CN108253594B - 一种基于智能穿戴设备的空调系统变风量末端控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于智能穿戴设备的空调系统变风量末端控制系统及其控制方法，通过智能穿戴设备获取人员实时地理位置，同时监测人体手腕处皮肤温度及心率，将所有监测到的信息发送给区域控制器，区域控制器根据人员位置及穿戴者热特征控制相对应的变风量末端，修正送入变风量末端送入室内的风量。本发明的通过智能穿戴设备获取人员实时位置信息并实时监测穿戴者手腕处皮肤温度以及心跳速率等信息，智能穿戴设备内置热感觉预估模型，同时通过极少量的数据监测可以在线修正得到穿戴者实际热感觉预估模型。区域控制器通过通讯自组网识别所管控的变风量末端，根据人员数量及穿戴者热感觉值修正送入变风量末端送入室内的风量，变风量末端实现风量的精准控制。

Description

一种基于智能穿戴设备的空调系统变风量末端控制系统及其 控制方法

技术领域

本发明属于暖通空调系统末端设备技术领域，具体涉及一种基于智能穿戴设备的空调系统变风量末端控制器及其控制方法。

背景技术

在大型公共建筑中，中央空调系统能耗一般占建筑总能耗的50％以上。由于大空间建筑功能多样以及空调覆盖面积大，其空调系统负荷存在着各区域分布不均匀、变化复杂等特点。变风量空调系统通过调节末端设备送入空调区域的风量来改变空调区域的温度，能够很好地适应大空间建筑中各区域负荷变化大、分布不均的特点，且具有运行能耗低、热舒适性好、控制相对灵活等优点，已经在大型公共建筑中得到了广泛的应用。变风量空调末端装置是变风量空调系统实现分区控制的关键设备，通常根据室内温度的高低，改变末端阀位开度来调节送风量，维持空气温度在设定范围内。在空调分区过程中，通常是设计者依据相关规范来进行划分，而实际上的物理空间是相互连通的，这就可能导致各个变风量末端所送风量会扩散到其他区域。而在实际控制过程中，每个变风量空调末端的送风量仅仅是依据所管控的区域温度来调节，并没有将所管控区域的人员活动情况以及人体的实时热特征反映到控制逻辑中，从而导致实际的控制效果并没有达到理想状况。因此，有必要针对大空间多区域变风量空调系统开发相应的智能化变风量空调末端控制器，实现变风量空调末端智能化及网络化分区管控。

发明内容

基于上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于智能穿戴设备的空调系统变风量末端控制系统及其控制方法，通过智能穿戴设备获取人员实时地理位置，同时监测人体手腕处皮肤温度及心率等参数，将所有监测到的信息发送给区域控制器，区域控制器根据人员位置及穿戴者热特征控制相对应的变风量末端，修正送入变风量末端送入室内的风量，保证室内人员的热舒适性的同时实现变风量末端节能高效运行。

本发明的技术方案：

一种基于智能穿戴设备的空调系统变风量末端控制系统包括数据监测系统、通讯自组网系统、区域控制系统和末端执行系统；

所述的数据监测系统采用智能穿戴设备，包含GPS定位系统、皮肤温度传感器、心率传感器和可操作显示屏；所述的智能穿戴设备穿戴于人体手腕处，实时获取穿戴者位置信息、手腕表面皮肤温度和心跳速率，可操作显示屏用于实时观察当前时刻穿戴者皮肤温度和心跳速率值，并根据实时热感觉进行投票；所述的智能穿戴设备具有内置嵌入的人体热感觉预估模型，同时对所监测到的皮肤温度和心跳速率，与人体热感觉预估模型进行实时修正；

所述的通讯自组网系统可自动对空间内所有区域控制器进行自组网连接，确定每个区域控制器所管控的变风量末端，保证所有变风量末端都有且仅有一个区域控制器对其进行控制；所述的通讯自组网系统可根据识别穿戴者所处的位置信息，控制数据监测系统与穿戴者所处位置对应的区域控制器建立通讯连接，将数据监测系统所监测到的数据上传到区域控制器中；

所述的区域控制系统同时对多个变风量末端进行管理控制，多个区域控制器之间通过通讯线相互连接；区域控制器通过分析空间中人员数量及对应区域人体热感觉信息进行综合评判，实时修正空调系统送风量，并将风量在线分配给对应的末端执行系统；

所述的末端执行系统包含多个变风量末端，变风量末端采用风量监测与调节一体化变风量末端装置，实时监测送入室内的风量并根据区域控制器分配的风量进行调整，保证送风量的准确性。

一种基于智能穿戴设备的空调系统变风量末端控制方法，步骤如下：

步骤1：通讯自组网系统自动对空间内所有区域控制器进行自组网连接，确定每个区域控制器所管控的变风量末端，保证所有变风量末端都有且仅有一个区域控制器对其进行控制；

步骤2：智能穿戴设备内置嵌有人体热感觉预估模型，数据监测系统实时监测皮肤温度T及心跳速率H，当人体皮肤温度分别达到T_a、T_b和T_c、心跳速率达到H_a、H_b和H_c时，智能穿戴设备发出震动，穿戴者在智能穿戴设备的可操作显示屏上进行实时热感觉投票；

步骤3：智能穿戴设备对所采集的皮肤温度、心跳速率及热感觉投票数据进行分析，对内置嵌有的人体热感觉预估模型进行实时修正，确定穿戴者的实际热感觉预估模型；

步骤4：当穿戴者在空间内正常活动时，智能穿戴设备实时获取穿戴者位置，同时采集皮肤温度及心跳速率数据，分析系统利用步骤2建立的人体热感觉预估模型，在线计算穿戴者实时热感觉；

步骤5：数据监测系统与区域控制器建立通讯连接，同时将穿戴者所处位置信息及实时热感觉信息打包发送到对应的区域控制器中；

步骤6：区域控制器通过分析穿戴者位置信息、对应区域人体热感觉信息及区域内人员数量进行综合评判，确定此时空调系统送风量，并将风量在线分配给对应的末端执行系统；

步骤7：变风量末端实时监测送入室内的风量并根据区域控制器分配的风量进行调整风阀开度，保证送入室内的风量；

步骤8：间隔一段时间后，重复步骤4～步骤7；

进一步，所述的人体热感觉预估模型的表达式为：

TSV＝a+b×T+c×H

其中，TSV为人体热感觉投票；TSV为皮肤温度T和心跳速率H的线性函数，a、b、c为相关参数；

或者采用考虑更复杂因素的表达式如下：

TSV＝a+b×T+c×H+d×(T_n-T_m)

其中，T_n和T_m分别表示在同一控制周期内，最终时刻的皮肤温度与初始时刻的皮肤温度之间的差值；

智能穿戴设备对内置嵌有的人体热感觉预估模型进行实时修正并确定穿戴者的实际人体热感觉预估模型后，若穿戴者在某一时刻主动输入此时热感觉，则该组数据将作为模型修正数据用于对热感觉预估模型进行修正。

若区域控制器管控地理位置范围内，没有收到人员定位信息，则该区域控制器按照所需风量的最小值来进行控制。

若区域控制器同时收集多个智能穿戴设备传送的人员定位信息及热感觉值，则采用模糊综合评判方法来确定当前时刻区域控制器风量设定值。

本发明的有益效果：一种基于智能穿戴设备的空调系统变风量末端控制系统通过智能穿戴设备获取人员实时位置信息并实时监测穿戴者手腕处皮肤温度以及心跳速率等信息，智能穿戴设备内置热感觉预估模型，同时通过极少量的数据监测可以在线修正得到穿戴者实际热感觉预估模型。区域控制器通过通讯自组网识别所管控的变风量末端，根据人员数量及穿戴者热感觉值修正送入变风量末端送入室内的风量，变风量末端实现风量的精准控制。该系统实现了针对大空间多区域变风量空调系统智能化及网络化分区管控。

附图说明

图1是一种基于智能穿戴设备的空调系统变风量末端控制系统结构示意图。

图2是一种基于智能穿戴设备的空调系统变风量末端控制系统流程图。

图3是区域控制器送风量控制逻辑图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

图1是一种基于智能穿戴设备的空调系统变风量末端控制系统结构示意图，如图1所示，该系统结构中包括GPS定位系统1、皮肤温度传感器2、心率传感器3、可操作显示屏4、数据监测系统5、无线通讯传输6、区域控制器7及末端执行系统8。其中，GPS定位系统1，皮肤温度传感器2、心率传感器3、可操作显示屏4、数据监测系统5集成在智能穿戴设备上，智能穿戴设备可穿戴于人体手腕处，GPS定位系统1能够获取人员实时位置信息，皮肤温度传感器2能够实时监测手腕表面皮肤温度，心率传感器3能够实时监测人体心跳速率，可操作显示屏可以观察当前时刻皮肤温度和心跳速率值，可以进行实时热感觉投票。

需要说明的是，该智能穿戴设备不仅仅只包含GPS定位系统1、温度传感器2和心率传感器3等本发明所必须的传感器，还可以拥有智能手环所具备的其他功能。

本发明所述的智能穿戴设备具有内置嵌入的人体热感觉预估模型，同时能够对所监测到的皮肤温度及心跳速率与人体热感觉之间的数学模型进行实时修正。热感觉预估模型的表达式为：

TSV＝a+b×T+c×H

其中TSV为人体热感觉投票；TSV为皮肤温度T和心跳速率H的线性函数，其中a、b、c为相关参数。特别的，通过一系列人员试验，初始值可以设置为a＝-50.390、b＝1.347、c＝0.082。

或者采用考虑更复杂因素的表达式如下：

TSV＝a+b×T+c×H+d×(T_n-T_m)

其中T_n和T_m分别表示在同一控制周期内，最终时刻的皮肤温度与初始时刻的皮肤温度之间的差值。特别的，通过一系列人员试验，初始值可以设置为a＝-50.259、b＝1.330、c＝0.088、d＝0.748。

本发明中通讯自组网系统可以自动对空间内所有区域控制器7进行自组网连接，确定每个区域控制器所管控的变风量末端8，保证所有变风量末端8都有且仅有一个区域控制器7对其进行控制。通讯自组网系统可以通过识别穿戴者所处的地理位置信息，实现数据监测系统与穿戴者所处位置对应的区域控制器7建立通讯连接，将数据监测系统所监测到的数据上传到区域控制器7中。

本发明中区域控制系统可以同时对多个变风量末端进行管理控制，多个区域控制器7之间通过通讯线相互连接。区域控制器7通过分析地理位置信息、对应区域人体热感觉信息及区域内实际温度值进行综合评判，实时修正空调系统送风量，并将风量在线分配给对应的末端执行系统8。

本发明中末端执行系统8包含多个变风量末端，变风量末端采用风量监测与调节一体化变风量末端装置，可以实时监测送入室内的风量并根据区域控制器分配的风量进行调整，保证送风量的准确性。

在对本发明系统结构进行介绍之后，下面将结合附图2对本发明实施步骤进行详细的解释说明。图2是一种基于智能穿戴设备的空调系统变风量末端控制系统流程图，该流程包括以下步骤：

步骤201：通讯自组网系统自动对空间内所有区域控制器进行自组网连接，确定每个区域控制器所管控的变风量末端，保证所有变风量末端都有且仅有一个区域控制器对其进行控制；

步骤202：智能穿戴设备内置嵌有人体热感觉预估模型，数据监测系统实时监测人体皮肤温度T及心跳速率H，当皮肤温度分别达到Ta、Tb、Tc以及心跳速率达到Ha、Hb、Hc时，智能穿戴设备会发出震动，穿戴者可以在智能穿戴设备的可操作显示屏上进行实时热感觉投票；

步骤203：智能穿戴设备对所采集的皮肤温度、心跳速率及热感觉投票等数据进行分析，对内置嵌有的人体热感觉预估模型进行实时修正，确定穿戴者的实际热感觉预估模型；

步骤204：当穿戴者在建筑空间内正常活动时，智能穿戴设备数据监测系统实时获取穿戴者地理位置坐标，同时采集人体皮肤温度及心跳速率数据，分析系统利用步骤2建立的热感觉预估模型在线计算穿戴者实时热感觉；

步骤205：数据监测系统与区域控制器建立通讯连接，同时将穿戴者所处地理位置及实时热感觉信息打包发送到对应的区域控制器中；

步骤206：区域控制器通过分析穿戴者地理位置信息、对应区域人体热感觉信息及区域内人员数量进行综合评判，确定此时空调系统送风量，并将风量在线分配给对应的末端执行系统；

步骤207：变风量末端装置实时监测送入室内的风量并根据区域控制器分配的风量进行调整风阀开度，保证送入室内的风量；

步骤208：间隔一段时间后，重复步骤204～步骤207。

图3是区域控制器送风量控制逻辑图。若区域控制器管控地理位置范围内，没有收到人员定位信息，则该区域控制器按照所需风量的最小值来进行控制。若区域控制器同时收集多个智能穿戴设备传送的人员定位信息及热感觉值，则根据人体热感觉和人员数量采用模糊控制方法来确定当前时刻区域控制器风量优化设定值。

以上所述仅为本发明的较佳具体实施方式，并不用以限制本发明的保护范围，任何熟悉本技术领域的技术人员通过简单修改或等效替换等均在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于智能穿戴设备的空调系统变风量末端控制系统，其特征在于，所述的空调系统变风量末端控制系统包括数据监测系统、通讯自组网系统、区域控制系统和末端执行系统；

所述的数据监测系统采用智能穿戴设备，包含GPS定位系统、皮肤温度传感器、心率传感器和可操作显示屏；所述的智能穿戴设备穿戴于人体手腕处，实时获取穿戴者位置信息、手腕表面皮肤温度和心跳速率，可操作显示屏用于实时观察当前时刻穿戴者皮肤温度和心跳速率值，并根据实时热感觉进行投票；所述的智能穿戴设备具有内置嵌入的人体热感觉预估模型，同时对所监测到的皮肤温度和心跳速率，与人体热感觉预估模型进行实时修正；

所述的通讯自组网系统实现自动对空间内所有区域控制器进行自组网连接，确定每个区域控制器所管控的变风量末端，保证所有变风量末端都有且仅有一个区域控制器对其进行控制；所述的通讯自组网系统根据识别穿戴者所处的位置信息，控制数据监测系统与穿戴者所处位置对应的区域控制器建立通讯连接，将数据监测系统所监测到的数据上传到区域控制器中；

所述的区域控制系统同时对多个变风量末端进行管理控制，多个区域控制器之间通过通讯线相互连接；区域控制器通过分析空间中人员数量及对应区域人体热感觉信息进行综合评判，实时修正空调系统送风量，并将风量在线分配给对应的末端执行系统；

所述的末端执行系统包含多个变风量末端，变风量末端采用风量监测与调节一体化变风量末端装置，实时监测送入室内的风量并根据区域控制器分配的风量进行调整，保证送风量的准确性。

2.一种基于智能穿戴设备的空调系统变风量末端控制方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1：通讯自组网系统自动对空间内所有区域控制器进行自组网连接，确定每个区域控制器所管控的变风量末端，保证所有变风量末端都有且仅有一个区域控制器对其进行控制；

步骤2：智能穿戴设备内置嵌有人体热感觉预估模型，数据监测系统实时监测皮肤温度T及心跳速率H，当人体皮肤温度分别达到T_a、T_b和T_c，心跳速率达到H_a、H_b和H_c时，智能穿戴设备发出震动，穿戴者在智能穿戴设备的可操作显示屏上进行实时热感觉投票；

步骤3：智能穿戴设备对所采集的皮肤温度、心跳速率及热感觉投票数据进行分析，对内置嵌有的人体热感觉预估模型进行实时修正，确定穿戴者的实际热感觉预估模型；

步骤4：当穿戴者在空间内正常活动时，智能穿戴设备实时获取穿戴者位置，同时采集皮肤温度及心跳速率数据，分析系统利用步骤2建立的人体热感觉预估模型，在线计算穿戴者实时热感觉；

步骤5：数据监测系统与区域控制器建立通讯连接，同时将穿戴者所处位置信息及实时热感觉信息打包发送到对应的区域控制器中；

步骤6：区域控制器通过分析穿戴者位置信息、对应区域人体热感觉信息及区域内人员数量进行综合评判，确定此时空调系统送风量，并将风量在线分配给对应的末端执行系统；

步骤7：变风量末端实时监测送入室内的风量并根据区域控制器分配的风量进行调整风阀开度，保证送入室内的风量；

步骤8：间隔一段时间后，重复步骤4～步骤7；

进一步，所述的人体热感觉预估模型的表达式为：

TSV＝a+b×T+c×H

其中，TSV为人体热感觉投票；TSV为皮肤温度T和心跳速率H的线性函数，a、b、c为相关参数；

或者采用考虑更复杂因素的表达式如下：

TSV＝a+b×T+c×H+d×(T_n-T_m)

其中，T_n和T_m分别表示在同一控制周期内，最终时刻的皮肤温度与初始时刻的皮肤温度之间的差值。

3.根据权利要求2所述的基于智能穿戴设备的空调系统变风量末端控制方法，其特征在于，智能穿戴设备对内置嵌有的人体热感觉预估模型进行实时修正，并确定穿戴者的实际人体热感觉预估模型后，若穿戴者在某一时刻主动输入此时热感觉，则该组数据将作为模型修正数据用于对热感觉预估模型进行修正。

4.根据权利要求2或3所述的基于智能穿戴设备的空调系统变风量末端控制方法，其特征在于，若区域控制器管控地理位置范围内，没有收到人员定位信息，则该区域控制器按照所需风量的最小值来进行控制。

5.根据权利要求2或3所述的基于智能穿戴设备的空调系统变风量末端控制方法，其特征在于，若区域控制器同时收集多个智能穿戴设备传送的人员定位信息及热感觉值，则采用模糊综合评判方法来确定当前时刻区域控制器风量设定值。

6.根据权利要求4所述的基于智能穿戴设备的空调系统变风量末端控制方法，其特征在于，若区域控制器同时收集多个智能穿戴设备传送的人员定位信息及热感觉值，则采用模糊综合评判方法来确定当前时刻区域控制器风量设定值。

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