CN111562802A - 基于可穿戴体温测量设备的电热毯智能温控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于可穿戴体温测量设备的电热毯智能温控系统及方法，温控系统包括便携式可穿戴蓝牙体温测量系统、温度控制系统以及电热毯控制系统；温控方法包括以下步骤：采集用户在使用电热毯时的体温和电热毯设定温度，得出用户的人体平均舒适温度和电热毯舒适温度设定值；设置温度控制系统的输入变量，设置温度控制系统的输出变量；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，得到输入变量的值；温度控制系统根据控制方案输出变量。本发明将温度传感器与人体皮肤接触来测量人体皮肤温度，利用控制策略解决了传统电热毯依赖手动操作的问题，根据实时检测体温数据来设定电热毯温度，更好的满足不同个体的实际需求。
Description
技术领域
本发明涉及电热毯控制技术领域，特别是一种基于可穿戴体温测量设备的电热毯智能温控系统及方法。
背景技术
电热毯是家庭中常用的电器，但是依靠人工手动调节设定电热毯的工作状态太过机械，而且在熟睡过程中的人可能因无法及时地将电热毯调整到合适的工作状态而造成了一定的资源浪费，并且影响了人们的睡眠质量。
热舒适度因人而异，虽然目前控温、调温电热毯已经普及，但这远远无法满足不同人体对热舒适度的需求。公开号为CN207399526U的专利通过被窝的温度来衡量当前热舒适度是否满足人体的需求，在一定程度上，不同的人对温度的感知能力是不同的，因此通过被窝的温度来衡量当前热舒适度是否满足人体的需求还存在不足。目前已有通过对人体体温数据的采集来调节电热毯的工作状态，公开号为CN104337298A、CN208300050U等相关专利提出了通过在电热毯表面嵌入温度传感器来检测人体多个部位的温度，来调节电热毯的工作状态。但是在睡眠过程中，人体不可能总是保持平躺的睡眠姿势，当人体侧卧或者人体在无意间脱离电热毯时，可能无法准确地采集人体温度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于可穿戴体温测量设备的电热毯智能温控系统及方法，能够在较大程度上减小睡姿对体温测量的影响，根据人体体温的变化采用反馈控制来设定电热毯温度值，使电热毯能够工作在令人舒适的状态，以解决在夜晚睡眠时或者因为其它情况无法及时地主动调节电热毯的工作状态时，如何及时地自动调节电热毯的工作状态以最佳地满足人体需要的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于可穿戴体温测量设备的电热毯智能温控系统，包括便携式可穿戴蓝牙体温测量系统、温度控制系统以及电热毯控制系统；
所述便携式可穿戴蓝牙体温测量系统包括微处理器、与微处理器连接的温度传感器模块、与微处理器连接的蓝牙模块、数据存储模块以及电源模块；
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的数据，并将数据发送到数据存储模块；
所述数据存储模块用于接收微处理器发送的数据以及将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平均值计算，并根据计算结果利用无线蓝牙传输方式将电热毯的温度设定值发送给电热毯控制系统；
所述电热毯控制系统用于对电热毯温度的控制。
一种基于可穿戴体温测量设备的电热毯智能温控系统的智能温控方法，包括以下步骤：
(1)相关变量设置
设置输入变量
ΔT1＝T1-t1、ΔT2＝T2-t2、ΔT3＝T3-t3、ΔT4＝T4-t4、ΔT5＝T5-t5、ΔT6＝T6-t6、ΔT7＝T7-t7、ΔT8＝T8-t8、ΔT9＝T9-t9、ΔT10＝T10-t10；
其中T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T10分别为温度传感器采集的当前胸部、背部、左上臂、左前臂、右上臂、右前臂、左大腿、左小腿、右大腿和右小腿10个位置的温度；
t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8、t9、t10分别为通过前m次使用后计算出的人体胸部、背部、左上臂、左前臂、右上臂、右前臂、左大腿、左小腿、右大腿和右小腿10个位置的舒适温度，m≥5；
ΔT1、ΔT2、ΔT3、ΔT4、ΔT5、ΔT6、ΔT7、ΔT8、ΔT9、ΔT10分别为温度传感器采集的胸部、背部、左上臂、左前臂、右上臂、右前臂、左大腿、左小腿、右大腿和右小腿10个位置的温度与相应各部位舒适温度之差；
人体舒适平均皮肤温度t；
当前人体平均皮肤温度T；
设置输出变量Ts；
自适应控制系数a、b；
(2)控制流程
(一)个性化温度设定：为每个使用者定制人体舒适温度；
在使用的前m次的过程中，不采用任何控制方案，由使用者手动控制电热毯的温度；
第一步：
记录使用过程中每次设定的电热毯温度值A1、A2……Am；
记录此电热毯温度值下使用者的皮肤温度B1、B2……Bm；
记录相对应电热毯温度值下的使用时间C1、C2……Cm；
第二步：
令每次使用时间最长情况下人体皮肤温度值作为本次该使用者的人体平均舒适温度B；
令每次使用时间最长情况下电热毯设定温度值为本次该使用者的舒适电热毯设定温度值A；
第三步：
将使用m次过后的人体平均舒适温度B进行计算，所得结果设定为该使用者的人体平均舒适温度t；
将m次使用时间最长的电热毯设定温度值A进行计算，得出电热毯的舒适温度值Ts；
得到t和Ts后，使用者停止手动控制，控制系统采用如下控制方案；
(二)自适应反馈控制：
第一步：打开电热毯，传感器进入工作状态，电热毯自动设定温度值Ts；
第二步：计算T-t的值；
若-0.5≤T-t≤0.5，则保持当前设定值Ts；进入第四步；
若T-t>0.5且所有ΔTi≥0，i＝1、2、3…10，则令Ts＝Ts-a(T-t)，a的范围取为(1.5,2.5)；进入第三步；
若T-t>0.5,且存在ΔTi<0，i＝1、2、3…10，则令Ts＝Ts-b(T-t)，b的范围取为(2.5,4.5)；进入第三步；
若T-t<-0.5,则令Ts＝Ts-a(T-t)；进入第三步；
第三步：输出设定值Ts，15分钟之后返回第二步；
第四步：传感器进入休眠状态，15分钟后返回第二步；
第五步：用户手动关闭电热毯，传感器停止工作。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：(1)本发明基于可穿戴体温测量设备的个性化电热毯智能温控系统，利用便携式可穿戴设备对人体体温进行测量，减小了人们在睡觉时无意识的动作对体温测量的影响，测量效果更准确、有效；(2)本发明基于可穿戴体温测量设备的个性化电热毯智能温控系统，通过对使用者前五次使用的相关数据进行记录和分析，能够为每一个使用者个性化定制控制方案，保证使用者的舒适性；(3)本发明基于可穿戴体温测量设备的个性化电热毯智能温控系统，其不仅避免了人工调节电热毯工作状态的机械化操作，而且对于一些熟睡中或者不方便主动调节电热毯的人们来说，通过对人体体温的测量就能够自动地调节电热毯的工作状态，在很大程度上提高了电热毯使用的便捷性；(4)本发明基于可穿戴体温测量设备的个性化电热毯智能温控系统，与控温、调温的电热毯控制系统不同，本专利综合考虑每个人对温度变化的敏感度的差异性与熟睡状态的差异性，利用便携式可穿戴温度传感器实时地测量人体体温的变化，根据体温变化程度的不同，合理的设定电热毯的工作状态，更好的贴合不同个体的实际需求；(5)本发明基于可穿戴体温测量设备的个性化电热毯智能温控系统，与在电热毯表面嵌入温度传感器的控制方法不同，本发明能够对人体多个部位进行温度采集，通过计算得出更加合理的人体温度，并且利用合理的控制算法控制电热毯的工作状态，能够更好的满足人体的需求；(6)本发明基于可穿戴体温测量设备的个性化电热毯智能温控系统，在人们熟睡过程中，由于温度略高导致部分身体放置在被子外面，从而导致的身体局部温度变化异常，本发明能够利用便携式可穿戴温度传感器及时地测量出某一部位的温度异常变化，通过合理的控制方法及时地调整电热毯的工作状态，避免了由于局部温度异常产生的误操作，大大提高了人们的睡眠质量。
附图说明
图1为基于可穿戴体温测量设备的电热毯智能温控系统的结构示意图。
图2个性化温度设定框图。
图3为自适应反馈控制流程图。
附图标记说明：1-便携式可穿戴蓝牙体温测量系统，2-温度控制系统，3-电热毯控制系统。
具体实施方式
如图1所示，本发明公开了一种基于可穿戴体温测量设备的个性化电热毯智能温控系统，包括便携式可穿戴蓝牙体温测量系统1、温度控制系统2以及电热毯控制系统3。
所述便携式可穿戴蓝牙体温测量系统1包括：微处理器、与微处理器连接的温度传感器模块、与微处理器连接的蓝牙模块、数据存储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的数据，并将数据发送到数据存储模块；
所述数据存储模块用于接收微处理器发送的数据以及将数据发送到温度控制系统；
所述电源模块用于为电热毯智能温控系统供电；
所述温度控制系统2用于对接收到的人体体温数据进行平均值计算，并根据计算结果利用无线蓝牙传输方式将电热毯的温度设定值发送给电热毯控制系统；
所述电热毯控制系统3用于对电热毯温度的控制。
进一步，所述便携式可穿戴蓝牙体温测量系统温度传感器嵌入衣物内侧与人体皮肤接触来测量人体皮肤温度，实现便携式可穿戴体温测量；
进一步，所述温度传感器可采用高精度温度传感器MAX30208，利用环氧树脂封装，提高传感器与用户人体皮肤接触时的人体舒适度。
进一步，所述温度传感器嵌入衣物内侧的位置包括胸部、背部、左上臂、左前臂、右上臂、右前臂、左大腿、左小腿、右大腿和右小腿。
进一步，所述温度传感器对人体皮肤温度的测量为接触式、连续测量。
进一步，所述蓝牙模块为低功耗蓝牙模块。
微处理器优选为德州仪器CC2650STK 32位处理器ARM Cortex M3；温度传感器型号为美信MAX30208，测量精度为±0.1℃，测量范围为0℃至70℃；将温度传感器MAX30208与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；微处理器将打包好的数据传输给数据存储和发送模块。数据存储和发送模块和温度控制模块相连，温度控制模块通过一系列算法将接收的数据整定为电热毯控制器的设定值并发送给电热毯控制系统。
所述德州仪器CC2650STK是由存放在片内FLASH中的程序来设置其工作状态的，因此，工作是需要对片内的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。
本发明还提出了一种基于上述温控系统的温控方法，采用自适应反馈控制算法，具体包括以下步骤：
(1)相关变量设置
设置输入变量
ΔT1＝T1-t1(℃)ΔT2＝T2-t2(℃)ΔT3＝T3-t3(℃)ΔT4＝T4-t4(℃)ΔT5＝T5-t5(℃)ΔT6＝T6-t6(℃)ΔT7＝T7-t7(℃)ΔT8＝T8-t8(℃)ΔT9＝T9-t9(℃)ΔT10＝T10-t10(℃)
其中T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T10(℃)分别为温度传感器采集的当前胸部、背部、左上臂、左前臂、右上臂、右前臂、左大腿、左小腿、右大腿和右小腿10个位置的温度；
t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8、t9、t10分别为通过前m次(m≥5)使用后计算出的人体胸部、背部、左上臂、左前臂、右上臂、右前臂、左大腿、左小腿、右大腿和右小腿10个位置的舒适温度；
ΔT1、ΔT2、ΔT3、ΔT4、ΔT5、ΔT6、ΔT7、ΔT8、ΔT9、ΔT10分别为温度传感器采集的胸部、背部、左上臂、左前臂、右上臂、右前臂、左大腿、左小腿、右大腿和右小腿10个位置的温度与相应各部位舒适温度之差。
人体舒适平均皮肤温度t(℃)；
当前人体平均皮肤温度T(℃)；
设置输出变量Ts(℃)；
自适应控制系数a、b；
(2)控制流程
(一)个性化温度设定：为每个使用者个性化定制人体舒适温度。
在所使用的前m次数据的过程中，不采用任何控制方案，由使用者根据自己的冷热喜好手动控制电热毯的温度，如图2所示：
第一步：
记录使用过程中每次设定的电热毯温度值A1、A2……Am；
记录此电热毯温度值下使用者的皮肤温度B1、B2……Bm；
记录相对应电热毯温度值下的使用时间C1、C2……Cm。
第二步：
令每次使用时间最长情况下人体皮肤温度值作为本次该使用者的人体平均舒适温度B；
令每次使用时间最长情况下电热毯设定温度值为本次该使用者的舒适电热毯设定温度值A。
第三步：
将使用m(m≥5)次过后的人体平均舒适温度B进行计算，所得结果设定为该使用者的人体平均舒适温度t；
将m(m≥5)次使用时间最长的电热毯设定温度值A进行计算，得出电热毯的舒适温度值Ts。
得到t和Ts后，使用者停止手动控制，控制系统采用如下控制方案。
(二)自适应反馈控制
第一步：用户手动打开电热毯，传感器进入工作状态，电热毯自动设定温度Ts；
第二步：计算T-t的值
若-0.5≤T-t≤0.5，则保持当前设定值Ts；进入第四步；
若T-t>0.5且所有ΔTi≥0，i＝1、2、3…10则令Ts＝Ts-a(T-t),a的范围可取为(1.5,2.5)；进入第三步；
若T-t>0.5,且存在ΔTi<0，i＝1、2、3…10则令Ts＝Ts-b(T-t)，b的范围可取为(2.5,4.5)；进入第三步；
若T-t<-0.5,则令Ts＝Ts-a(T-t)；进入第三步；
第三步：输出设定值Ts，15分钟之后返回第二步；
第四步：传感器进入休眠状态，15分钟后返回第二步；
第五步：用户手动关闭电热毯，传感器停止工作，上述过程如图3所示。
进一步，所述的人体皮肤平均温度的加权公式为：
t＝0.215t1+0.175t2+0.072t3+0.0705t4+0.072t5+0.0705t6+0.0965t7+0.066t8+0.0965t9+0.066t10
所述控制方案并未事先设定一个固定的人体平均舒适温度，而是通过分析每个使用者前几次的使用习惯，为每个使用者制定一个个性化控制方案。
对于T-t>0.5,ΔTi<0，身体部分部位温度异常变化，嵌入到衣物中的便携式可穿戴设备能够及时测量出这种温度异常变化，利用所述控制方案及时分析这种温度异常变化，输出合理的温度设定值。
考虑到人体在睡眠过程中一般不会出现总体温度下降，身体部分部位温度升高的实际情况，在总体温度下降(即T-t<-0.5)的情况下，令输出为Ts＝Ts+1即可满足实际需要。
区别于传统的控温、调温型电热毯，本专利通过将温度传感器嵌入到衣物中，利用便携式可穿戴设备对人体多个部位的温度进行测量，减少因为睡姿对体温测量的影响，通过自适应反馈控制方法，及时地根据人体体温的变化来调整电热毯的工作状态，使电热毯能够工作在令人舒适的状态，从而更好的满足人体的实际热舒适度需求，提高人们的生活质量。
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 (7)
1.一种基于可穿戴体温测量设备的电热毯智能温控系统，其特征在于：包括便携式可穿戴蓝牙体温测量系统、温度控制系统以及电热毯控制系统；
所述便携式可穿戴蓝牙体温测量系统包括微处理器、与微处理器连接的温度传感器模块、与微处理器连接的蓝牙模块、数据存储模块以及电源模块；
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的数据，并将数据发送到数据存储模块；
所述数据存储模块用于接收微处理器发送的数据以及将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平均值计算，并根据计算结果利用无线蓝牙传输方式将电热毯的温度设定值发送给电热毯控制系统；
所述电热毯控制系统用于对电热毯温度的控制。
2.根据权利要求1所述的基于可穿戴体温测量设备的电热毯智能温控系统，其特征在于：所述温度传感器嵌入衣物内侧与人体皮肤接触来测量人体皮肤温度。
3.根据权利要求2所述的基于可穿戴体温测量设备的电热毯智能温控系统，其特征在于：所述温度传感器采用高精度温度传感器MAX30208，利用环氧树脂封装。
4.根据权利要求2所述的基于可穿戴体温测量设备的电热毯智能温控系统，其特征在于：所述温度传感器嵌入衣物内侧的位置包括胸部、背部、左上臂、左前臂、右上臂、右前臂、左大腿、左小腿、右大腿和右小腿。
5.根据权利要求4所述的基于可穿戴体温测量设备的电热毯智能温控系统,其特征在于：所述温度传感器对人体体温的测量为接触式、连续测量。
6.一种基于权利要求1-5中任一项所述基于可穿戴体温测量设备的电热毯智能温控系统的智能温控方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)相关变量设置
设置输入变量
ΔT1＝T1-t1、ΔT2＝T2-t2、ΔT3＝T3-t3、ΔT4＝T4-t4、ΔT5＝T5-t5、ΔT6＝T6-t6、ΔT7＝T7-t7、ΔT8＝T8-t8、ΔT9＝T9-t9、ΔT10＝T10-t10；
其中T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9、T10分别为温度传感器采集的当前胸部、背部、左上臂、左前臂、右上臂、右前臂、左大腿、左小腿、右大腿和右小腿10个位置的温度；
t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8、t9、t10分别为通过前m次使用后计算出的人体胸部、背部、左上臂、左前臂、右上臂、右前臂、左大腿、左小腿、右大腿和右小腿10个位置的舒适温度，m≥5；
ΔT1、ΔT2、ΔT3、ΔT4、ΔT5、ΔT6、ΔT7、ΔT8、ΔT9、ΔT10分别为温度传感器采集的胸部、背部、左上臂、左前臂、右上臂、右前臂、左大腿、左小腿、右大腿和右小腿10个位置的温度与相应各部位舒适温度之差；
人体舒适平均皮肤温度t；
当前人体平均皮肤温度T；
设置输出变量Ts；
自适应控制系数a、b；
(2)控制流程
(一)个性化温度设定：为每个使用者定制人体舒适温度；
在使用的前m次的过程中，不采用任何控制方案，由使用者手动控制电热毯的温度；
第一步：
记录使用过程中每次设定的电热毯温度值A1、A2……Am；
记录此电热毯温度值下使用者的皮肤温度B1、B2……Bm；
记录相对应电热毯温度值下的使用时间C1、C2……Cm；
第二步：
令每次使用时间最长情况下人体皮肤温度值作为本次该使用者的人体平均舒适温度B；
令每次使用时间最长情况下电热毯设定温度值为本次该使用者的舒适电热毯设定温度值A；
第三步：
将使用m次过后的人体平均舒适温度B进行计算，所得结果设定为该使用者的人体平均舒适温度t；
将m次使用时间最长的电热毯设定温度值A进行计算，得出电热毯的舒适温度值Ts；
得到t和Ts后，使用者停止手动控制，控制系统采用如下控制方案；
(二)自适应反馈控制：
第一步：打开电热毯，传感器进入工作状态，电热毯自动设定温度值Ts；
第二步：计算T-t的值；
若-0.5≤T-t≤0.5，则保持当前设定值Ts；进入第四步；
若T-t>0.5且所有ΔTi≥0，i＝1、2、3…10，则令Ts＝Ts-a(T-t)，a的范围取为(1.5,2.5)；进入第三步；
若T-t>0.5,且存在ΔTi<0，i＝1、2、3…10，则令Ts＝Ts-b(T-t)，b的范围取为(2.5,4.5)；进入第三步；
若T-t<-0.5,则令Ts＝Ts-a(T-t)；进入第三步；
第三步：输出设定值Ts，15分钟之后返回第二步；
第四步：传感器进入休眠状态，15分钟后返回第二步；
第五步：用户手动关闭电热毯，传感器停止工作。
7.根据权利要求6所述的智能温控方法，其特征在于：所述的人体皮肤平均温度的加权公式为：
t＝0.215t1+0.175t2+0.072t3+0.0705t4+0.072t5+0.0705t6+0.0965t7+0.066t8+0.0965t9+0.066t10。
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