CN110006135A - 基于无线人体体温测量的空调控制系统及控制策略 - Google Patents

基于无线人体体温测量的空调控制系统及控制策略 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于无线人体体温测量的空调控制系统及控制策略，属于空调控制技术领域。空调控制系统包括无线蓝牙体表温度测量系统、环境温度传感器、数据存储系统、以及温度控制系统；控制策略包括步骤：1)设置温度控制系统的输入变量ΔT，设置隶属度函数F，设置温度控制系统的输出变量Ts；2)温度控制系统对温度传感器模块采集的体温数据进行处理，得到ΔT的值；3)温度控制系统根据ΔT的值判断所属的隶属度函数，并根据输出变量Ts与隶属度函数F的关系式得到当前空调系统的温度设定值。本发明解决了传统空调温度控制需要人工手动操作的问题，其根据实时测量的人体体温数据来合理地控制空调的运行状态，能更好地满足不同个体的实际需求。

Description

基于无线人体体温测量的空调控制系统及控制策略
技术领域
本发明涉及空调控制技术领域，特别涉及一种基于无线蓝牙体温测量的空调控制系统。
背景技术
空调是家庭中常用的电器，现有的空调大多依赖于使用者的手动控制。这就意味着只有当人在清醒状态下感觉到不舒适的时候才会去调节空调的设定温度。这种被动的调节方式不仅会造成一定程度的资源浪费，而且难以解决人在睡眠或是失能状态下因为无法对室温进行及时调整而导致健康受损的问题。
目前已有技术致力于空调系统的自动运行控制，如公开号CN105864983A和公开号CN106885339A等相关专利都是根据环境温度来调节空调设定温度以达到满足人体舒适度的需求，但是对于使用者来说，不同个体对温度的感知能力和敏感度是各不相同的，因此根据环境温度来实现满足人体舒适度的需求还存在一定的不足。公开号CN105485852A提出了用红外传感器测量人体体温，来达到满足人体舒适度的需求，但是红外传感器有一定的测量范围，一旦超出测量范围就可能导致无法准确地控制空调系统，虽然其专利提出了当测量对象不在测量范围内时进行提醒，但是对于部分特殊人群来说，可能并不能根据提醒进入到测量范围之内。并且当人们熟睡的过程中身上盖有衣物和被子时，红外传感器无法准确获取人体的温度，可能无法满足人体的实际需求。
又如文献[1]提出了一种基于体表温度来控制空调的方案，但其温度采集模块仅采集了手腕内测的温度信息，并且所采用的控制算法也只是最简单的开关控制算法，因此要达到满意的控制效果还存在一定的不足。文献[2]中的研究表明，即使在均匀环境下人体各部位间也存在皮肤温度的差异,而且冷环境下的差异要大于中性和暖环境下的差异。据此，我们可以合理推断，仅以人体某部分的温度信息来设定空调的运行状态是无法提供最佳舒适度的。尤其是在身体覆盖状况不佳的情况下，出现非舒适感受的几率将会大大增加。
[1]高晶.基于人体体表温度的家用空调控制系统的研究[D].天津大学,2012。
[2]孙宇明.基于皮肤温度的人体热感觉特性实验研究[D].大连理工大学,2009。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于无线人体体温测量的空调控制系统及控制策略，以解决在睡眠时、行动不便时以及因为其它情况无法及时地主动调节空调系统时，如何及时自动调节空调系统的设定温度以最佳地满足人体需要的问题。
本发明基于无线人体体温测量的空调控制系统，包括无线蓝牙体表温度测量系统、环境温度传感器、数据存储系统、以及温度控制系统；
所述无线蓝牙体表温度测量系统包括：微处理器、与微处理器连接的若干个接触式检测人体体温的温度传感器、与微处理器连接的蓝牙模块、以及与微处理器连接的电源模块；
所述温度传感器模块用于测量人体体温，并将得到的体温数据输入微处理器；
所述微处理器用于收集人体体温数据，并对这些数据打包，然后将打包信息传输给蓝牙模块；
所述蓝牙模块用于将接收到的人体体温数据发送到数据存储系统；
所述环境温度传感器用于测量室内温度，并将测量数据发送到数据存储系统；
所述数据存储系统包括数据存储模块和数据发送模块，所述数据存储系统用于接收无线蓝牙体表温度测量系统的蓝牙模块发送的数据和环境温度传感器发送的数据，以及将接收的数据发送到温度控制系统；
所述温度控制系统用于对接收到的人体体温数据进行处理，并根据处理结果将空调温度的设定值输出发送给空调系统。
进一步，所述温度传感器包括但不限于用于检测人体胸部温度的温度传感器、用于检测人体背部温度的温度传感器、用于检测人体上臂温度的温度传感器、用于检测人体前臂温度的温度传感器、用于检测人体大腿温度的温度传感器、用于检测人体小腿温度的温度传感器。
进一步，所述蓝牙模块为低功耗蓝牙模块。
本发明还公开了基于无线人体体温测量的空调控制系统的控制策略，其包括以下步骤：
1)设置温度控制系统的输入变量ΔT＝(T-T1)℃，其中T为对各温度传感器测得的人体体温数据用加权公式进行计算后得到的平均人体体温，T1为设定的人体体表平均舒适温度；
设置隶属度函数F如下：
设置温度控制系统的输出变量Ts，Ts即当前空调系统的温度设定值，输出变量Ts与隶属度函数F的关系式如下：
上式中Ta为由环境温度传感器测得的当前室内温度，其单位为℃；
2)温度控制系统对温度传感器模块采集的当前人体体温数据进行处理，得到ΔT的值；
3)温度控制系统根据ΔT的值判断所属的隶属度函数，并根据输出变量Ts与隶属度函数F的关系式得到当前空调系统的温度设定值；如果得到的当前空调系统的温度设定值Ts＝Ta，则温度控制系统不向空调系统输出Ts，以保持当前空调设定值不变，并进入第5)步；否则，温度控制系统向空调系统输出相应的Ts，以改变空调系统的当前温度设定值；
4)温度控制系统在向空调系统输出相应的Ts后返回执行第一步；
5)温度控制系统进入休眠状态，并在10分钟后结束休眠状态返回执行第2)步。
进一步，所述的加权公式为：
T＝0.185T胸+0.185T背+0.08T上臂+0.08T前臂+0.06T手背+0.21T小腿+0.20T大腿
进一步，所述的T1的取值范围为34.5℃-36.5℃。
本发明的有益效果：
1、本发明基于无线人体体温测量的空调控制系统及控制策略，其能帮助用户在熟睡、或因其它原因不能手动操作改变空调设定值的情况下，自动根据温度传感器检测到的人体体表温度调节空调系统当前设定值，解决了传统空调遥控器需要人工手动操作的问题。本发明特别适用于行动不便的人或因其它原因不能使用空调遥控器的人，大大地方便了人们的生活。
2、本发明基于无线人体体温测量的空调控制系统及控制策略，其与一般的基于环境温度的空调控制系统不同，因为不同个体的体温变化速度以及对环境温度的敏感程度都不相同，以环境温度为参考来调节空调的当前设定温度并不能满足不同个体的实际需求；而本发明是根据实时测量的人体体温数据来合理地设定空调控制温度，因而能更好地满足不同个体的实际需求。
3、本发明基于无线人体体温测量的空调控制系统及控制策略，因为其采用的接触式温度传感器能够方便地附着在身体的各个关键部位，不受保暖覆盖物的影响，因而能够准确地对各个关键部位的体表温度进行测量，并且本发明根据不同部位体表温度对人体舒适度的影响程度设置权重，再将各部位的加权平均体表温度作为最终使用的体表温度，消除了单个温度传感器的测量值不能准确反映人体整体体表实际温度的问题。本发明中温度控制系统根据加权平均体表温度调节空调当前设定温度，因而能更准确、更全面地满足人体需要。
4、本发明基于无线人体体温测量的空调控制系统及控制策略，由于其能在人们熟睡或者身体失能的情况下根据人体体温自动调节空调的设定温度，以使人体的体表温度得以维持在舒适的范围之内，因而能够避免人们在上述情况下因为无法主动调节空调温度而导致过冷过热甚至身体健康受损的情况发生。
5、本发明基于无线人体体温测量的空调控制系统及控制策略，其与一般的利用红外传感器测量人体体温不同，本发明利用接触式温度传感器测量体温，测温准确性更高，能有效避免红外传感器会因衣服、被子遮挡，人体翻身移动等造成测量不准的问题。
附图说明
图1为基于无线人体体温测量的空调控制系统的结构示意图。
图2为隶属度函数F的函数图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：本实施例基于无线人体体温测量的空调控制系统，包括无线蓝牙体表温度测量系统1、环境温度传感器2、数据存储系统3、以及温度控制系统4。
所述无线蓝牙体表温度测量系统包括：微处理器、与微处理器连接的若干个接触式检测人体体温的温度传感器、与微处理器连接的蓝牙模块、以及与微处理器连接的电源模块。
所述温度传感器模块用于测量人体体温，并将得到的体温数据输入微处理器。
所述微处理器用于收集人体体温数据，并对这些数据打包，然后将打包信息传输给蓝牙模块。
所述蓝牙模块用于将接收到的人体体温数据发送到数据存储系统。
所述环境温度传感器用于测量室内温度，并将测量数据发送到数据存储系统。
所述数据存储系统包括数据存储模块和数据发送模块，所述数据存储系统用于接收无线蓝牙体表温度测量系统的蓝牙模块发送的数据和环境温度传感器发送的数据，以及将接收的数据发送到温度控制系统。
所述温度控制系统用于对接收到的人体体温数据进行处理，并根据处理结果将空调温度的设定值输出发送给空调系统。
本实施例中的微处理器优选为德州仪器CC2650STK 32位处理器ARM Cortex M3；温度传感器优选为德州仪器LMT70，其测量精度为±0.05℃，测量范围为20℃至42℃；电源模块采用纽扣电池电；将温度传感器LMT70与微处理器CC2650STK的模数转换引脚相连接即可将温度传感器采集到的数据发送给微处理器；蓝牙模块与数据存储系统相连，蓝牙模块将微处理器打包好的数据传输给数据存储系统。本实施例中的无线蓝牙体表温度测量系统可通过粘贴或穿戴的方式附着在人体关键部位，使用方便。数据存储系统和温度控制系统相连，温度控制系统通过一系列算法将接受的数据整定为空调的设定值并发送给空调系统。
本实施例中所采用的德州仪器CC2650STK是由存放在片内FLASH中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的FLASH进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。同一片CC2650STK，写入不同的编程数据，可以产生不同的电路功能，因此CC2650STK的使用非常灵活。
本实施例中，所述温度传感器包括用于检测人体胸部温度的温度传感器、用于检测人体背部温度的温度传感器、用于检测人体上臂温度的温度传感器、用于检测人体前臂温度的温度传感器、用于检测人体大腿温度的温度传感器、用于检测人体小腿温度的温度传感器。当然在具体实施中，相关技术人员可以根据需要增加或减少检测人体主要部位温度的温度传感器，但这种改变属于对本实施例技术方案的一种等同替换，其应归属到本发明的保护范围之内。
本实施例中的环境温度传感器可采用上述的德州仪器LMT70，当然在具体实施中，相关技术人员也可根据需要采用设置于空调系统中的温度传感器，也可以采用其它型号的温度传感器。
本实施例中，所述蓝牙模块为低功耗蓝牙模块，节能效果好。当然蓝牙模块的种类较多，在具体实施中相关技术人员可以根据需要进行合理选择。
实施例二：本实施例基于无线人体体温测量的空调控制系统的控制策略，其包括以下步骤：
1)设置温度控制系统的输入变量ΔT＝(T-T1)℃，其中T为对各温度传感器测得的人体体温数据用加权公式进行计算后得到的平均人体体温，T1为设定的人体体表平均舒适温度；
设置隶属度函数F如下：
设置温度控制系统的输出变量Ts，Ts即当前空调系统的温度设定值，输出变量Ts与隶属度函数F的关系式如下：
上式中Ta为由环境温度传感器测得的当前室内温度，其单位为℃。
输出变量Ts表
Ne Nd Nc Nb Na Ze Pa Pb Pc Pd Pe
Ts Ta+10 Ta+8 Ta+6 Ta+3 Ta+1 Ta Ta-1 Ta-3 Ta-6 Ta-8 Ta-10
2)温度控制系统对温度传感器模块采集的当前人体体温数据进行处理，得到ΔT的值。
3)温度控制系统根据ΔT的值判断所属的隶属度函数，并根据输出变量Ts与隶属度函数F的关系式得到当前空调系统的温度设定值；如果得到的当前空调系统的温度设定值Ts＝Ta，则温度控制系统不向空调系统输出Ts，以保持当前空调设定值不变，并进入第5)步；否则，温度控制系统向空调系统输出相应的Ts，以改变空调系统的当前温度设定值。
4)温度控制系统在向空调系统输出相应的Ts后返回执行第一步。
5)温度控制系统进入休眠状态，并在10分钟后结束休眠状态返回执行第2)步。
本实施例中，所述的加权公式为：
T＝0.185T胸+0.185T背+0.08T上臂+0.08T前臂+0.06T手背+0.21T小腿+0.20T大腿
当然在具体实施中，加权公式中的权重系数可以根据实际情况进行调整，同时温度传感器的数量也可根据实际需要进行调整，但这种调整只是对上述加权公式的一种等同替换形式，相应调整应归属与本发明的保护范围之内。
本实施例中所述的T1的取值范围为34.5℃-36.5℃，在具体实施中优先选用34.5℃。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于无线人体体温测量的空调控制系统，其特征在于：包括无线蓝牙体表温度测量系统、环境温度传感器、数据存储系统、以及温度控制系统；
所述无线蓝牙体表温度测量系统包括：微处理器、与微处理器连接的若干个接触式检测人体体温的温度传感器、与微处理器连接的蓝牙模块、以及与微处理器连接的电源模块；
所述温度传感器模块用于测量人体体温，并将得到的体温数据输入微处理器；
所述微处理器用于收集人体体温数据，并对这些数据打包，然后将打包信息传输给蓝牙模块；
所述蓝牙模块用于将接收到的人体体温数据发送到数据存储系统；
所述环境温度传感器用于测量室内温度，并将测量数据发送到数据存储系统；
所述数据存储系统包括数据存储模块和数据发送模块，所述数据存储系统用于接收无线蓝牙体表温度测量系统的蓝牙模块发送的数据和环境温度传感器发送的数据，以及将接收的数据发送到温度控制系统。
所述温度控制系统用于对接收到的人体体温数据进行处理，并根据处理结果将空调温度的设定值输出发送给空调系统。
2.根据权利要求1所述的基于无线人体体温测量的空调控制系统，其特征在于：所述温度传感器包括用于检测人体胸部温度的温度传感器、用于检测人体背部温度的温度传感器、用于检测人体上臂温度的温度传感器、用于检测人体前臂温度的温度传感器、用于检测人体大腿温度的温度传感器、用于检测人体小腿温度的温度传感器。
3.根据权利要求1所述的基于无线人体体温测量的空调控制系统，其特征在于：所述蓝牙模块为低功耗蓝牙模块。
4.一种权利要求1-3中任一所述的基于无线人体体温测量的空调控制系统的控制策略，其特征在于：包括以下步骤：
1)设置温度控制系统的输入变量ΔT＝(T-T1)℃，其中T为对各温度传感器测得的人体体温数据用加权公式进行计算后得到的平均人体体温，T1为设定的人体体表平均舒适温度；
设置隶属度函数F如下：
设置温度控制系统的输出变量Ts，Ts即当前空调系统的温度设定值，输出变量Ts与隶属度函数F的关系式如下：
上式中Ta为由环境温度传感器测得的当前室内温度，其单位为℃；
2)温度控制系统对温度传感器模块采集的当前人体体温数据进行处理，得到ΔT的值；
3)温度控制系统根据ΔT的值判断所属的隶属度函数，并根据输出变量Ts与隶属度函数F的关系式得到当前空调系统的温度设定值；如果得到的当前空调系统的温度设定值Ts＝Ta，则温度控制系统不向空调系统输出Ts，以保持当前空调设定值不变，并进入第5)步；否则，温度控制系统向空调系统输出相应的Ts，以改变空调系统的当前温度设定值；
4)温度控制系统在向空调系统输出相应的Ts后返回执行第一步；
5)温度控制系统进入休眠状态，并在10分钟后结束休眠状态返回执行第2)步。
5.根据权利要求4所述的基于无线人体体温测量的空调控制系统的控制策略，其特征在于：所述的加权公式为：
T＝0.185T胸+0.185T背+0.08T上臂+0.08T前臂+0.06T手背+0.21T小腿+0.20T大腿
6.根据权利要求4所述的基于无线人体体温测量的空调控制系统的控制策略，其特征在于：所述的T1的取值范围为34.5℃-36.5℃。
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