CN102472727A

CN102472727A - 包括用于监督房间状况的超声传感器的多功能传感器系统和方法

Info

Publication number: CN102472727A
Application number: CN2010800306356A
Authority: CN
Inventors: W.F.帕斯维尔; P.迪尔克森; B.K.斯里德哈兰奈尔
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2009-07-07
Filing date: 2010-06-24
Publication date: 2012-05-23
Also published as: US20120109536A1; EP2452185A1; TW201105547A; JP2012533060A; KR20120037977A; WO2011004286A1

Abstract

本发明涉及用于监督房间状况的多功能传感器系统和对应的方法，包括温度传感器、湿度传感器、用于发射超声波且定位于离反射性固定反射表面固定距离处的超声换能器。为了计算受监督房间中的CO₂浓度，测量超声波在换能器与固定反射表面之间的飞行时间，且根据温度传感器、湿度传感器的输出值和所测量的飞行时间来计算CO₂浓度。

Description

包括用于监督房间状况的超声传感器的多功能传感器系统和方法

技术领域

本发明涉及用于监督房间状况、特别是在建筑物管理系统中用于控制大气房间状况的多功能传感器系统和相应的方法。

背景技术

建筑物管理系统需要关于建筑物房间状况（例如，房间入住、房间温度、湿度和CO₂浓度）的信息。基于这条信息，可通过加热空调和通风（HVAC）系统来执行大气房间状况的控制。

从由布置在待控制的相应房间中的不同种类的传感器提供的测量值导出必需信息。在常用系统中，根据待测量的参数提供每个传感器，例如，用于提供当前温度值的温度传感器，用于测量湿度的湿度传感器等。还已知在多功能传感器系统中组合不同种类的传感器，如其在EP 0 838 792 A2中所公开的那样。其中描述的多功能入住传感器在一个传感器设备中组合不同种类的传感器功能，每个多功能传感器包括用于检测入住、环境光水平、温度和其它参数的不同传感器。

越来越重要的项目是节能，这被看作对于（全球）环境而言至关重要。北美和欧洲的法律要求节能措施。在照明工业和建筑物自动化中，传感器为实现节能效果的重要使能器。这特别地指入住传感器。

为了减小建筑物中传感器系统的安装成本，特别是在现有建筑物中在后来安装这种系统的情况下，需要将传感器安装于相应房间中而无需安装任何新布线。较低的安装成本证明无线传感器的额外费用是。期望不仅实现传感器与控制设备（其接收测量的数据）之间的无线通信，而且还提供传感器的无线能量供应。这种独立能量供应能由电池供电的传感器或者例如通过使用太阳能或类似物由能量收获来实现。这仅可利用具有超低能量消耗的传感器来实现以实现长寿命，大约十年或更长。

为了由加热空调和通风系统（HVAC）进行控制，温度、湿度、CO₂浓度和房间入住是实现整个房间控制的很重要的参数。此外，当已知实际CO₂浓度时，能提供通风调节或甚至警告信号。在通常已知的系统中，这些不同的参数必须由多功能传感器系统来测量，多功能传感器系统包括针对每个参数的传感器，这增加了传感器系统的总能量消耗。针对入住、温度、湿度和CO₂浓度的传感器难以集成在测量这些参数的一个单个无线传感器设备中。针对每个参数具有一个传感器的这样的系统的功率需求较高且在多功能传感器系统运行于如电池这样的独立电源上时缩短了该多功能传感器系统的寿命。高能量消耗也造成了采用如太阳能电池等这样的独立能量收获方法中的问题。

因此本发明的目的在于提供用于以低的构造努力和低的功率消耗来监督房间状况以测量控制大气房间状况所必需的参数值的多功能传感器系统和方法，使得可能提供真实的无线传感器系统，降低安装成本。

发明内容

这个目的由用于监督房间状况的多功能传感器系统来实现，该多功能传感器系统包括：温度传感器；湿度传感器；超声换能器，其被提供用于发射超声波且定位于离能反射超声波的固定反射表面固定距离处；测量设备，其用于测量超声波在换能器与固定反射表面之间的飞行时间；以及，计算设备，其用于根据温度传感器和湿度传感器的输出值和测量的飞行时间来计算CO₂浓度。

根据本发明的多功能传感器系统仅包括用于导出四个不同房间参数的三个不同检测单元。尽管以普通方式提供湿度传感器和温度传感器来测量温度和湿度值，该超声换能器能用于一方面检测房间入住且另一方面测量发射的超声波在换能器和固定反射表面之间的飞行时间。根据飞行时间值，能借助于相应传感器提供的温度和湿度值来导出CO₂浓度。

使用用于上述目的的超声换能器使得有可能在没有额外CO₂传感器的情况下进行：降低多功能传感器系统的构造努力和总构造成本以及其能量消耗，使得有可能构造完全无线运行的系统。因此，根据本发明的多功能传感器系统的安装容易且廉价。超声换能器通常已知用于检测房间入住，它们在本发明的传感器系统中的集成以及使用被发射的超声波的运行时间效应来间接地导出CO₂浓度提供了很有效的一般概念。

在一个优选实施例中，提供超声换能器以在前侧和后侧发射超声波，多功能传感器系统还包括超声波导，换能器被布置成后侧朝向超声波导的第一端。

在此布置中，能测量超声波在换能器后侧与固定反射表面之间的飞行时间，同时在换能器的相对的前侧发射的超声波能用于检测房间入住。

根据另一优选实施例，固定反射表面为镜子，镜子布置于超声波导的相对的第二端。

根据本发明的另一实施例，超声波导具有直管形式，换能器的后侧和镜子在共同管轴上朝向彼此。

根据不同实施例，超声波导具有弯曲角的形式。正确地选择弯曲参数使得将不引入信号降级，且照此，可以减小整个超声换能器单元的厚度。

根据本发明的建筑物管理系统包括如上文所述的多功能传感器系统和用于控制房间状况的控制设备。

用于如上文所述的多功能传感器系统中的超声换能器单元包括：超声换能器，其被提供用于至少在后侧发射超声波；超声波导，其用于在换能器后侧引导超声波；固定反射表面，其布置于与换能器相对的波导的端；以及，用于测量超声波在换能器与固定反射表面之间的飞行时间的设备。

在一个优选实施例中也提供此超声换能器来在前侧发射超声波，允许其用于检测在此方向中的房间入住。

此接收单元可连接到计算设备以借助于由温度传感器和湿度传感器输出的测量值来导出CO₂浓度。

根据本发明用于监督房间状况的方法包括：测量房间温度；测量房间湿度；从超声换能器发射超声波到位于离换能器固定距离的固定反射表面，该固定反射表面能反射超声波；以及，测量超声波在换能器与固定反射表面之间的飞行时间；之后根据测量的房间温度、测量的湿度和测量的飞行时间来计算CO₂浓度。

这种方法基于以下事实：超声波在气体中的速度由包括气体中温度、压力和分子量作为参数的关系式给出。当已知温度和压力时，能检测分子量变化，而分子量变化又指示CO₂的存在。

在根据本发明的这个方法的优选实施例中，借助于换能器进行入住检测。这意味着换能器具有通过发射和接收超声波而指示房间入住的上文所述的额外功能。

根据一个优选实施例，该方法包括从换能器的相对侧发射超声波，其中在与固定反射表面相对的换能器的侧面进行入住检测。

根据另一个优选实施例，在朝向固定反射表面的换能器的侧面进行入住检测。

根据本发明方法的再一个实施例，在波导内在换能器与固定反射表面之间引导超声波。

根据本发明的方法的另一优选实施例包括将至少测量的房间温度值、测量的湿度值和测量的飞行时间值传送至计算设备以计算CO₂浓度。

此计算设备可以是与建筑物房间中不同多功能传感器系统无线连接的计算机。

在本发明的优选实施例中，如上文所述的方法可包括校准步骤，其中在换能器与壁结构之间的距离基于在预定条件下超声波在换能器与壁结构之间的飞行时间测量来计算。

该监督方法的这个实施例包括关于壁结构位置的自学习步骤，例如使得换能器与壁结构之间的距离是已知的。在下面的过程中，此距离然后也能用作用于计算CO₂浓度的参数。

执行校准步骤的预定条件可包括预定CO₂浓度。该校准步骤还可在预定的一天的时间（day time）执行。

举例而言，自学习步骤在夜间进行，可以假定夜间为CO₂浓度具有系统已知的恒定值的一天的时间。也能在安装系统之后以平均值开始测量且在预定条件下在夜间调整此值。

通过下文提供的详细描述，本发明的另外的方面和益处将会变得显然。应了解详细的描述和特定的实例虽然指示本发明的示例性实施例，但其旨在仅出于说明目的且不旨在限制本发明的范围。

附图说明

参看附图，通过下文的描述，本发明的上述特征、方面和优点将会更好理解，在附图中：

图1是根据本发明的建筑物管理系统的实施例的示意略图；以及

图2为根据本发明的多功能传感器系统的优选实施例的示意图。

具体实施方式

如图1中所示的建筑物管理系统包括通常由附图标记10标注的多功能传感器系统和在由附图标记12标注的图右侧上的控制系统。提供多功能传感器系统10以监督受到建筑物管理系统控制的建筑物房间的状况。为此目的，关于房间状态的不同参数被多功能传感器系统10测量和导出且无线地传输到控制系统12。该控制系统12可以包括用于管理所讨论的房间的大气状况（即，温度、湿度等）的加热空调和通风（HVAC）系统。举例而言，测量该房间的当前大气状况和入住状态，且所测量的数据从多功能传感器系统10无线地传输到控制系统12，而控制系统12又设置用于房间的加热、空调和通风的合适值。

为了监视房间状况，多功能传感器系统包括温度传感器14、湿度传感器16和超声换能器单元18。超声换能器单元18提供两种功能。首先，其被用于通过发射超声波和通过接收反射的超声波而导出入住状态来检测房间入住。此外，如将参考超声换能器单元18的构造细节详细地解释，此单元用于测量由为换能器单元18的部分的换能器和作为固定反射表面的反射壁结构发射的超声波的飞行时间，以及用于使用由相应温度传感器14和湿度传感器16提供的测量的温度和湿度数据来从测量的飞行时间导出CO₂浓度。因此，多功能传感器系统提供用于管理和控制房间状况的四个重要值，即温度、湿度、入住和CO₂浓度。这些值能以无线方式直接转移到控制系统12。

参看图2，用于用在根据图1的多功能传感器系统10中的超声换能器单元18包括超声换能器20，超声换能器20布置于具有直管形式的波导22的一端。在管22的一端，换能器20布置成使得其后侧24面向该管22。超声换能器20的前侧26是自由的。提供超声换能器20的相对侧24和26这二者以发射超声波。

在管22的另一端，镜子28布置为固定反射表面使得管22的两端由（一方面）镜子28和（另一方面）换能器20关闭。面向超声换能器20的镜子28的内侧30能将通过管22在超声换能器20的后侧24上行进的超声波反射到镜子28。由换能器20的后侧24发射的这些超声波的行进方向由箭头32标记。由镜子30反射的超声波的行进方向由另一箭头34标记。这些反射超声波能由超声换能器20的相应接收部分接收。超声换能器单元18还包括测量装置，其用于测量超声波在换能器20与镜子28之间的飞行时间。为此目的，提供测量设备36以进行测量从而自动导出超声波在距离2L上的飞行时间，距离2L是换能器20与镜子28之间的管22的长度L的两倍。应当指出的是，这个测量设备36只是示意性地描绘且能以任何形式提供为多功能传感器系统10的部分。出于本发明的目的，任何用于测量超声波在换能器20的后侧24处的发射与反射的波在换能器20处的接收之间的时间的设备是合适的。

管22被提供有管22侧壁处的两个相对侧面处的两个空气入口38、40。通过这些空气入口38、40，大气环境空气能引入到管22内使得提供了波导内的大气状况对应于房间状况。

从测量的超声波飞行时间，以下面的方式导出填充管22的空气中的CO₂浓度。在固定距离上，由空气对超声波的吸收将为CO₂含量的函数。由于以下事实：在超声换能器20与镜子28之间存在固定距离L，能从飞行时间（ToF）测量来计算吸收系数。

声音的速度为温度、压力、湿度和CO₂含量的函数，由以下方程式（1）给出：

。

在此方程式（1）中，c₀为零频率声音速度，t为以摄氏度为单位的温度，x_w和x_c分别为水蒸汽和二氧化碳的摩尔分数且p为以Pa (N/m²)为单位的压力。系数a_i为能从查找表取得的预定常数。

对于固定距离L，由以下方程式（2）给出飞行时间（ToF）：

。

根据上文所给出的方程式（1），飞行时间（ToF）的变化将由速度差异促成，速度差异由气体中压力、温度和分子量的变化造成。因为温度和湿度能由湿度传感器16和温度传感器14直接测量，所以能检测到分子量变化，而分子量变化又指示CO₂的存在。由于相应常数a_i很小的值，假定忽略包括压力的方程式（1）的项。但是可能的是，通过由合适的压力传感器测量压力值来确认压力的影响以及将测量的值引入到根据方程式（1）的计算内。

用于根据温度传感器14、湿度传感器16的输出值和由测量单元36测量的飞行时间ToF计算CO₂浓度的计算装置可为计算设备42，计算设备42直接布置于湿度传感器16和温度传感器14附近的换能器单元18处（参看图1）。例如可能在安装于待监视的房间中的一个独立设备中组合超声换能器单元18、温度传感器14、湿度传感器16和计算单元42。根据另一实施例，可能将计算装置42布置为建筑物管理系统的另一部分中的远程单元，例如在建筑物的中央位置处的控制系统12附近使得温度传感器14和湿度传感器16的输出值和测量的飞行时间（ToF）不得不无线地传输到连接到该计算设备42的接收单元使得在与测量位置分开的位置执行CO₂浓度的计算。其中提供压力传感器作为附加传感器以提供压力值的情况下，应了解压力传感器的输出值以与温度传感器（14）和湿度传感器（16）的输出值相同的方式传输到计算设备（42）。

作为房间状况的附加参数，由超声换能器单元检测房间入住。为此目的，由超声换能器20的前侧26发射超声波（图2）。在前侧26前方的存在检测可以从到达换能器20的反射的超声波导出。由前侧26发射的波的主行进方向由箭头44指示，而反射的波由另一箭头46指示。房间入住是用于管理房间状况的另一重要参数且因此关于入住的信息也传输到建筑物管理系统的控制系统12。举例而言，可取决于房间入住打开或关闭相应房间中的光。

根据上文清楚的是，根据本发明的多功能传感器系统通过使用温度传感器、湿度传感器和超声换能器来提供重要的监视参数，即温度、湿度、CO₂浓度和房间入住，超声换能器同时用于入住检测和飞行时间测量。每当必需时，可以测量压力作为附加的监视参数，给出关于房间状况的补充信息。

仅使用三个能量消耗传感器设备使得可能照此降低多功能传感器系统的能量消耗。因此，根据图1的多功能传感器系统10可以设有独立的能源，比如电池，用于从环境收获能量的太阳能电池等等。也可能为温度传感器14、湿度传感器16和超声换能器单元18中的每一个配备独立的能量供应。由于提供无线通信且无需布线用于房间内的能量供应，多功能传感器系统10的安装较为容易和廉价。这伴随其它优点，照此系统可易于用在建筑物中而无需改变房间的布线。

可在市场上容易获得的传感器设备具有很低的功率特征。举例而言，可从Sensirion获得的如SHT75的传感器可以用于温度或湿度测量，对于最大210 ms（在需要14位准确度的情况下），其使用大约500μA。当此传感器处于睡眠模式时，其仅消耗0.3μA。用于此传感器的可能的微控制器为型号No. MSP430，其具有大约0.3μA至0.5μA的很低睡眠模式电流消耗。利用这种传感器，能容易地实现所需低能量消耗特征。

本发明不限于使用直管作为超声波导，如其在图2中示出的那样。也可能使用弯曲角形式作为波导，且恰当地选择弯曲参数使得将不会引入信号降级，且照此能减小总设备的厚度。

根据本发明的另一个实施例，无需具有与超声换能器20的后面相距预定距离地固定的镜子的管结构。在此情况下，该系统可自学习或自校准以自动地计算在换能器20与反射壁结构之间的固定距离。这种校准能基于预定状况下超声波在换能器与壁结构之间的飞行时间测量而发生。这些预定状况可以包括例如预定的一天的时间的已知CO₂浓度。举例而言，已知夜间房间中的CO₂浓度。在此基础上，如上文所述的这个自校准程序能在夜间的预定时间发生。还可以在以CO₂浓度的给定平均值安装系统之后直接开始测量并且可以在具有已知CO₂浓度的预定状况下在夜间调节该系统。一旦计算了该距离，飞行时间测量能如上文所解释的那样继续导出CO₂浓度。

上文的描述预期只是说明本发明且不应解释为限制所附权利要求为任何特定实施例或实施例组。虽然已参考本发明的具体示范性实施例详细地描述了本发明，在不偏离所附权利要求中所陈述的本发明的精神和范围的情况下可做出对其不同的修改和变化。因此说明书和附图相应地看作是说明性方式且不预期限制权利要求的范围。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，且不定冠词“一”不排除多个。权利要求中的任何附图标记不应被理解为限制范围。

Claims

1.用于监督房间状况的多功能传感器系统（10），包括：

温度传感器（14），

湿度传感器（16），

超声换能器（20），其被提供用于发射超声波且定位于离能反射超声波的固定反射表面固定距离处，

测量设备（36），其用于测量超声波在所述换能器与所述固定反射表面之间的飞行时间，以及

计算设备（42），其用于根据所述温度传感器和所述湿度传感器的输出值和测量的飞行时间来计算CO₂浓度。

2.根据权利要求1所述多功能传感器系统（10），其中，所述超声换能器（20）具有前侧和后侧且被提供用于在所述前侧（26）和在所述后侧（24）发射超声波，所述多功能传感器系统（10）还包括超声波导（22），所述换能器（20）被布置成所述后侧（24）面向所述超声波导（22）的第一端。

3.根据权利要求2所述的多功能传感器系统，其中，所述固定反射表面是镜子（28），所述镜子（28）布置于所述超声波导（22）的相对的第二端。

4.根据权利要求2或3之一所述的多功能传感器系统，其中，所述超声波导（22）具有直管形式，所述换能器（20）的所述后侧（24）和所述镜子（28）在共同管轴上面向彼此。

5.根据权利要求2或3之一所述的多功能传感器系统，其中，所述超声波导（22）具有弯曲角的形式。

6.建筑物管理系统，包括根据前述权利要求之一所述的多功能传感器系统（10）和至少一个用于控制一个或多个房间状况的控制设备（12）。

7.用在根据权利要求1所述的多功能传感器系统（10）中的超声换能器单元（18），包括：

超声换能器（20），其具有前侧和后侧且被提供以至少在所述后侧（24）发射超声波，

超声波导（22），其用于在所述换能器（20）的所述后侧（24）引导所述超声波，

固定反射表面，其布置于与所述换能器（20）相对的所述波导（22）的端，以及

测量设备（36），其用于测量超声波在所述换能器（20）与所述固定反射表面之间的飞行时间。

8.根据权利要求7所述的超声换能器单元（18），其中，还提供所述超声换能器（20）用于在所述前侧（26）发射超声波。

9.用于监督房间状况的方法，包括：

测量房间温度，

测量房间湿度，

从超声换能器（20）发射超声波到位于离所述换能器（20）固定距离的固定反射表面，所述固定反射表面能反射超声波，以及

测量超声波在所述换能器（20）与所述固定反射表面之间的飞行时间，

然后根据所述测量的房间温度、所述测量的湿度和所述测量的飞行时间来计算CO₂浓度。

10.根据权利要求9所述的方法，其包括，借助于所述换能器（20）进行入住检测。

11.根据权利要求10所述的方法，其包括，从所述换能器（20）的相对侧(24,26)发射超声波，其中在与所述固定反射表面相对的所述换能器（20）的侧面进行入住检测。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，在面向所述固定反射表面的所述换能器（20）的侧面进行入住检测。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，包括在波导（22）内在所述换能器（20）与所述固定反射表面之间引导所述超声波。

14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，包括将至少所述测量的房间温度值、所述测量的湿度值和所述测量的飞行时间值传送至用于计算所述CO₂浓度的计算设备。

15.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，包括校准步骤，在该校准步骤中基于预定状况下超声波在所述换能器（20）与所述固定反射表面之间的飞行时间测量来计算所述换能器（20）与所述固定反射表面之间的距离。