室內(nèi)綜合舒適度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

室內(nèi)綜合舒適度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

徐繼寧，辛碩，李建芯，孫德輝

介紹了一個(gè)考慮用戶個(gè)性需求的室內(nèi)綜合舒適度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程，包括硬件選擇和軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)信號(hào)采集使用采用ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，上位監(jiān)控分析軟件以LabVIEW為開(kāi)發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)了可以對(duì)多種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和綜合舒適度的計(jì)算，具有人性化、智能化、舒適化、節(jié)能化等特點(diǎn)。

Labview；PMV；智能家居；舒適度

0 引言

隨著時(shí)代的進(jìn)步，人們的生活方式發(fā)生著巨大的改變，對(duì)室內(nèi)環(huán)境提出了舒適、健康、節(jié)能等更高的要求，促成了智能家居的誕生。

早期的室內(nèi)智能系統(tǒng)大多僅著眼于室內(nèi)室內(nèi)溫度目標(biāo)值控制，容易造成能源浪費(fèi)[1]。市場(chǎng)上現(xiàn)有的智能家居系統(tǒng)又大多偏重于家電的智能控制，或者設(shè)備與傳感器的檢測(cè)聯(lián)動(dòng)。這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路均是將智能家居系統(tǒng)類比于工業(yè)控制過(guò)程，未考慮家居環(huán)境中人體的主觀感受。近年來(lái)，國(guó)際上已經(jīng)開(kāi)始重視動(dòng)態(tài)熱態(tài)環(huán)境的研究。其中，由丹麥科技大學(xué)的Fanger教授提出PMV-PDD指標(biāo)是應(yīng)用最為廣泛的舒適性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。其綜合了空氣溫度、濕度、風(fēng)速、平均輻射溫度、人體新陳代謝率、人體對(duì)外所做功及服裝熱阻等因素對(duì)人體的綜合作用[2]。但該指標(biāo)只考慮了人體的熱環(huán)境，生活中很多影響舒適度的其他因素并未考慮在內(nèi)，如室內(nèi)空氣環(huán)境，光照環(huán)境等。此外，PMV-PDD指標(biāo)是基于投票的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，未考慮個(gè)體差異如不同新陳代謝和著裝習(xí)慣造成的影響等。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)熱環(huán)境、光環(huán)境、空氣環(huán)境3個(gè)方面的舒適度計(jì)算分析系統(tǒng)。系統(tǒng)可以根據(jù)用戶反饋和自行調(diào)節(jié)歷史記錄對(duì)傳統(tǒng)熱舒適度評(píng)價(jià)中的新陳代謝率和人體著裝參數(shù)進(jìn)行個(gè)性化調(diào)整，滿足特定用戶的舒適度需求。此外，嘗試提出了一個(gè)綜合舒適度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，兼顧了室內(nèi)熱、光、環(huán)境3個(gè)舒適度指標(biāo)，不僅可以為人們提供更為全面合理的生活環(huán)境評(píng)價(jià)，對(duì)降低智能家居系統(tǒng)能耗也具有重大意義。

考慮到ZigBee技術(shù)在智能家居方面的獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，本系統(tǒng)通過(guò) ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[3]實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)通過(guò)串口與上位應(yīng)用軟件通信。采用LabVIEW作為開(kāi)發(fā)用戶界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理分析、舒適度的計(jì)算和參數(shù)優(yōu)化、終端設(shè)備的控制以及人機(jī)交互。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

本系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分。系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖如圖 1所示：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

硬件節(jié)點(diǎn)采用ZigBee節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)設(shè)有8類節(jié)點(diǎn)，其中包括：溫度傳感器、濕度傳感器、空氣流速傳感器、光照度傳感器、有機(jī)污染傳感器、pm2.5污染物傳感器、pm10污染物傳感器、二氧化碳傳感器。節(jié)點(diǎn)定時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器打包后通過(guò)串口發(fā)送至上位軟件。

鑒于虛擬儀器在測(cè)控、仿真、跨平臺(tái)、界面設(shè)計(jì)、快速開(kāi)發(fā)等方面的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)和潛力，本系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)采用LabVIEW 作為上位軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)綜合環(huán)境的監(jiān)控，軟件部分分為4個(gè)主要模塊：

（1）串口通訊模塊

該模塊通過(guò)LabVIEW自帶的VISA串口通訊函數(shù)通過(guò)串口與ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行通訊。

（2）數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

SQL Server是一個(gè)可擴(kuò)展的、高性能的、為分布式客戶機(jī)所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。該模塊通過(guò)LabVIEW提供的工具包：Database Connectivity與SQL server數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的打包、存儲(chǔ)、調(diào)用和分析。

（3）舒適度算法模塊

該模塊通過(guò)Labview中通過(guò)調(diào)用Mathscript節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)LabVIEW和MATLAB的混合編程，對(duì)已存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理。

（4）人機(jī)交互界面模塊

該模塊提供人機(jī)交互界面，用于顯示計(jì)算的結(jié)果和相關(guān)參數(shù)。

2 綜合舒適度分析

本系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)光環(huán)境、熱環(huán)境、空氣環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行全面采集，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出綜合室內(nèi)舒適度。

2.1 室內(nèi)環(huán)境綜合舒適度

人一生中70%時(shí)間在室內(nèi)度過(guò)，現(xiàn)代人在室內(nèi)環(huán)境中生活工作的時(shí)間已達(dá)到全天的 80%-90%。因此，室內(nèi)環(huán)境舒適度的好壞直接影響著人們的心情好壞和身體健康。室內(nèi)環(huán)境包括：光環(huán)境、熱環(huán)境、空氣環(huán)境。

2.1.1 光環(huán)境

光環(huán)境主要是指由光與顏色在室內(nèi)建立的同房間形狀有關(guān)的生理和心理環(huán)境。其中照度和亮度是保證光環(huán)境的光量和光質(zhì)量的基本條件。一般情況下，夜晚室內(nèi)光照度范圍在 0-5lx。陰天時(shí)室內(nèi)光照度范圍在 5-50lx，晴天室內(nèi)光照度范圍在100-1000lx。過(guò)于強(qiáng)烈或陰暗的光照環(huán)境對(duì)我們的眼鏡都會(huì)造成損耗。如：正常辦公學(xué)習(xí)時(shí)室內(nèi)光照應(yīng)保持在500lx左右。光照度分為7個(gè)等級(jí)，暗（-3）、昏暗（-2）、較昏暗（-1）、光線適中（0）、較亮（1）、亮（2）、刺眼（3）。

2.1.2 熱環(huán)境

熱環(huán)境是指由太陽(yáng)輻射、氣溫、周圍物體表面溫度、相對(duì)濕度與氣流速度等物理因素組成的作用于人，影響人的冷熱感和健康的環(huán)境。熱環(huán)境對(duì)人的身心健康、舒適感和工作效率都會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。PMV指標(biāo)綜合了環(huán)境空氣溫度、平均輻射溫度、空氣流速、空氣濕度、衣服熱阻、人體新陳代謝量等因素同人體熱舒適度的關(guān)系[4]。是迄今為考慮人體熱舒適感諸多因素最全面的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其定義[4]為公式（1）～（6）：

其中，M表示人體新陳代謝率；W表示人體所做有用功；R表示人體表面對(duì)流、輻射所產(chǎn)生的熱損耗；Ec表示皮膚上的散熱和出汗撒熱量；Cres表示呼吸中的顯熱損失量；Eres表示呼吸中的潛熱損失量；fcl表示服裝面積系數(shù)；表示平均輻射溫度；ta表示空氣溫度；tcl表示服裝表面溫度；Pa表示水蒸氣分壓力。

服裝面積系數(shù)fcl與衣服熱阻Icl有關(guān)，可以簡(jiǎn)化表示為公式（7）：

公式（7）中，Icl為衣服熱阻，單位為 m2K/W，1clo=0.155m2K/W。

對(duì)流換熱系數(shù)hc的取值得到公式（8）：

公式（8）中v為空氣流速，單位m/s。

公式結(jié)果從-3至3分為7個(gè)等級(jí)，分別為冷（-3）、涼（-2）、稍涼（-1）、中性（0）、稍暖（1）、暖（2）、熱（3）。當(dāng)PMV=0時(shí)意味著室內(nèi)熱環(huán)境為最佳舒適狀態(tài)。由于PMV公式的經(jīng)驗(yàn)對(duì)象是以歐美國(guó)家的年輕人為主，針對(duì)不同國(guó)家的氣候和人種，進(jìn)行乘以0.5～1.0的修正系數(shù)進(jìn)行修正，我國(guó)的修正系數(shù)為0.7[5]。

2.1.3 空氣環(huán)境舒適度

室內(nèi)空氣質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響到每個(gè)人的健康。室內(nèi)空氣污染物可通過(guò)呼吸道、消化道、皮膚等途徑進(jìn)入人機(jī)體，其健康危害不容忽視。主要的有揮發(fā)性有機(jī)化合物、二氧化碳、PM10、PM2.5等指標(biāo)。各指標(biāo)取值范圍如表1所示：

表1 空氣舒適度取值范圍

空氣舒適度如公式（9）：

公式（9）中，A為二氧化碳值，B為PM10值，C為PM2.5值，D為有機(jī)污染物值。

空氣質(zhì)量涉及多個(gè)實(shí)測(cè)指標(biāo)，范圍差異較大，歸一化處理后采用公式（9）均衡計(jì)算。為了與前述兩個(gè)指標(biāo)保持一致，將空氣舒適度也分為5個(gè)等級(jí)：優(yōu)（80-100）、良（60-80）、輕污染（40-60）、中污染（20-40）、重污染（0-20）。

2.2 綜合舒適度的定義

將3個(gè)子模塊計(jì)算后得出的3類舒適度構(gòu)成一個(gè)3位舒適度曲面。以距離最舒適的（0,0,0）為中心的偏離量作為綜合舒適度指標(biāo)如圖2所示：

圖2 綜合舒適度評(píng)價(jià)圖

X軸為光舒適度，取值范圍為[-3,3]，Y軸為熱舒適度，取值范圍為[-3,3]，Z軸為空氣質(zhì)量舒適度，取值范圍為[0,100]。當(dāng)X∈[-1,1]，y ∈[-1,1]且z∈[80,100]時(shí)，綜合舒適度為舒適；當(dāng)x∈[-2,-1]∪[1,2]，y∈[-2,-1]∪[1,2]且z∈[40,80]時(shí)，綜合舒適度為一般；當(dāng) x∈[-3,-2]∪[2,3]，y∈[-3,-2]∪[2,3]且z∈[0,40]時(shí)，綜合舒適度為不舒適。

2.3 用戶偏好分析

舒適度是特定環(huán)境下人的身心感官各方面所產(chǎn)生的主觀感覺(jué)。不同的個(gè)體對(duì)于舒適度的感受盡不相同，喜好也難以保持一致。傳統(tǒng)熱舒適度是統(tǒng)計(jì)意義上的評(píng)價(jià)，很難滿足單獨(dú)個(gè)體或特殊群體對(duì)環(huán)境的要求。所以針對(duì)用戶偏好的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。本系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中用戶可以隨時(shí)根據(jù)自己喜好調(diào)節(jié)周圍環(huán)境控制的設(shè)定參數(shù)，或者對(duì)環(huán)境舒適度做出反饋評(píng)價(jià)。系統(tǒng)通過(guò)記錄一周期用戶參數(shù)調(diào)節(jié)趨勢(shì)，利用黃金分割法優(yōu)化調(diào)整預(yù)設(shè)的新陳代謝率參數(shù)，對(duì)熱舒適度指標(biāo)進(jìn)行修正，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的個(gè)性化調(diào)節(jié)如公式（10）：

系統(tǒng)選擇新陳代謝率M進(jìn)行優(yōu)化，先利用黃金分割法計(jì)算當(dāng)f(M)趨近于0的時(shí)候，M值為64，將67設(shè)置為初始值。

用戶使用過(guò)程中，會(huì)對(duì)空氣溫度等值進(jìn)行自己的調(diào)整，即反饋。將修正過(guò)后一周的值重新帶入式（10），再利用黃金分割法計(jì)算當(dāng)f(M)趨近于0的時(shí)候，M的值為66.9605。將此時(shí)新得到的M值賦予系統(tǒng)。直到用戶認(rèn)為環(huán)境控制滿意為止。就得到了此位用戶的準(zhǔn)確參數(shù)，如圖3所示：

圖3 Matlab計(jì)算界面

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 串口通訊與解碼

家居無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的 Zigbee協(xié)調(diào)器將各路采集結(jié)果串口上傳至上位軟件接口，系統(tǒng)按照約定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)解碼，分類存儲(chǔ)，以供后續(xù)各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算處理。數(shù)據(jù)解碼程序過(guò)程如圖4所示：

圖4 上傳數(shù)據(jù)解碼程序圖

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)SQL server鏈接

完成解碼后，將全部節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)存入SQLserver數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便隨時(shí)調(diào)用、查看和計(jì)算。鏈接SQL數(shù)據(jù)庫(kù)程序圖如圖5所示：

圖5 鏈接SQL數(shù)據(jù)庫(kù)程序圖

3.3 綜合舒適度計(jì)算

系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，在Matlab混合編程模塊中對(duì)參數(shù)進(jìn)行編程，完成分項(xiàng)舒適度和綜合舒適度計(jì)算，結(jié)果顯示在用戶界面上。用戶可在界面上查看當(dāng)前的空氣質(zhì)量、光舒適度、熱舒適度以及綜合舒適度實(shí)時(shí)計(jì)算指標(biāo)，并可以對(duì)計(jì)算結(jié)果做出個(gè)性評(píng)價(jià)。當(dāng)時(shí)熱舒適度為0.4，即人體熱感覺(jué)為舒適；光照度為0.7，即光照適中；空氣質(zhì)量為89，即空氣質(zhì)量為優(yōu)。室內(nèi)綜合舒適度為舒適如圖6所示：

圖6 綜合舒適度顯示界面

3.4 用戶界面

系統(tǒng)可根據(jù)用戶需求，對(duì)客廳、臥室、書(shū)房、廚房、衛(wèi)生間等多個(gè)房間同時(shí)或分別進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境和舒適度監(jiān)測(cè)。用戶可在主界面上自由選擇要查看的房間，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用其相應(yīng)的子界面并顯示在主界面上。界面設(shè)置程序框圖如圖 7所示：

圖7 頁(yè)面設(shè)置程序框圖

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于LabVIEW和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)個(gè)性化綜合舒適度系統(tǒng)。文中介紹了LabVIEW的在實(shí)現(xiàn)智能家居控制系統(tǒng)中軟件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)、ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的組成、以及對(duì)熱舒適度算法的改進(jìn)，提出了一種簡(jiǎn)單的多因素綜合舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)。相比于傳統(tǒng)的智能家居控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)更關(guān)注個(gè)人的家居體驗(yàn)，更全面的考慮了空氣質(zhì)量、光照度等因素對(duì)舒適度的影響，達(dá)到了智能、節(jié)能、舒適方便的目的。

[1]黃金龍,張珣,等.基于PMV和視覺(jué)舒適度的家庭能耗管理[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2013(10).

[2]林靜,林振宇,鄭福仁.LabVIEW 虛擬儀器程序設(shè)計(jì)從入門(mén)到精通[M].北京:人民郵電出版社.2013.4.

[3]高鵬,鄭超,任岐鳴,張浩,李德文,秦文華.ARM 和 ZigBee的智能家居監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制[J]. 2014,22(10).

[4]Basil Hamed.Design&Implementation of Smart House Control UsingLabVIEW[J].International Journal of Computing and Engineering,1(2012):2331-2307.

[5]王萌,魏彩新,等.工位空調(diào)熱舒適指標(biāo)PMV人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型研究[J].制冷與空調(diào),2011,25(5).

[6]P O Fanger.Presiction of thermal sensation in non-air-conditioned bulidings in warm climates[J].Indoor Air,2002,(15):48.

[7]MachacekJ.Control of serial port(RS-232) communication in labview[M]. Modern Technique and Technologies,2008.

Study on Monitoring System of Comprehensive Indoor Comfort

Xu Jining, Xin Shuo, Li Jianxin, Sun Dehui
(North China University of Technology, Beijing100144, China)

This paper introduces the design and implementation process of a comprehensive indoor comfort degree monitoring system considering personalized needs of the users. It includes both hardware and software design. The collection of system signals uses the ZigBee wireless sensor network, and the upper monitoring analysis software uses LabVIEM to develop. It realizes the real-time collection and calculation of comprehensive comfort degree for the data from various sensors. The system has the characteristics of humanization, intelligence,comfort and energy conservation.

Labview; PMV;Smart Home; Comfort Degree

TP311

A

2014.12.12）

1007-757X(2015)05-0001-04

國(guó)家自然科學(xué)基金（61174116）

徐繼寧（1970-），女，西安市人，北方工業(yè)大學(xué)，電氣與控制工程學(xué)院，副教授，研究方向：信號(hào)處理、工業(yè)控制和總線技術(shù)方向的研究，北京，100144辛 碩（1989-），女，北京市人，北方工業(yè)大學(xué)，電氣與控制工程學(xué)院，碩士研究生，研究方向：智能家居方向的研究，北京，100144李建芯（1989-），男，邢臺(tái)市人，北方工業(yè)大學(xué)，電氣與控制工程學(xué)院，碩士研究生，研究方向：智能家居方向研究，北京，100144孫德輝（1962-），男，吉林市人，北方工業(yè)大學(xué)，電氣與控制工程學(xué)院，教授，研究方向：網(wǎng)絡(luò)控制理論與網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化技術(shù)、嵌入式技術(shù)與信息家電，北京，100144