CN114526542A - 可根据人体状况调节的空调外置调控系统及其调控方法 - Google Patents

可根据人体状况调节的空调外置调控系统及其调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可根据人体状况调节的空调外置调控系统，包括MINI2440开发板，MINI2440开发板分别连接红外收发模块、温湿度传感器及超声波风速传感器，MINI2440开发板通过USB无线网卡连接摄像头。本发明还公开了上述调控系统的调控方法，本发明可以根据人体的情绪变化来调控室内的空调温度，提高了人机交互的便携性。

Description

可根据人体状况调节的空调外置调控系统及其调控方法
技术领域
本发明属于智能设备技术领域，涉及一种可根据人体状况调节的空调外置调控系统，本发明还涉及上述调控系统的设计方法。
背景技术
随着互联网技术的广泛应用，消费者对高端智能化的家电需求急剧增加，智能空调是智能家电的重要组成部分，在人们的居家生活中扮演着重要角色。传统的空调使用需要通过遥控器对其进行控制，使得用户体验性差，尤其是多数用户偏向于根据自己的喜好进行温度调控，而过热或过冷的温度都不利于用户的身体健康。目前，智能空调的实现主要有两个方面，一是直接购置新型智能空调来替代传统空调，但这会导致大量运行良好的传统空调废置，造成资源浪费。另一种是通过加装外置的空调调控装置或调控系统来使传统空调换发新活力，变得智能可控，该种方法虽然通过外置设备使得传统的空调智能化，但智能化的程度主要是通过APP实现远程控制空调的开关及运行模式或是根据外界气候条件，按照先前设定过的指标对温度、湿度、空气清洁度传感器所传来的信号进行分析、判断、及时自动打开制冷、加热、去湿等功能。这些智能表现的方式较为固化，没有考虑到空调与使用者之间的情感交流，也没有考虑到多重人群的使用需求。使得用户体验感差、互动性不足，缺少人性的关怀和体贴。
发明内容
本发明的目的是提供一种可根据人体状况调节的空调外置调控系统，该系统可以根据人体的情绪变化来调控室内的空调温度，提高了人机交互的便携性。
本发明的目的是还提供一种可根据人体状况调节的空调外置调控系统。
本发明所采用的第一种技术方案是，可根据人体状况调节的空调外置调控系统，包括MINI2440开发板，MINI2440开发板分别连接红外收发模块、温湿度传感器及超声波风速传感器，MINI2440开发板通过USB无线网卡连接摄像头。
本发明第一种技术方案的特点还在于：
摄像头安装在二维舵机上。
MINI2440开发板内安装有s3c2440a处理器。
本发明采用的第二种技术方案为，可根据人体状况调节的空调外置调控系统的调控方法，具体包括如下过程：
当使用者进入房间后，摄像头将捕捉的人脸信息发送给MINI2440开发板，MINI2440开发板的s3c2440a处理器将打开空调的指令发送给红外收发模块，红外收发模块发射开启空调信号，此时空调的模式、温度以及风速为最近一次关闭空调时空调的模式、温度以及风速，随后s3c2440a处理器根据超声波风速传感器和温湿度传感器以及摄像头采集的信息进行处理并实现对空调的调控；
当摄像头检测到房间无人，且检测无人的信号持续时长大于5分钟，则s3c2440a处理器判断为人已离开房间，此时s3c2440a处理器向红外收发模块发送指令，红外收发模块发射关闭空调的信号，空调此时关闭。
温湿度传感器的信号处理过程为：
分别在室内的墙壁四周设置温湿度传感器，四个温湿度传感器将采集到的信号通过485通信接口传送给MINI2440开发板，MINI2440开发板接收到四个温度信号和四个湿度信号，四个温度信号和四个湿度信号经过s3c2440a处理器处理后得到温度信号分别为Ta1,Ta2,Ta3,Ta4；湿度信号分别为Tb1,Tb2,Tb3,Tb4,s3c2440a处理器使用的温度参考值取四个温度信号的平均值Ta：
Figure BDA0003468302840000031
s3c2440a处理器使用的湿度值取四个湿度传感器信号的平均值Tb，即为:
Figure BDA0003468302840000032
室内舒适的湿度参考标准为35％～55％，当s3c2440a处理器经过数据处理检测到Tb＞55％时，向红外收发模块发送除湿指令，控制空调进行除湿；当s3c2440a处理器经过数据处理检测到Tb＜55％时，则s3c2440a处理器根据超声波风速传感器和温湿度传感器以及摄像头采集的信息进行处理并实现对空调的调控。
超声波风速传感器和温湿度传感器调节空调温度的具体过程为：
设体感温度为TB，超声波风速传感器测得的风速为Vc，室内温湿度传感器测得的温度Ta，TB与Ta之间的关系如下公式(1)所示：
Figure BDA0003468302840000041
而利用GEP算法得到适宜的环境温度与体感温度匹配关系为：
Figure BDA0003468302840000042
其中，TA为适宜的环境温度，TB为体感温度，B为相对湿度舒适范围，Vc为风速，Vc风速来源于超声波风速传感器采集数据；
则根据(1)、(2)式得适宜的环境温度TA与测量的环境温度Ta的关系为：
Figure BDA0003468302840000043
摄像头采集数据的具体过程为：
二维舵机带动摄像头实现左右旋转，摄像头将采集到的视频信息通过USB无线网卡发送给MINI2440开发板，MINI2440开发板的s3c2440a处理器将摄像头的视频信息进行处理建立照片数据集。
本发明的有益效果是，发明提供的根据人体状况可智能调节的空调外置调控系统，该系统在空调的智能化调控方面融入了情感化设计，考虑到了使用者日常的情绪变化，体现了以人为本的设计理念，提供给用户更为舒适贴心的空调使用体验。
附图说明
图1是本发明可根据人体状况调节的空调外置调控系统的结构示意图；
图2是本发明可根据人体状况调节的空调外置调控系统在客厅布局的示意图。
图中，1.MINI2440开发板，2.红外收发模块，3.空调，4.USB无线网卡，5.二维舵机，6.摄像头，7.温湿度传感器，8.超声波风速传感器，9.测量模块，10.调控模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明可根据人体状况调节的空调外置调控系统，如图1所示，包括调控模块10和测量模块9；
测量模块9包括超声波风速传感器8、温湿度传感器7、摄像头6、二维舵机5；
调控模块10包括MINI2440开发板1、红外收发模块2、USB无线网卡4。
超声波风速传感器8和温湿度传感器7通过485通讯方式将采集的风速、温度、相对湿度的信息传送给MINI2440开发板1；
摄像头6采用USB摄像头作为视频采集设备，为了便于视频数据的发送，摄像头6通过USB无线网卡4与MINI2440开发板1进行采集信息的传送，二维舵机5是摄像头6的控制设备，实现摄像头6的左右旋转，红外收发模块2执行MINI2440开发板1中的s3c2440a处理器传达的指令，并发送红外信号来控制空调3的运行状态。
图2为本发明可根据人体状况调节的空调外置调控系统在客厅布局的示意图，调控模块10放置在空调3的周围，便于对空调3进行控制；温湿度传感器7有四个，分别安装在房间四周的墙壁上，安装要避免有明显物体遮挡通风及透光，远离热源冷源，最好安放在空气流通处；超声波风速传感器8安装时红点方向指向北方，建议使用指南针进行校准；摄像头6建议安装在多数时间为人面对的墙面的墙角处，避免直视的压迫感。
本发明可根据人体状况调节的空调外置调控系统的控制方法，具体实施步骤如下：
步骤1，实现空调3的开启和关闭控制功能；
当使用者进入房间后，摄像头6将捕捉的人脸信息发送给MINI2440开发板1，MINI2440开发板1的s3c2440a处理器经过运算将打开空调3的指令发送给红外收发模块2，红外收发模块2发射开启空调信号，此时空调3的模式、温度以及风速为最近一次关闭空调3时空调的模式、温度以及风速，随后s3c2440a处理器根据超声波风速传感器8和温湿度传感器7以及摄像头6采集的信息进行处理并实现对空调3的调控。
当摄像头6检测到房间无人，且检测无人的信号持续时长大于5分钟，则s3c2440a处理器判断为人已离开房间，此时s3c2440a处理器向红外收发模块2发送指令，红外收发模块2发射关闭空调3的信号。
步骤2，室内温度及相对湿度信号的采集；
温湿度传感器7共有四个，分别安装在房间四周的墙壁上，且安装时要避免有明显物体遮挡通风及透光，远离热源冷源，最好安放在空气流通处，温湿度传感器7将信号通过485通信接口传送给MINI2440开发板1，MINI2440开发板1接收到四个温度信号和四个湿度信号，四个温度信号和四个湿度信号经过s3c2440a处理器处理后得到温度信号分别为Ta1,Ta2,Ta3,Ta4、湿度信号分别为Tb1,Tb2,Tb3,Tb4(数值均为百分数),s3c2440a处理器使用的温度参考值取四个温度信号的平均值
Figure BDA0003468302840000071
s3c2440a处理器使用的湿度值取四个湿度传感器信号的平均值，即为
Figure BDA0003468302840000072
室内舒适的湿度参考标准为35％～55％，当s3c2440a处理器经过数据处理检测到Tb＞55％时，向红外收发模块2发送除湿指令，控制空调进行除湿；当s3c2440a处理器经过数据处理检测到Tb＜55％时，则s3c2440a处理器根据超声波风速传感器8和温湿度传感器7以及摄像头6采集的信息进行处理并实现对空调的调控。
步骤3，参考体感温度来调节空调温度。
设体感温度为TB，根据超声波风速传感器8测得的风速为Vc，室内温湿度传感器7测得的温度Ta，参考1958年，Paul Siple认为风对人体的热流失成正比例的简化公式可得出以下关系式：
Figure BDA0003468302840000073
而利用GEP算法可得适宜的环境温度与体感温度匹配关系为：
Figure BDA0003468302840000074
其中，TA为适宜的环境温度(℃)，TB为体感温度(℃)，B为相对湿度舒适范围(％)，Vc为风速(m/s)，Vc风速来源于超声波风速传感器采集数据。
则根据(1)、(2)式可得适宜的环境温度TA与测量的环境温度Ta的关系为：
Figure BDA0003468302840000081
步骤4，通过摄像头6获取人脸面部图像。
摄像头安装示例如图2所示，工作时借助二维舵机5实现左右旋转，摄像头6将采集到的视频信息通过USB无线网卡4不断发送给MINI2440开发板1，MINI2440开发板1的s3c2440a处理器将摄像头6的视频信息进行处理建立照片数据集，该视频里含有高兴、厌恶、悲伤、生气、惊讶、恐惧、闭眼及中性表情，另外将日本ATR建立的日本女性表情数据库(JAFFE)作为表情训练使用图像库，该表情库包含高兴、厌恶、悲伤、生气、惊讶、恐惧及中性表情。
步骤4.1，将s3c2440a处理器中采集转化的彩色图像转换成8位的灰度图像。采用Adaboost算法作为人脸检测及眼睛定位算法，将摄像头6传送的图像检测出人脸矩形区域及眼睛坐标，接着将人脸部的图像通过旋转变换公式进行图像旋转，确保双眼在同一水平线上，然后根据眼睛坐标的位置对图像按照100*128的比例进行剪切，实现将人脸区域从背景图片里分割出来单独作为一幅图像进行处理。为了保证图像大小统一，参照缩放变换公式进行修改并使用双线性插值算法。经过修改后就形成了比例与大小都相同的标准图像，使用直方图均衡化方法增强图像的对比度。
步骤4.2，使用Gabor小波变换系数代替原始图像的灰度特征,对变换后图像进行PCA/LDAFisher判别分析,使同一种表情在特征空间中的分布更加集中,达到较好的表情识别效果。
步骤4.3，使用均值方法聚类表情模板,用近邻判别法进行表情识别；
步骤4.4，根据阿尔托大学认知脑科学学院研究人的情绪体温分布发现，处于不同情绪时，身体特定部位的温度会有所改变，这些研究结果跨越种族文化界限。研究表明：当人处于高兴的情绪下，全身则会洋溢着代表温暖的红黄色；当人处于厌恶的情绪下咽喉部温度最高；当人处于悲伤时，只有胸腔很小一部分的温度高一些，出现四肢冰凉；当人处于生气的情绪下人体上下半身的温度形成鲜明对比，上半身体温明显升高，表示人体已做好战斗准备；当人处于惊讶的情绪下，头部和胸腔温度稍高；当人处于恐惧的情绪下胸腔温度升高，四肢温度很低；当人处于中性表情下，没有明显体温波动。
步骤4.5，根据以上情绪与体温的研究，结合空调不同状态下的温度建议范围。当s3c2440a处理器判断出面部表情为高兴时，可将空调调控到26℃，保持使用者的心情愉悦；当s3c2440a处理器判断出面部表情为惊讶或正常状态下时，则s3c2440a处理器参考室内适宜的环境温度TA进行空调温度调控；当面部表情为恐惧、悲伤时，则s3c2440a处理器发出升高温度到30℃并且风速为中速的指令，缓解使用者不良的情绪；如果s3c2440a处理器判断出使用者面部表情为生气或厌恶时，则s3c2440a处理器发出降低温度到20℃并且风速为中速的指令，便于使用者头脑的冷静，平复心情。另外s3c2440a处理器可根据闭眼状态的时长判断是否处于睡眠状态，若检测闭眼状态大于5分钟则判定为睡眠状态，s3c2440a处理器发出温度设定为28℃的指令，助于使用者的睡眠。
步骤4.6，当s3c2440a处理器检测出多个人脸时，则为多人使用状态，优先参考最适宜设定的环境温度TA，当检测到多人有情绪波动时，参考情绪温度对应的空调设置温度方式不变。

Claims (7)

1.可根据人体状况调节的空调外置调控系统，其特征在于：包括MINI2440开发板，MINI2440开发板分别连接红外收发模块、温湿度传感器及超声波风速传感器，MINI2440开发板通过USB无线网卡连接摄像头。
2.根据权利要求1所述的可根据人体状况调节的空调外置调控系统，其特征在于：所述摄像头安装在二维舵机上。
3.根据权利要求2所述的可根据人体状况调节的空调外置调控系统，其特征在于：所述MINI2440开发板内安装有s3c2440a处理器。
4.根据权利要求3所述的可根据人体状况调节的空调外置调控系统的调控方法，其特征在于：具体包括如下过程：
当使用者进入房间后，摄像头将捕捉的人脸信息发送给MINI2440开发板，MINI2440开发板的s3c2440a处理器将打开空调的指令发送给红外收发模块，红外收发模块发射开启空调信号，此时空调的模式、温度以及风速为最近一次关闭空调时空调的模式、温度以及风速，随后s3c2440a处理器根据超声波风速传感器和温湿度传感器以及摄像头采集的信息进行处理并实现对空调的调控；
当摄像头检测到房间无人，且检测无人的信号持续时长大于5分钟，则s3c2440a处理器判断为人已离开房间，此时s3c2440a处理器向红外收发模块发送指令，红外收发模块发射关闭空调的信号，空调此时关闭。
5.根据权利要求4所述的可根据人体状况调节的空调外置调控系统的调控方法，其特征在于：所述温湿度传感器的信号处理过程为：
分别在室内的墙壁四周设置温湿度传感器，四个温湿度传感器将采集到的信号通过485通信接口传送给MINI2440开发板，MINI2440开发板接收到四个温度信号和四个湿度信号，四个温度信号和四个湿度信号经过s3c2440a处理器处理后得到温度信号分别为Ta1,Ta2,Ta3,Ta4；湿度信号分别为Tb1,Tb2,Tb3,Tb4,s3c2440a处理器使用的温度参考值取四个温度信号的平均值Ta：
Figure FDA0003468302830000021
s3c2440a处理器使用的湿度值取四个湿度传感器信号的平均值Tb，即为:
Figure FDA0003468302830000022
室内舒适的湿度参考标准为35％～55％，当s3c2440a处理器经过数据处理检测到Tb＞55％时，向红外收发模块发送除湿指令，控制空调进行除湿；当s3c2440a处理器经过数据处理检测到Tb＜55％时，则s3c2440a处理器根据超声波风速传感器和温湿度传感器以及摄像头采集的信息进行处理并实现对空调的调控。
6.根据权利要求5所述的可根据人体状况调节的空调外置调控系统的调控方法，其特征在于：所述超声波风速传感器和温湿度传感器调节空调温度的具体过程为：
设体感温度为TB，超声波风速传感器测得的风速为Vc，室内温湿度传感器测得的温度Ta，TB与Ta之间的关系如下公式(1)所示：
Figure FDA0003468302830000031
而利用GEP算法得到适宜的环境温度与体感温度匹配关系为：
Figure FDA0003468302830000032
其中，TA为适宜的环境温度，TB为体感温度，B为相对湿度舒适范围，Vc为风速，Vc风速来源于超声波风速传感器采集数据；
则根据(1)、(2)式得适宜的环境温度TA与测量的环境温度Ta的关系为：
Figure FDA0003468302830000033
7.根据权利要求6所述的可根据人体状况调节的空调外置调控系统的调控方法，其特征在于：所述摄像头采集数据的具体过程为：
二维舵机带动摄像头实现左右旋转，摄像头将采集到的视频信息通过USB无线网卡发送给MINI2440开发板，MINI2440开发板的s3c2440a处理器将摄像头的视频信息进行处理建立照片数据集。
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