号收发模块发来的消息确认窗户已闭合，即控制空气净化器电机组对应的智能开关，开启空气净化器。

（3）空气净化器开启后，通过无线信号收发模块，将空气净化器开启的状态信息发送到室内空气控制系统的信息收集模块。室内空气控制系统则可以确认空气净化器已完成开启。

（4）对应的，当空气净化器开启后，室内空气质量例如PM2.5指数等信息，也会通过无线信号收发模块，发送到室内空气控制系统的信息收集模块，用户可以通过室内空气控制系统的信息查询模块，查询到室内空气指数等相关信息。

（5）室内空气控制系统，判断空气净化器的状态为已开启，则可以开始启动空调。通过空调电机组对应的智能开关，开启空调。

（6）空调开启后，通过无线信号收发模块，将空调开启的状态发送到室内空气控制系统的信息收集模块。室内空气控制系统则可以确认空调已完成开启。

（7）对应的，当空调开启后，室内温度信息，也会通过无线信号收发模块，发送到室内空气控制系统的信息收集模块，用户可以通过室内空气控制系统的信息查询模块，查询室内温度信息。用户通过室内空气控制系统的信息查询模块，可以实时查询室内空气指数，温度等信息，提供给用户在线实时的室内空气情况查询，并以此进行操作控制这应该是本方案的一个发明点。

（8）当用户需要关闭室内空气控制时，则室内空气控制系统，判断空调的状态为已开启，则可以开始关闭空调。通过空调电机组对应的智能开关，关闭空调。

（9）空调关闭后，通过无线信号收发模块，将空调关闭的状态发送到室内空气控制系统的信息收集模块。室内空气控制系统则可以确认空调已完成关闭。

（10）室内空气控制系统，判断空调的状态为已关闭，则可以开始关闭空气净化器。通过空气净化器电机组对应的智能开关，关闭空气净化器。

（11）空气净化器关闭后，通过无线信号收发模块，将空气净化器关闭的状态发送到室内空气控制系统的信息收集模块。室内空气控制系统则可以确认空气净化器已完成关闭。

（12）室内空气控制系统，判断空气净化器的状态为已关闭，则可以开始打开窗户。通过步进电机打开窗户。对于窗户，之前是关闭状态，此时需要打开窗户，开合角度为30°，当打开窗户时，用于控制窗户开合电机的数字控制器C1，向发送相对应的脉冲信号，驱动电机转动并通过传动装置关闭窗户。依据计算，完成上述窗户打开动作，电机A1需要转圈10圈。由于此前在数据库存储的补偿参数为0.5，则用户准备通过室内空气控制系统控制开窗时，需要输入这个补偿参数，系统验证一致后，上述窗户打开动作方可进行。