室内综合舒适度监测系统研究

室内综合舒适度监测系统研究

徐继宁，辛硕，李建芯，孙德辉

介绍了一个考虑用户个性需求的室内综合舒适度监测系统的设计实现过程，包括硬件选择和软件设计。系统信号采集使用采用ZigBee无线传感网络，上位监控分析软件以LabVIEW为开发工具，实现了可以对多种传感器数据进行实时采集和综合舒适度的计算，具有人性化、智能化、舒适化、节能化等特点。

Labview；PMV；智能家居；舒适度

0 引言

随着时代的进步，人们的生活方式发生着巨大的改变，对室内环境提出了舒适、健康、节能等更高的要求，促成了智能家居的诞生。

早期的室内智能系统大多仅着眼于室内室内温度目标值控制，容易造成能源浪费[1]。市场上现有的智能家居系统又大多偏重于家电的智能控制，或者设备与传感器的检测联动。这些系统的设计思路均是将智能家居系统类比于工业控制过程，未考虑家居环境中人体的主观感受。近年来，国际上已经开始重视动态热态环境的研究。其中，由丹麦科技大学的Fanger教授提出PMV-PDD指标是应用最为广泛的舒适性评价标准。其综合了空气温度、湿度、风速、平均辐射温度、人体新陈代谢率、人体对外所做功及服装热阻等因素对人体的综合作用[2]。但该指标只考虑了人体的热环境，生活中很多影响舒适度的其他因素并未考虑在内，如室内空气环境，光照环境等。此外，PMV-PDD指标是基于投票的统计指标，未考虑个体差异如不同新陈代谢和着装习惯造成的影响等。

本文设计了一个可以实时监测室内热环境、光环境、空气环境3个方面的舒适度计算分析系统。系统可以根据用户反馈和自行调节历史记录对传统热舒适度评价中的新陈代谢率和人体着装参数进行个性化调整，满足特定用户的舒适度需求。此外，尝试提出了一个综合舒适度的评价指标，兼顾了室内热、光、环境3个舒适度指标，不仅可以为人们提供更为全面合理的生活环境评价，对降低智能家居系统能耗也具有重大意义。

考虑到ZigBee技术在智能家居方面的独特的优势，本系统通过 ZigBee无线网络[3]实现对传感器节点数据进行采集，数据通过串口与上位应用软件通信。采用LabVIEW作为开发用户界面，实现对监测数据的处理分析、舒适度的计算和参数优化、终端设备的控制以及人机交互。

1 系统整体架构

本系统分为硬件和软件两部分。系统总结构图如图 1所示：

图1 系统结构图

硬件节点采用ZigBee节点构成无线传感网络进行数据的采集。系统设有8类节点，其中包括：温度传感器、湿度传感器、空气流速传感器、光照度传感器、有机污染传感器、pm2.5污染物传感器、pm10污染物传感器、二氧化碳传感器。节点定时将数据上传至协调器，由协调器打包后通过串口发送至上位软件。

鉴于虚拟仪器在测控、仿真、跨平台、界面设计、快速开发等方面的强大优势和潜力，本系统软件结构采用LabVIEW 作为上位软件，实现对室内综合环境的监控，软件部分分为4个主要模块：

（1）串口通讯模块

该模块通过LabVIEW自带的VISA串口通讯函数通过串口与ZigBee协调器进行通讯。

（2）数据库模块

SQL Server是一个可扩展的、高性能的、为分布式客户机所设计的数据库管理系统。该模块通过LabVIEW提供的工具包：Database Connectivity与SQL server数据库链接。实现数据的打包、存储、调用和分析。

（3）舒适度算法模块

该模块通过Labview中通过调用Mathscript节点,实现LabVIEW和MATLAB的混合编程，对已存储在数据库中的原始数据进行计算和处理。

（4）人机交互界面模块

该模块提供人机交互界面，用于显示计算的结果和相关参数。

2 综合舒适度分析

本系统对室内光环境、热环境、空气环境的各项参数进行全面采集，经过计算得出综合室内舒适度。

2.1 室内环境综合舒适度

人一生中70%时间在室内度过，现代人在室内环境中生活工作的时间已达到全天的 80%-90%。因此，室内环境舒适度的好坏直接影响着人们的心情好坏和身体健康。室内环境包括：光环境、热环境、空气环境。

2.1.1 光环境

光环境主要是指由光与颜色在室内建立的同房间形状有关的生理和心理环境。其中照度和亮度是保证光环境的光量和光质量的基本条件。一般情况下，夜晚室内光照度范围在 0-5lx。阴天时室内光照度范围在 5-50lx，晴天室内光照度范围在100-1000lx。过于强烈或阴暗的光照环境对我们的眼镜都会造成损耗。如：正常办公学习时室内光照应保持在500lx左右。光照度分为7个等级，暗（-3）、昏暗（-2）、较昏暗（-1）、光线适中（0）、较亮（1）、亮（2）、刺眼（3）。

2.1.2 热环境

热环境是指由太阳辐射、气温、周围物体表面温度、相对湿度与气流速度等物理因素组成的作用于人，影响人的冷热感和健康的环境。热环境对人的身心健康、舒适感和工作效率都会产生显著的影响。PMV指标综合了环境空气温度、平均辐射温度、空气流速、空气湿度、衣服热阻、人体新陈代谢量等因素同人体热舒适度的关系[4]。是迄今为考虑人体热舒适感诸多因素最全面的评价指标，其定义[4]为公式（1）～（6）：

其中，M表示人体新陈代谢率；W表示人体所做有用功；R表示人体表面对流、辐射所产生的热损耗；Ec表示皮肤上的散热和出汗撒热量；Cres表示呼吸中的显热损失量；Eres表示呼吸中的潜热损失量；fcl表示服装面积系数；表示平均辐射温度；ta表示空气温度；tcl表示服装表面温度；Pa表示水蒸气分压力。

服装面积系数fcl与衣服热阻Icl有关，可以简化表示为公式（7）：

公式（7）中，Icl为衣服热阻，单位为 m2K/W，1clo=0.155m2K/W。

对流换热系数hc的取值得到公式（8）：

公式（8）中v为空气流速，单位m/s。

公式结果从-3至3分为7个等级，分别为冷（-3）、凉（-2）、稍凉（-1）、中性（0）、稍暖（1）、暖（2）、热（3）。当PMV=0时意味着室内热环境为最佳舒适状态。由于PMV公式的经验对象是以欧美国家的年轻人为主，针对不同国家的气候和人种，进行乘以0.5～1.0的修正系数进行修正，我国的修正系数为0.7[5]。

2.1.3 空气环境舒适度

室内空气质量的优劣将直接影响到每个人的健康。室内空气污染物可通过呼吸道、消化道、皮肤等途径进入人机体，其健康危害不容忽视。主要的有挥发性有机化合物、二氧化碳、PM10、PM2.5等指标。各指标取值范围如表1所示：

表1 空气舒适度取值范围

空气舒适度如公式（9）：

公式（9）中，A为二氧化碳值，B为PM10值，C为PM2.5值，D为有机污染物值。

空气质量涉及多个实测指标，范围差异较大，归一化处理后采用公式（9）均衡计算。为了与前述两个指标保持一致，将空气舒适度也分为5个等级：优（80-100）、良（60-80）、轻污染（40-60）、中污染（20-40）、重污染（0-20）。

2.2 综合舒适度的定义

将3个子模块计算后得出的3类舒适度构成一个3位舒适度曲面。以距离最舒适的（0,0,0）为中心的偏离量作为综合舒适度指标如图2所示：

图2 综合舒适度评价图

X轴为光舒适度，取值范围为[-3,3]，Y轴为热舒适度，取值范围为[-3,3]，Z轴为空气质量舒适度，取值范围为[0,100]。当X∈[-1,1]，y ∈[-1,1]且z∈[80,100]时，综合舒适度为舒适；当x∈[-2,-1]∪[1,2]，y∈[-2,-1]∪[1,2]且z∈[40,80]时，综合舒适度为一般；当 x∈[-3,-2]∪[2,3]，y∈[-3,-2]∪[2,3]且z∈[0,40]时，综合舒适度为不舒适。

2.3 用户偏好分析

舒适度是特定环境下人的身心感官各方面所产生的主观感觉。不同的个体对于舒适度的感受尽不相同，喜好也难以保持一致。传统热舒适度是统计意义上的评价，很难满足单独个体或特殊群体对环境的要求。所以针对用户偏好的设计显得尤为重要。本系统运行过程中用户可以随时根据自己喜好调节周围环境控制的设定参数，或者对环境舒适度做出反馈评价。系统通过记录一周期用户参数调节趋势，利用黄金分割法优化调整预设的新陈代谢率参数，对热舒适度指标进行修正，从而实现对环境的个性化调节如公式（10）：

系统选择新陈代谢率M进行优化，先利用黄金分割法计算当f(M)趋近于0的时候，M值为64，将67设置为初始值。

用户使用过程中，会对空气温度等值进行自己的调整，即反馈。将修正过后一周的值重新带入式（10），再利用黄金分割法计算当f(M)趋近于0的时候，M的值为66.9605。将此时新得到的M值赋予系统。直到用户认为环境控制满意为止。就得到了此位用户的准确参数，如图3所示：

图3 Matlab计算界面

3 系统实现

3.1 串口通讯与解码

家居无线传感网络的 Zigbee协调器将各路采集结果串口上传至上位软件接口，系统按照约定的数据结构解码，分类存储，以供后续各项指标计算处理。数据解码程序过程如图4所示：

图4 上传数据解码程序图

3.2 数据库SQL server链接

完成解码后，将全部节点数据存入SQLserver数据库中，以便随时调用、查看和计算。链接SQL数据库程序图如图5所示：

图5 链接SQL数据库程序图

3.3 综合舒适度计算

系统从数据库中调出实时采集数据，在Matlab混合编程模块中对参数进行编程，完成分项舒适度和综合舒适度计算，结果显示在用户界面上。用户可在界面上查看当前的空气质量、光舒适度、热舒适度以及综合舒适度实时计算指标，并可以对计算结果做出个性评价。当时热舒适度为0.4，即人体热感觉为舒适；光照度为0.7，即光照适中；空气质量为89，即空气质量为优。室内综合舒适度为舒适如图6所示：

图6 综合舒适度显示界面

3.4 用户界面

系统可根据用户需求，对客厅、卧室、书房、厨房、卫生间等多个房间同时或分别进行室内环境和舒适度监测。用户可在主界面上自由选择要查看的房间，系统自动调用其相应的子界面并显示在主界面上。界面设置程序框图如图 7所示：

图7 页面设置程序框图

4 总结

本文设计实现了一种基于LabVIEW和ZigBee网络的室内个性化综合舒适度系统。文中介绍了LabVIEW的在实现智能家居控制系统中软件结构实现、ZigBee无线传感网络的组成、以及对热舒适度算法的改进，提出了一种简单的多因素综合舒适度评价指标。相比于传统的智能家居控制系统，本系统更关注个人的家居体验，更全面的考虑了空气质量、光照度等因素对舒适度的影响，达到了智能、节能、舒适方便的目的。

[1]黄金龙,张珣,等.基于PMV和视觉舒适度的家庭能耗管理[J].物联网技术,2013(10).

[2]林静,林振宇,郑福仁.LabVIEW 虚拟仪器程序设计从入门到精通[M].北京:人民邮电出版社.2013.4.

[3]高鹏,郑超,任岐鸣,张浩,李德文,秦文华.ARM 和 ZigBee的智能家居监控网络设计计算机测量与控制[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.工位空调热舒适指标PMV人工神经网络模型研究[J].制冷与空调,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

国家自然科学基金（61174116）

徐继宁（1970-），女，西安市人，北方工业大学，电气与控制工程学院，副教授，研究方向：信号处理、工业控制和总线技术方向的研究，北京，100144辛 硕（1989-），女，北京市人，北方工业大学，电气与控制工程学院，硕士研究生，研究方向：智能家居方向的研究，北京，100144李建芯（1989-），男，邢台市人，北方工业大学，电气与控制工程学院，硕士研究生，研究方向：智能家居方向研究，北京，100144孙德辉（1962-），男，吉林市人，北方工业大学，电气与控制工程学院，教授，研究方向：网络控制理论与网络自动化技术、嵌入式技术与信息家电，北京，100144