CN105222274A - 根据人体生理反应控制室内空调运行的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种根据人体生理反应控制室内空调运行的方法，包括：判断人体所处的状态；根据运动状态选择舒适体表温度；根据选定的与人体运动状态相关的舒适体表温度，确定人体是否处于舒适状态的舒适区间；实时测量的人体皮肤温度；空调控制策略按照夏季和冬季两种工况确定。本发明可以使空调的温度控制更接近人体本身处于某一种生理状态时间段内的需要，使人体感觉更加舒适，并避免了资源浪费。

Description

根据人体生理反应控制室内空调运行的方法

技术领域

本发明涉及一种空调的控制方法，尤其涉及一种根据人体生理反应来控制室内空调运行的方法。

背景技术

目前，对室内空调的控制大多是以室内温度做为控制目标，控制空调室内温度使之达到某设定的值。这样并不能完全满足人体舒适性的需要。

事实上，尽管人们常评价房间的“冷”和“暖”，但实际上人是不能直接感觉到环境温度的，只能感觉到位于自己皮肤表面下的神经末梢的温度。这是因为我们的身体是靠外围温度传感器来感受外界冷热刺激的，在皮肤表皮下分布着冷、热感受器，当这个感受器受到刺激后，会将信息传到体温调节中枢下丘脑，这时候人们才能感觉到冷和暖。

根据现代生理医学的解释，人的体温分为表层温度与深部温度，人的深部温度相对稳定，表层温度则不稳定。体表的最外层即皮肤温度称为体表温度，体表温度是深部温度与外部环境散热平衡后的温度，与环境温度、湿度、风速等参数综合平衡后的温度。

再者，人的体温在体温调节中枢控制下，通过增减皮肤的血流量、发汗、战栗等生理调节反应，能维持一个相对稳定水平。我通过大量试验得到，人在情绪激动、运动及餐后会产生心跳加快体温上升等现象，人自我感觉燥热；反之，睡眠、静止与饥饿时，人体的心率减慢体温相对降低，自我感觉寒冷。

因此，人体在不同的生理状态下对环境温度的要求也是不同的，如在活动和睡眠、激动和平静、进餐和饥饿等生理状态发生变化时都有着不同的温度要求。所以，空调系统还应该需要根据人的内在生理反应需要调节环境温度。

通过人体舒适性的实验我们发现，人体在不同的运动状态下，人体感觉到舒适时，体表温度存在一个不同的范围。比如我们的受试者在室温23℃时，安静状态下皮肤温度在32℃-34℃，运动状态下皮肤温度在31℃-32℃，睡眠状态下皮肤温度在34.5℃-36.5℃时的大致范围内，会感觉到身体舒适。当然此数据因人而已。

所以，如果空调系统能够实时判断人的生理活动，结合人的皮肤温度，就能直接对人体的舒适感进行评价，据此控制空调的温度及风速等参数。如睡眠后室温根据人体的需要会自动调节升高，相反，运动及餐后室温根据人体的需要会自动调节降低，这样，不但可以使人感觉到更加舒适和健康，而且也避免了能源的浪费，使空调产品更加节能环保。

另外，随着人的生活水平的提高，人们对生活品质要求越来越高。可穿戴设备因其便利性、良好的交互界面等用户体验，越来越多的受到人们欢迎；可穿戴设备因为各式各样人体传感器的涌现功能不断增多，智能化程度不断提高。

发明内容

针对上述的生理特性与现有技术，本发明提供一种根据人体生理反应来控制室内空调运行的方法，本发明控制方法可以使空调的温度控制更接近人体本身处于某一种生理状态时间段内的需要，使人体感觉更加舒适，周围环境状态对人体更加安全；并避免了资源浪费，同时更加环保。本发明的技术方案如下：

一种根据人体生理反应控制室内空调运行的方法，该方法要求位于空调控制房间的某个人携带可穿戴设备，该设备可以测量人的皮肤温度、人的心率值和人的运动加速度，包括下面几个步骤：

第一步，判断人体所处的状态；

第二步，根据运动状态选择舒适体表温度，安静状态下选择安静舒适体表温度t_cwq；睡眠状态下选择睡眠舒适体表温度t_cws；运动状态下选择运动舒适体表温度t_cwm；考虑到空调节能，当人体处于轻微运动时选择安静舒适体表温度t_cwq；

第三步，根据选定的与人体运动状态相关的舒适体表温度，确定人体是否处于舒适状态的舒适区间；实时测量的人体皮肤温度，空调运行应尽量保证人体皮肤体表温度处于此区间；

第四步，空调控制策略包括两种情形：

1)冬季工况下空调控制策略：首先要进行室内温度的判断，若室内温度高于空调控制器温度设定的最大值T_max，则无论人体皮肤温度是否处于舒适区间，均关闭空调；当温度低于T_max时，如果人体皮肤温度低于所选定的舒适区间的下限，则开启空调，如果皮肤温度高于所选定的舒适区间的上限，则关闭空调；

2)夏季工况下空调控制策略：首先要进行室内温度的判断，若室内温度低于空调控制器温度设定的最小值T_min，则无论人体皮肤温度是否处于舒适区间，均关闭空调；当温度高于T_min时，如果人体皮肤温度高于所选定的舒适区间的上限，则开启空调，如果皮肤温度低于所选定的舒适区间的下限，则关闭空调。

其中，第一步可包括下列的几种情形：

1)若人体在某一方向的运动加速度大于某界定值，且人的心率和人的体表温度均升高，则判定人体处于运动状态；

2)若人体在某一方向的运动加速度大于某界定值，人的心率升高但人的体表温度稳定，则判定人体处于轻运动状态；

3)若人体在某一方向的运动加速度大于某界定值，虽然人的心率保持稳定但人的体表温度升高，则判定人体处于运动状态；

4)若人体在某一方向的运动加速度小于某界定值，但人的心率升高人的体表温度稳定，则判定人体处于微激动状态，按照轻运动状态处理；

5)若人体在某一方向的运动加速度小于某界定值，但人的心率和人的体表温度均升高，则判定人体处于激动状态，按照运动状态处理；

6)人体在某一方向的运动加速度小于某界定值，其人的心率值下降，或心率稳定在低于心率次数设定值的心率值，则判定人体处于睡眠状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

人们在紧张的工作和睡眠时，以及饥饿和饱餐后，同样的室内温度下，人们的感受是不同的，甚至睡眠时，有可能会着凉冻病。本发明控制方法可以根据个体需求调整室内控调的温度及风速，以达到最佳的室内环境温度，本发明控制方法更具人性化和智能化，同时还可以节省能源。

附图说明

图1控制装置硬件构成及连接关系的方框图，(a)为可穿戴部分，(b)为空调控制部分

图2生理状态判断流程

图3冬季空调控制策略，图中，

T_n—室内温度；T_w——皮肤温度；

T_max——冬季房间温度控制上限，与房间温度设定值有关。

T_cwmin——人体舒适体表温度设定值下限，与舒适体表温度设定值有关。

T_cwmax——人体舒适体表温度设定值上限，与舒适体表温度设定值有关。

图4夏季空调控制策略，图中，

T_n——室内温度；T_w——皮肤温度；

T_mim——夏季房间温度控制下限，与房间温度设定值有关。

T_cwmin——人体舒适体表温度设定值下限，与舒适体表温度设定值有关。

T_cwmax——人体舒适体表温度设定值上限，与舒适体表温度设定值有关。

具体实施方式

为了实现根据人体生理反应控制室内空调运行方法，本发明的装置硬件构成如图1所示，由可穿戴部分和无线接收及空调控制部分组成。其中可穿戴部分主要实现人体生理状态的采集以及信息转换并发生无线信号的功能。具体包括：

——温度传感器、光学心率传感器、加速度传感器：温度传感器用于测量体表和环境的温度；光学心率传感器、加速度传感器相互配合用于监测人的运动量和心率大小。

——测量与转换电路：用于转化传感器信号。

——中央处理器：对信号进行采集、处理。

——LCD显示器：显示体表和环境温度，以及心率值。

——蓝牙模块:近距离的将传感器采集到的信号传给空调控制器。

无线接收及空调控制部分即室内控制器部分，用以对上述蓝牙模块传送来的信号进行数据处理，并据此控制空调器的运行状态；该室内控制器包括与一CPU连接的信号接收及转换模块、参数设定及存储模块、数据比对及处理模块。

可穿戴设备可设计成无线手环的形式，位于空调控制房间的人可随身携带无线手环于手腕处；室内的空调器则嵌入了无线控制器(室内控制器)。无线手环可以读取人手腕处的体表温度和人的脉搏值，并显示在屏幕中。嵌入无线控制器的空调器，在运行中会不断读取无线手环中体表温度和心率值，并根据心率值判断人的活动状态，根据人的体表温度判断人体是否处于舒适状态，完成智能化运行。

基于人体生理反应的空调系统控制策略，特征如下，包括一下几个步骤：

(1)室内控制器参数初始化。空调在开始运行时需要设定一下几个参数：

①室内温度设定值t_set；

②人体处于不同状态下(安静、运动、睡眠)感到舒适时体表温度设定值(默认状态下有推荐值)：安静舒适体表温度t_cwq、舒眠舒适体表温度t_cws、运动舒适体表温度t_cwm；

③人体处于安静状态下心率次数设定值(默认状态下有推荐值)P_q。

(2)判断人体所处的生理状态。生理状态是对人的心率大小、人的体温和人的运动加速度综合分析的结果。具体判断流程如图2所示。其中生理状态识别根据人的心率值比较、运动加速度值、以及体表温度是否增加进行识别，根据人体生理的具体状态具体识别如下表所示：

图标说明:↑表示稳定升高，即保持升高一定值的状态；

表示保持稳定，即保持处于某一范围内。

1)若人体在空间x(y，z)三个方向中某一方向的运动加速度大于某界定值(20m/s²或其他值)，且人的心率和人的体表温度均升高，则判定人体处于运动状态。

2)若人体在空间x(y，z)三个方向中某一方向的运动加速度大于某界定值(20m/s2或其他值)，人的心率升高但人的体表温度稳定，则判定人体处于轻运动状态。

3)人体在空间x(y，z)三个方向中某一方向的运动加速度大于某界定值(20m/s2或其他值)，虽然人的心率保持稳定但人的体表温度升高，则判定人体处于运动状态。

4)人体在空间x(y，z)三个方向中某一方向的运动加速度小于某界定值(20m/s2或其他值)，但人的心率升高人的体表温度稳定，则判定人体处于微激动状态，按照轻运动状态处理。

5)人体在空间x(y，z)三个方向中某一方向的运动加速度小于某界定值(20m/s2或其他值)，但人的心率和人的体表温度均升高，则判定人体处于激动状态，按照运动状态处理。

6)人体在空间x(y，z)三个方向中某一方向的运动加速度小于某界定值(20m/s2或其他值)，其人的心率值下降则判定人体处于睡眠状态。

(3)根据运动状态选择舒适体表温度。室内控制器判断出人体运动状态后，会根据人的运动状态选择人在该状态下应该保持的身体舒适的体表温度。其中安静状态下空调选择已设定的安静舒适体表温度t_cwq；睡眠状态下选择睡眠舒适体表温度t_cws；运动状态下选择运动舒适体表温度t_cwm；考虑到空调节能，当人体处于轻微运动时选择安静舒适体表温度t_cwq。

(4)判断人体舒适状态，做出控制选择。空调根据选择的舒适的体表温度确定判断人体是否处于舒适状态的舒适区间[T_cwmin，T_cwmax]，T_cwmin称为设定的舒适性皮肤温度的最小值，T_cwmax设定的舒适性皮肤温度的最大值。T_cwmin，T_cwmax的值与t_cwq有关，T_cwmin＝t_cwq-△，T_cwmax＝t_cwq+△(△是一个大于零的值)，这个区间的作用是避免空调连续做开关动作。空调运行确保人的体表温度处于此区间内，具体控制策略如图3和图4。

图3是冬季工况下空调控制策略。首先要进行室内温度的判断，若室内温度高于控制器温度设定的最大值T_max，则无论人体皮肤温度是否舒适，关闭空调，实现空调节能。当温度低于T_max时，如果皮肤温度低于设定的舒适性皮肤温度的最小值，则开启空调，如果皮肤温度高于设定的舒适性皮肤温度的最大值，则关闭空调。

图4是夏季工况下空调控制策略。首先要进行室内温度的判断，若室内温度低于控制器温度设定的最大值T_min，则无论人体皮肤温度是否舒适，关闭空调，实现空调节能。当温度低于T_min时，如果皮肤温度大于设定的舒适性皮肤温度的最大值，则开启空调，如果皮肤温度小于设定的舒适性皮肤温度的最小值，则关闭空调。

Claims (2)

1.一种根据人体生理反应控制室内空调运行的方法，该方法要求位于空调控制房间的某个人携带可穿戴设备，该设备可以测量人的皮肤温度、人的心率值和人的运动加速度，包括下面几个步骤：

第一步，判断人体所处的状态；

第二步，根据运动状态选择舒适体表温度，安静状态下选择安静舒适体表温度t_cwq；睡眠状态下选择睡眠舒适体表温度t_cws；运动状态下选择运动舒适体表温度t_cwm；考虑到空调节能，当人体处于轻微运动时选择安静舒适体表温度t_cwq；

第三步，根据选定的与人体运动状态相关的舒适体表温度，确定人体是否处于舒适状态的舒适区间；实时测量的人体皮肤温度，空调运行应尽量保证人体皮肤体表温度处于此区间；

第四步，空调控制策略包括两种情形：

1)冬季工况下空调控制策略：首先要进行室内温度的判断，若室内温度高于空调控制器温度设定的最大值T_max，则无论人体皮肤温度是否处于舒适区间，均关闭空调；当温度低于T_max时，如果人体皮肤温度低于所选定的舒适区间的下限，则开启空调，如果皮肤温度高于所选定的舒适区间的上限，则关闭空调；

2)夏季工况下空调控制策略：首先要进行室内温度的判断，若室内温度低于空调控制器温度设定的最小值T_min，则无论人体皮肤温度是否处于舒适区间，均关闭空调；当温度高于T_min时，如果人体皮肤温度高于所选定的舒适区间的上限，则开启空调，如果皮肤温度低于所选定的舒适区间的下限，则关闭空调。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一步包括下列的几种情形：

1)若人体在某一方向的运动加速度大于某界定值，且人的心率和人的体表温度均升高，则判定人体处于运动状态；

2)若人体在某一方向的运动加速度大于某界定值，人的心率升高但人的体表温度稳定，则判定人体处于轻运动状态；

3)若人体在某一方向的运动加速度大于某界定值，虽然人的心率保持稳定但人的体表温度升高，则判定人体处于运动状态；

4)若人体在某一方向的运动加速度小于某界定值，但人的心率升高人的体表温度稳定，则判定人体处于微激动状态，按照轻运动状态处理；

5)若人体在某一方向的运动加速度小于某界定值，但人的心率和人的体表温度均升高，则判定人体处于激动状态，按照运动状态处理；

6)人体在某一方向的运动加速度小于某界定值，其人的心率值下降，或心率稳定在低于心率次数设定值的心率值，则判定人体处于睡眠状态。