CN111956027A - 一种用于被褥温度控制的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卧室家用电器领域，公开了一种用于被褥温度控制的系统，用以提高电热毯等被褥产热装置的制热舒适度。本发明包括产热装置、控制器和室内温度模块，在控制器中存有一个关于人体在睡眠状态的躯干产热量、产热装置产热量以及被褥散热量的热平衡方程，控制器在获取到热平衡方程中除被褥内的实时温度的参数值之后，通过所述热平衡方程计算出被褥内的实时温度，并以被褥内的实时温度为输入，以人体的热中性温度为控制目标，控制产热装置让被褥内的温度接近于人体的热中性温度。本发明适用于电热毯温度控制。

Description

一种用于被褥温度控制的系统

技术领域

本发明涉及卧室家用电器领域，特别涉及一种用于被褥温度控制的系统。

背景技术

目前在电热毯的电器产品中均有不同形式电加热作为主要或辅助发热器具，制热可直接使用电加热器来实现。其中电加热一般是以开关或通断的方式为主，没有控温的功能。

睡眠需要舒适性环境，温度过低或过高对睡眠质量有较大影响。冬季人体覆盖厚被子，下面有电热毯，形成一个相对封闭的环境。当人进入被褥内，人体由新陈代谢的能量，大约有40W左右，随着人体适应被褥内环境温度，逐渐进入睡眠状态，要保持被褥内温度在一个合理范围内，一般需要电加热温度更低，甚至关闭。

用户在入睡前不久才会开启电热毯暖热被褥，显然电热毯使用时，开始加热寒冷被褥，与后期人进入被褥后，内环境温度与叠加人体热量需要的热量不同，即电热毯投入不同功率，这个功率与室内环境温度也有关系，不同室内温度导致被褥系统的漏热量不同。

以电热毯的工作为例，如100W，电加热有开或不开两种状态，电加热一般采用机械式温控器和熔断器进行保护。现有市场上的电热毯存在多种缺点：一是电热毯加热只有几个固定功率档位没有温度控制功能，按档位提供固定的加热功率，显然与用户整个睡眠过程实际需要不符。临睡前开启电热毯要么低温要么高温。开低温档时，加热速度慢，开高温档时，虽然加温速度快些，即使在睡觉时更换更小功率档位，但无法保证用户不热醒。目前电热毯的检测控制方案无法实现用户舒适睡眠的要求。此外，被褥里面的温度，获取是一个难点，现有技术还是无法准确获取的。

电热毯设定各档加热功率是固定的，而用户自身体质、环境以及被褥厚薄均不相同，无法实现连续动态的调整，用户被热醒的可能性很大。有些为此提出增加电热毯温度检测功能如专利号：201821794891.2，专利名称为《一种生命体征检测的智能电热毯》，其公开的技术方案包括：电热毯本体，所述电热毯本体包括上表面层、发热层和下表面层，所述上表面层、所述发热层和所述下表面层缝合在一起；温度传感器，所述温度传感器包括测量室温的第一温度传感器和测量床温的所述第二温度传感器，所述第一温度传感器设置在所述电热毯本体一侧角的所述上表面层下部，所述第二温度传感器设置在所述电热毯的发热层内部；湿度传感器，所述湿度传感器设置在所述电热毯本体一侧的所述上表面层的下部；检测生命体征传感器，所述检测生命体征传感器设置在所述电热毯本体的所述上表面层的下部相对人体与所述电热毯本体相对接触区域。智能电热毯通过设置在电热毯本体上的温度传感器、检测生命体征传感器、湿度传感器等将采集毯体表面温度信号和压力信号和毯体表面的湿度信号进行分析处理并输出控制信号给发热电路的处理器，自动打开和关闭，节约能源，更具实用性和安全性。该电热毯虽然可以智能控温，但是没有考虑到使用者年龄、被褥状况和外部环境的关系。且电热毯在冬季使用结束后一般会折叠放置，对于电热毯内传感器可靠性有影响，从而无法准确的获得被入内的温度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种用于被褥温度控制的系统，用以提高电热毯等被褥产热装置的制热舒适度。

为解决上述问题，本发明提供了一种用于被褥温度控制的系统，包括产热装置、控制器和室内温度模块，室内温度模块用于向控制器提供室内温度数据；控制器以被褥内的实时温度为输入，并以人体的热中性温度为控制目标，控制产热装置让被褥内的温度接近于人体的热中性温度。

温度控制时，本发明可通过以下方式获取被褥内的实时温度：控制器中存有一个关于人体在睡眠状态的躯干产热量Q_躯、产热装置产热量Q_电以及被褥散热量Q_散的热平衡方程，该热平衡方程表示为：Q_散＝Q_电+Q_躯，其中，Q_散＝λ·T_差·A_散·t，λ为被褥的导热系数，T _差为被褥内外的温差，即T_差＝被褥内的温度-室内的温度，A_散为被褥辐射散热的散热面积；控制器在获取到室内的温度、λ、t、A_散、Q_电及Q_躯之后，通过所述热平衡方程计算出被褥内的实时温度。

进一步的，控制器可利用人体在睡眠状态的新陈代谢率来计算人体在睡眠状态的产能量，并根据人体在睡眠状态的产能量进一步得到人体在睡眠状态的躯干产热量。

进一步的，本发明还可包括体征获取模块，体征获取模块用于向控制器提供用户睡眠时的体征信息；控制器中保存有不同人群的睡眠时间～新陈代谢率的拟合函数，控制器获取到用户的体征信息之后将该用户划分到对应的人群，并在温度控制时将当前用户实际睡眠时间代入其所在人群的睡眠时间～新陈代谢率的拟合函数得到实时的新陈代谢率。

进一步的，本发明还可包括报警模块，当控制器通过体征信息推算出用户为特殊人群时，会在用户体征出现异常时通过报警模块提供报警提醒功能。

进一步的，本发明还可包括数据挖掘模块，数据挖掘模块用于收集系统的工作时间数据，并根据收集的数据挖掘出用户的作息时间，控制器根据用户的作息时间，在用户睡前提前开启产热装置，以及在用户起床前提前关闭产热装置。

进一步的，所述控制器包括可控硅控制电路，可控硅控制电路通过改变或控制可控硅的占空比来达到连续可调电加热器的输出功率。

进一步的，所述产热装置可以为电热毯。

本发明的有益效果是：本发明以被褥内的实时温度为输入，并以人体的热中性温度为控制目标，可以让被褥内的温度接近于人体的热中性温度，从而提升用户的睡眠舒适度。且本发明可以不用改变以前的电热毯结构，在获取被褥内温度时也不依赖温度传感器，避免了出现传感器可靠性降低的情形，实施时通过热平衡方程即可准确的计算出被褥内的实时温度，保证了系统温控精度。

附图说明

图1是实施例的工作原理图；

图2是多段U或Z型电阻丝加热原理图；

图3是窄电压调温电路框图；

图4是宽电压调温电路框图。

具体实施方式

为了提高电热毯等被褥产热装置的制热舒适度，实施例提供了一种用于被褥温度控制的系统，包括产热装置(即电热毯)和控制器，其中控制器包括温度计算模块，控制器以温度计算模块所计算出的被褥内的实时温度为输入，并以人体的热中性温度为控制目标，控制产热装置让被褥内的温度接近于(例如两者温差小于1℃)人体的热中性温度，系统的工作原理如图1所示。这里的热中性温度也称中性温度，是指人不感觉冷、也不感觉热的温度，热中性温度也是人在一定条件下感觉舒适温度。在一定条件下的室内温度代表了人对于舒适的评价，评价热感觉一般采用ASHRAE标准推荐的热感觉投票(Thermal SensationVotes，TSV)，当室内温度为1.0℃到20℃时，被褥内的热中性温度一般为30℃到36℃之间，具体控制时热中性温度可以结合用户实际感受来调整，如根据PMV计算出体感舒适温度作为预设热中性温度，个人根据事实睡眠过程感觉，下一次可以进行升高或降低。

在获取被褥内温度时，实施例给出了A、B两种方式，实际在运用时可以选其中的一种或者多种：

A方式：由于用户睡觉时被褥内的热量循环处于一个稳定的状态，因此本例在计算出被褥内的实时温度时，可通过建立热平衡方程的方式来计算出被褥内的实时温度。具体计算时，可根据被褥内部的热源以及散热部位先在温度计算模块建立一个热平衡方程Q_散＝Q_电+Q_躯，并规定Q_散＝Q_电+Q_躯这个热平衡方程成立或者在误差的范围内成立，其中，Q_散为被褥辐射散热的热量，Q_散＝λ·T_差·A_散·t，λ为被褥的导热系数，单位为焦耳/(度·米²·秒)，T_差为被褥内外的温差，T_差＝被褥内的温度-被褥外的温度(即寝室内温度)，A_散为被褥辐射散热的散热面积，t为散热时间(即睡眠时间)，Q_电为电热毯产生的热量，Q_躯为躯干产生的热量， Q_躯＝k*Q_人，Q_人为人体在睡眠状态的产热量，k为躯干表面积占人体总(头部+躯干)表面的比例，成人的表面积为1.5到2.0平方米，婴儿为0.5平方米，针对成人来说，头部表面积为0.24平方米到0.4平方米之间，躯干表面积为1.35平方米到1.6平方米之间。由于人体在睡眠状态可以看作耗能量等于产能量，因此Q_人可利用人体在睡眠状态的新陈代谢率来推算，即，控制器可利用人体在睡眠状态的新陈代谢率来计算人体在睡眠状态的产能量，并根据人体在睡眠状态的产能量进一步得到人体在睡眠状态的躯干产热量。

在获取新陈代谢率时，实施例可配合体征获取模块来实现：

S1、首先向控制器中保存不同人群的睡眠时间～新陈代谢率的拟合函数。睡眠时间～新陈代谢率的拟合函数可以通过已有研究所公开的睡眠时间～人体代谢率关系表得到，以成年男性为例，该睡眠时间～人体代谢率关系表可如表1所示。

表1男性夏季睡眠时间～人体代谢率关系表

睡眠时间	0	0.5	1	1.5	2	2.5	3	3.5
									人体代谢率	49.3	47	45	43.2	41.7	40.4	39.3	38.5
睡眠时间	4	4.5	5	5.5	6	6.5	7	7+
									人体代谢率	38	37.7	37.7	38	38.5	39.3	40.3	40.3

S2、通过体征获取模块获取用户的体征信息，向控制器提供用户睡眠时的体征信息，控制器获取到用户的体征信息之后将该用户划分到对应的人群(例如普通老人、高龄老人、小孩或者成人男性等)，并在温度控制时将当前用户实际睡眠时间代入其所在人群的睡眠时间～新陈代谢率的拟合函数得到实时的新陈代谢率。

λ、A_散、k这些值可以提前保存在控制器中，Q_躯和Q_电也可以实时计算，从而温控控制时控制器通过相应的传感模块获取到用户体征信息、寝室内温度信息、时间等参数之后，调取本地保存的λ、A_散、k即可快速、准确的计算出被褥内的温度。

B方式：向控制器中额外添加一个内部温度检测电路，温度检测电路首先对产热装置的加热电阻丝进行阻值标定，之后根据标定的加热电阻丝阻值，以及加热电阻丝的电压值，推算出加热电阻丝的温度，加热电阻丝的温度即可看成被褥内温度。阻值标定时，控制器可通过其中的脉冲器对产热装置的加热电阻丝打一个脉冲，根据加热电阻丝对脉冲的反馈信号实现加热电阻丝的阻值进行标定。

本例中，系统包括了体征获取模块，体征获取模块可获取用户睡眠时的体征信息，包括心率、血压数值、身体重量、年龄等，检测到的体征信息可以进一步保存到服务器上。此外，系统还包括报警模块，当控制器通过体征信息推算出用户为特殊人群(例如超过70岁的年龄段的用户)时，会在用户体征出现异常时通过报警模块提供报警提醒功能。

本例中，系统还包括数据挖掘模块，数据挖掘模块用于收集系统的工作时间数据，并根据收集的数据挖掘出用户的作息时间，控制器根据用户的作息时间，在用户睡前提前(例如上床前10分钟)开启产热装置，以及在用户起床前提前(例如起床前20分钟)关闭产热装置。

本例中，所述产热装置为电热毯，为加大散热面积及便于安装，电热毯使用的电加热部件采用U型结构，图2为多段U型电加热管并排安装在电热毯内部，引出三个接头，两根火线，一根零线共用。所述控制器包括依据输入交流电压及负载可自动调节的PFC控制电路，及占空比可调的可控硅控制电路，可控硅控制电路通过改变或控制可控硅的占空比来达到连续可调电加热器的输出功率；在考虑成本条件下，可选窄电压可调温电路进行设计，可使电加热在输入交流电源电压在额定电压及更高电压条件下输出额定功率，图3为窄电压调温电路框图；当使用宽电压可调温电路设计，电加热在输入交流电源电压低于其额定值时，结合电路PFC升压同样可输出电加热的额定功率，图4为宽电压调温电路框图。

针对控制器，实施例还提供了一种连续可调的电加热控制方法，包括如下步骤：

步骤①：检测交流输入电源电压及电热毯内部温度；

步骤②：根据电源电压及电热毯内部温度计算初始占空比；

步骤③：按输入交流电三倍或二倍(2--3之间)倍频率作为双向可控硅的控制频率，结合初始占空比输出双向可控硅的控制信号，让电加热投入工作。

步骤④：电加热投入工作后，检测电热毯内部温度与被褥内温度的温差(该温度可以预先假设的温度值，如37度值或36度值，35度值)，调整双向可控硅输出占空比，以调节温度上升速率，快速达到并保持设定温度。

Claims (8)

1.一种用于被褥温度控制的系统，包括产热装置和控制器，其特征在于，控制器以被褥内的实时温度为输入，并以人体的热中性温度为控制目标，控制产热装置让被褥内的温度接近于人体的热中性温度。

2.如权利要求1所述的一种用于被褥温度控制的系统，其特征在于，还包括室内温度模块，室内温度模块用于向控制器提供室内温度数据；控制器中存有一个关于人体在睡眠状态的躯干产热量Q_躯、产热装置产热量Q_电以及被褥散热量Q_散的热平衡方程，该热平衡方程表示为：Q_散＝Q_电+Q_躯，其中，Q_散＝λ·T_差·A_散·t，λ为被褥的导热系数，T_差为被褥内外的温差，A_散为被褥辐射散热的散热面积，t为睡眠时间；

控制器在获取到室内的温度、λ、A_散、Q_电、Q_躯及t之后，通过所述热平衡方程计算出被褥内的实时温度，并以被褥内的实时温度为控制输入，以人体的热中性温度为控制目标，控制产热装置让被褥内的温度接近于人体的热中性温度。

3.如权利要求2所述的一种用于被褥温度控制的系统，其特征在于，控制器利用人体在睡眠状态的新陈代谢率来计算人体在睡眠状态的产能量，并根据人体在睡眠状态的产能量进一步得到人体在睡眠状态的躯干产热量。

4.如权利要求3所述的一种用于被褥温度控制的系统，其特征在于，还包括体征获取模块，体征获取模块用于向控制器提供用户睡眠时的体征信息；控制器中保存有不同人群的睡眠时间～新陈代谢率的拟合函数，控制器获取到用户的体征信息之后将该用户划分到对应的人群，并在温度控制时将当前用户实际睡眠时间代入其所在人群的睡眠时间～新陈代谢率的拟合函数得到实时的新陈代谢率。

5.如权利要求4所述的一种用于被褥温度控制的系统，其特征在于，还包括报警模块，当控制器通过体征信息推算出用户为特殊人群时，会在用户体征出现异常时通过报警模块提供报警提醒功能。

6.如权利要求1所述的一种用于被褥温度控制的系统，其特征在于，还包括数据挖掘模块，数据挖掘模块用于收集系统的工作时间数据，并根据收集的数据挖掘出用户的作息时间，控制器根据用户的作息时间，在用户睡前提前开启产热装置，以及在用户起床前提前关闭产热装置。

7.如权利要求1所述的一种用于被褥温度控制的系统，其特征在于，所述控制器包括可控硅控制电路，可控硅控制电路通过改变或控制可控硅的占空比来达到连续可调电加热器的输出功率。

8.如权利要求1-7任意一项所述的一种用于被褥温度控制的系统，其特征在于，所述产热装置为电热毯。

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