CN104808723A - 一种基于无线传感器网络的办公室空调半智能调控系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于无线传感器网络的办公室半智能空调调控系统，主要是基于办公室内传感器采集的信息来实现对空调的半智能的调控。系统的模块由三部分组成：信息采集模块、信息处理模块和信息反馈模块，在信息的采集上首先是对RSSI信号强度的采集，并根据RSSI的测距模型定位该节点具体的位置，来对该区域采取加热或制冷的操作；加湿器用来判断温度是否在人体舒适度的临界值上，如果超过临界值就会启动加湿器来对办公室进行加湿操作。可解决当前空调的使用过程中能源浪费现象和过多的使用空调带来的身体健康的影响。

Description

一种基于无线传感器网络的办公室空调半智能调控系统

技术领域

本发明涉及一种基于无线传感器网络半智能的空调调控系统，为无线传感器网络和家电智能化的交叉领域。

背景技术

无线传感器网络是当前在国际上使用和关注度以及设计领域最为广泛的学科，也是多学科交叉、知识高度集成的前沿热点的研究方向。传感器技术、微机电系统、现代网络技术及无线通信技术同时得到了进步。它独立于基站或移动路由器等基础的通信设备，通过特定的分布式协议自组织起来形成的网络，能通过协作地实时监控、感知和采集网络分布区域内的各种环境或检测对象的信息。并对这些信息进行处理，使需要这些信息的用户在任何的时刻、任何的地点及任何的环境下获得大量详实可靠的信息。因此这些网络系统可以被广泛地应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理和医疗卫生等领域，已经引起许多国家的学术界和工业界的高度重视。被认为是21世纪产生巨大影响力的技术之一。

目前空调的使用存在许多能源浪费现象。在没有人的情况下，很多办公室的空调还是处于工作的状态，还存在空调温度制热制冷不均匀的情况，在房间的有些地方的温度较高，而其他的地方的温度却较低，空调的利用率根本上没有达到最大化。在结合无线传感器网络的优势以后，能对办公室的空调实现智能的调控，使空调的利用率更高并且节约能源。并且无线传感器节点是直接嵌入在人员携带的卡中，节点部署较为灵活方便，整个网络是采用广播的方式来实现信息的传递，网络的功能实现上也较为简单。

发明内容

技术问题：

本发明提出一种基于无线传感器网络的半智能的空调调控系统，使空调的使用效率达到最大化，同时也在一定程度上节约了能源。

首先给出几个传感器及模块的功能介绍：

温度传感器：用来探测办公室的温度信息，从而控制加湿器对办公室进行加湿操作。

控制模块：对采集的温度和距离信息进行判断，从而实现对空调的温度和方向的具体调控。

系统采用无线传感器网络捕获办公室的温度信息传输给信息处理模块来判断，反馈模块根据具体的信息来对空调实现智能化的调控。包括信息的采集即温度传感器的温度信息和节点信号强度信息和对采集到的信息做出判断和识别，以控制空调的温度和风向来达到半智能调控的目的。

首先，进入办公室的人员需要佩戴一张识别卡，在卡的内部嵌入了无线传感器节点，当有人员进入办公室的时候，空调上的信息处理模块根据未知节点发送的信号能够感知到节点的存在，且温度低于T₁或高于T₂时就会开启空调；而在信息处理模块没有感知到节点存在时，且时间超过上限T后，表示长时间的没有人员的活动，如果空调处于开启状态，则信息处理模块将空调关闭。

其次，当有人员在办公室内活动时，空调上的信息采集模块能够采集到人员身上的节点发送信号的强度，信息采集模块上两个的锚节点(即两个信号强度采集节点)根据采集到的信号强度，并通过信息处理模块求出具体的位置，从而通知信息反馈模块来调节空调的温度和风向。

具体方法步骤如下：

步骤1)系统的实现过程：

本系统由三个模块组成，分别是信息采集模块，信息处理模块和信息反馈模块，信息采集模块是对布置在办公室里传感器的信息进行采集，而信息处理模块即逻辑控制台对捕获到的各种信息进行筛选和判断，并将结果发送给控制器，信息反馈模块的控制器根据控制信息实现对空调的调控；

步骤2)将RSSI信号强度和数据传输正确率相结合，利用三角定位算法来实现对办公室人员的具体位置的确定：

①对同一个id的未知节点发送的100次数据求方差，如果方差的值小于1，且根据RSSI的衰减模型计算出的距离小于上限值d，则使用基于RSSI的测距算法；

②如果方差的值大于等于1，且距离的均值超过上限值d，在这种情况下基于RSSI的测距方法存在的误差较大，就使用基于数据传输正确率的测距方法；

③在其他的情况下，则需要对两种的测距方法进行权衡，根据RSSI的衰减模型推导出的距离公式为f(R_n)(其中R_n表示RSSI的信号强度)，根据正确率的模型得到的距离公式为f(P_n)(其中P_n表示正确率)，则根据以下公式得到大致的距离值d，T_sd表示的是在理想情况下得到方差的阈值，R_sd表示实际情况下测得数据值的方差：

$\mathrm{\α}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{R_{\mathrm{sd}}-T_{\mathrm{sd}}}{R_{\mathrm{sd}}}& R_{\mathrm{sd}}>T_{\mathrm{sd}}\\ \frac{T_{\mathrm{sd}}-R_{\mathrm{sd}}}{R_{\mathrm{sd}}}& R_{\mathrm{sd}}\≤T_{\mathrm{sd}}\end{array}\right.$

d＝αf(R_n)+(1-α)f(P_n)

当方差的比值α介于0到0.5之间时，表示基于RSSI的测距算法的值比较的稳定，偏向于使用RSSI的测距算法；而在比值α大于0.5时，偏向于使用基于数据传输正确率的测距算法；

步骤3)空调上还设置一个温度传感器节点用来采集温度信息，当温度超过临界值T₁或者低于临界值T₂时，就会启动加湿器来对房间进行加湿操作；

步骤4)办公室内空调半智能加热：

根据采集模块上两个信号强度采集节点来计算出人员的具体位置，信息处理模块来控制空调的风向和温度，设置起始的温度为a度，测得人员与空调距离在m米基础上每超过d米，温度就提高c度，且温度超过上限值T₁后不再升高。例如在办公室的起始温度为15度，在测得流动人员距离空调5米的基础上每超过1米，温度就升高2度，而当温度低于上限值27度时就不再升高。

步骤5)办公室内空调半智能制冷：

根据采集模块上两个信号强度采集节点来计算出人员的具体的位置，控制模块来控制空调的风向和空调的温度，设置起始的温度为b度，测得人员与空调距离在m米的基础上每超过d米，温度就降低c度，且温度低于下限值T₂后就不再降低；风向的调节与步骤3相同。例如在办公室的起始温度为20度，在测得流动人员距离空调5米的基础上每超过1米，温度就降低2度，而当温度低于下限值10度时就不再降低。

有益效果：

本发明是一种基于无线传感器网络半智能的空调调控系统，具有以下的优点：

(1)由于空调的开启和关闭由人员来操控存在疏忽，从而造成能源的浪费。根据人员身上佩戴的节点来判断办公室内是否有人员的存在能够有效率地节约能源。

(2)根据办公室人员的活动的具体的情况来对指定的区域来有目的性的加热或制冷，来均衡整个办公室内的温度，使空调的利用率达到最大，不至于使办公室内的温度差值太大。

附图说明

图1办公室传感器布置图，●表示移动节点，●表示信息采集节点，表示信息发送，表示信息采集控制台模块，表示加湿器控制模块。

图2具体流程图。

图3办公室节点测距图解，C表示位置节点即人员的位置，B和A表示锚节点即空调上的采集节点

图4信号采集过程图解。

图5控制模块图解。

图6空调方向调节图解，A表示空调的位置，B表示人员的位置。

具体的实施方式：

本发明是一种基于无线传感器网络的半智能的空调调控系统，系统由传感器信息采集模块、信息控制模块和信息反馈模块组成。

步骤1)准备开始构建采集模块具体功能

信息采集模块的组成：包括温度传感器和信号强度采集节点。温度传感器对当前的温度进行采集，根据温度情况对空调和加湿器进行操作；信号强度采集节点用来接收信号强度来探测人距离空调的位置，根据距离的远近来调控空调的温度，房间的布置结构如图1所示。

步骤2)具体执行的步骤流程如图2所示：

2.1对进入办公室的每一个人员配发一张卡片，卡片内嵌入节点。当有人员进入办公室内的时候，身上佩戴的节点向信号强度采集节点发送信息，信号强度采集节点从而感知到有人员的存在，并且当温度低于T₁或者高于T₂时，才开启空调；若在时间T内，控制模块未接收到任何来自人员卡片上的无线传感器节点发送来的信息时，则表示该办公室内无人员存在。此时若空调处于开启状态则关闭空调。

2.2节点在人身上就成为了移动的节点，当人员在办公室里活动时，节点会在一定的时间间隔内给信息采集模块发送一个数据，信息采集模块上的两个信号强度采集节点根据捕获到的信号的强度，并结合自身的坐标来综合判断出节点的位置，具体过程参见步骤2.5。

2.3在办公室的四个角落布置了四个空调，每个空调的硬件中事先存储了其他三个空调的位置。每个空调上都有两个信号强度采集节点分别对移动的未知节点即人员身上佩戴的卡片做定位的判断。在此基础上四个空调上的信息处理模块会分别对采集到的信号强度进行综合分析，选出一个距离人员最近的空调来进行调控的操作。

2.4在信息采集模块上有两个信号强度采集节点，同时接收一个未知节点发送的信号强度，再根据RSSI的信号衰减模型计算出节点距离信息。在此基础上根据三角测距法(如图3所示)计算出人员的具体位置，从而控制空调对特定的区域进行调控。

2.5然而基于RSSI的测距方法受障碍物的影响较大，产生的误差在很大的程度上会导致测距得到的值的不精确，本专利结合传输数据的正确率一起来测试距离。

①对同一个id未知未知节点发送的100次数据求方差。如果方差的值小于1，且根据RSSI的衰减模型计算出的距离小于上限值d，表示基于RSSI的测距算法精度和可靠性较好，可以直接用三角定位算法求出节点的坐标来判断出方向。

②如果方差的值大于1，且均值的距离超过上限值d。在这种情况下基于RSSI的测距方法存在的误差较大，就使用基于数据传输正确率的测距方法。在未知节点发送一段数据帧，控制台端对接收到的数据进行奇偶校验，判断出数据的正确率，并根据正确率的测距模型公式推导出实际的距离，具体发送过程如图4所示。

③在其他的情况下，则需要对两种的测距方法进行权衡。根据RSSI的衰减模型推导出的距离公式为f(R_n)(其中R_n表示RSSI的信号强度)，根据正确率的模型得到的距离公式为f(P_n)(其中P_n表示正确率)。则可以根据以下公式得到大致的距离值d，T_sd表示的是在理想情况下得到方差的阈值，R_sd表示实际情况下测得数据值的方差。

$\mathrm{\α}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{R_{\mathrm{sd}}-T_{\mathrm{sd}}}{R_{\mathrm{sd}}}& R_{\mathrm{sd}}>T_{\mathrm{sd}}\\ \frac{T_{\mathrm{sd}}-R_{\mathrm{sd}}}{R_{\mathrm{sd}}}& R_{\mathrm{sd}}\≤T_{\mathrm{sd}}\end{array}\right.$

d＝αf(R_n)+(1-α)f(P_n)

当方差的比值α介于0到0.5之间时，表示基于RSSI的测距算法的值比较的稳定，偏向于使用RSSI的测距算法；而比值α大于0.5时，偏向于使用基于正确率的测距算法。

办公室内空调半智能加热的步骤如下：

步骤3)信息处理模块根据采集模块上两个信号强度采集节点来计算出人员的具体位置，信息处理模块(如图5所示)来控制空调的风向和温度。设置起始的温度为15度，测得人员与空调距离在5米的基础上每超过1米，温度就提高2度，当温度达到上限值T₁后就不再升高；风向的调节如图6所示，从正前方向右偏γ度。

办公室内空调半智能制冷的步骤如下：

步骤4)信息处理模块根据采集模块上两个信号强度采集节点来计算出人员的具体的位置，信息处理模块(如图5所示)来控制空调的风向和空调的温度。设置起始的温度为20度，测得人员与空调距离在5米的基础上每超过1米，温度就降低2度，当温度低于下限值T₂后就不再降低；风向的调节与步骤3相同。

办公室内空调半智能加湿的步骤如下：

步骤5)在控制模块上有一个加湿器的控制器，当温度高于上限值T₁或者低于下限值T₂时，控制器开启加湿器对办公室进行加湿操作，缓解房间过于干燥的情况。

Claims (3)

1.一种基于无线传感器网络的办公室半智能的空调调控系统，其特征在于，包括信息的采集即温度传感器的温度信息和节点信号强度信息和对采集到的信息做出判断和识别，以控制空调的温度和风向来达到半智能调控的目的，其实现步骤如下：

步骤1)系统的实现过程：

本系统由三个模块组成，分别是信息采集模块，信息处理模块和信息反馈模块，信息采集模块是对布置在办公室里传感器的信息进行采集，而信息处理模块即逻辑控制台对捕获到的各种信息进行筛选和判断，并将结果发送给控制器，信息反馈模块的控制器根据控制信息实现对空调的调控；

步骤2)将RSSI信号强度和数据传输正确率相结合，利用三角定位方法来实现对办公室人员的具体位置的确定：

①对同一个id的未知节点发送的100次数据求方差，如果方差的值小于1，且根据RSSI的衰减模型计算出的距离小于上限值d，则使用基于RSSI的测距算法；

②如果方差的值大于等于1，且距离的均值超过上限值d，在这种情况下基于RSSI的测距方法存在的误差较大，就使用基于数据传输正确率的测距方法；

③在其他的情况下，则需要对两种的测距方法进行权衡，根据RSSI的衰减模型推导出的距离公式为f(R_n)(其中R_n表

示RSSI的信号强度)，根据正确率的模型得到的距离公式为f(P_n)

(其中P_n表示正确率)，则根据以下公式得到大致的距离值d，T_sd表示的是在理想情况下得到方差的阈值，R_sd表示实际情况下测得数据值的方差：

$\mathrm{\α}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{R_{\mathrm{sd}}-T_{\mathrm{sd}}}{R_{\mathrm{sd}}}& R_{\mathrm{sd}}>T_{\mathrm{sd}}\\ \frac{T_{\mathrm{sd}}-R_{\mathrm{sd}}}{R_{\mathrm{sd}}}& R_{\mathrm{sd}}\≤T_{\mathrm{sd}}\end{array}\right.$

d＝αf(R_n)+(1-α)f(P_n)

当方差的比值α介于0到0.5之间时，表示基于RSSI的测距算法的值比较的稳定，偏向于使用RSSI的测距算法；而在比值α大于0.5时，偏向于使用基于数据传输正确率的测距算法；

步骤3)空调上还设置一个温度传感器节点用来采集温度信息，当温度超过临界值T₁或者低于临界值T₂时，就会启动加湿器来对房间进行加湿操作；

步骤4)办公室内空调半智能加热：

根据采集模块上两个信号强度采集节点来计算出人员的具体位置，信息处理模块来控制空调的风向和温度，设置起始的温度为a度，测得人员与空调距离在m米基础上每超过d米，温度就提高c度，且温度超过上限值T₁后不再升高。

步骤5)办公室内空调半智能制冷：

根据采集模块上两个信号强度采集节点来计算出人员的具体的位置，控制模块来控制空调的风向和空调的温度，设置起始的温度为b度，测得人员与空调距离在m米的基础上，每超过d米，温度就降低c度，且温度低于下限值T₂后就不再降低；风向的调节与步骤3)相同。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤4)中，当办公室的起始温度为b为15度，在测得流动人员距离空调m为5米的基础上，每超过d为1米，温度就升高c为2度，而当温度低于上限值T₁为27度时就不再升高。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤5)中，当办公室起始温度b为20度时，在测得流动人员距离空调m为5米的基础上，每超过d为1米时，温度就降低c为2度，而当温度低于下限值T₂为10度时就不再降低。