一种基于多元生理参数的控制方法

朱徐来

一种基于多元生理参数的控制方法

朱徐来

利用人的心率、皮肤温度、皮肤电导三种生理参数，结合人体的舒适度模型，采用基于多元生理参数的智能化控制策略，自动调节室内的温湿度，以满足人体对室内环境的最佳感知。本文所设计的控制方法，不仅能使人体感觉到环境最佳舒适度，而且还实现了建筑节能。

心率；皮肤温度；皮肤电导；舒适度；控制策略；建筑节能

如今，智慧城市、智慧小区、智能家居的发展，使人们对智能的要求越来越高，以及以人为本的思想，迫切需要基于人体舒适度的智能化控制策略，在人感觉最佳舒适度的同时，还兼顾建筑节能。

1 环境温度

室内环境温度是一个最重要的物理参数，它是人体与室内周围环境的热量交换过程的直接体现[1]。人与周围环境最先接触的就是皮肤，尤其是裸露在外的皮肤，它的表面分布着大量的冷热点，对温度的变化十分敏感，可以迅速地感知环境的冷热[2]。当温度升高时，人体汗腺分泌增加、血管扩张、呼吸量增加，皮肤温度会上升，开始出现排汗，皮肤热感受器活动较强烈，产生热感觉；当温度降低时，人体肌肉收缩、血管收缩、减少呼吸量，皮肤冷感受器活动较强烈，产生冷感觉。环境温度与人体舒适度TCV之间的关系为[3]：

一般认为TCV0.5为人体最佳的热舒适状态，由此我们得出当TCV0.5，即为人体最佳的热舒适区域，此时对应的热舒适温度24.9℃0.5，对应的温度24℃0.5，对应的温度27.1℃

2 相对湿度

空气有吸收水分的特征，湿度指空气中含有水蒸气的多少，它直接影响人的呼吸器官和皮肤排汗。人体对室内环境的满意程度是建立在合适的温湿度的基础上，合适的温湿度能抑制细菌病毒滋生，降低流感疾病发生的概率，人长期生活在空气含湿量过高的环境下，会导致人体关节肿胀、屈伸受阻，即患上风湿性关节炎。若环境的温度偏高且湿度偏高，会给人以热感，相反，若低温环境下空气湿度过高，则人体外表的服装变得潮湿，降低了衣服热阻，使得服装与人体的传热系数增大，人体会感到寒冷。当空气含湿量过低时，屋内过于干燥，墙面会出现细小的裂纹，木地板出现膨胀也可能脱落。此外，湿度过低将致使鼻部和肺部呼吸道粘膜脱水，粘液分泌减少，粘膜上的纤毛运动减缓，灰尘、细菌等容易附着在粘膜上，刺激喉部引发咳嗽，易发生支气管炎、支气管哮喘以及呼吸道其他疾病。研究发现最宜人的热湿参数为：冬天温度为18～25℃，相对湿度为30%～80%，夏天温度为23～28℃，相对湿度为30%～60%[4]。

3 皮肤电反应

皮肤汗腺的多少能改变皮肤电阻或电导，在表皮上施加一个电压，通过测量电流，能够得到皮肤电阻或电导，由于它是用一个外加电压来测量皮肤电阻的，所以叫“外源性测量”[5]。目前，汗腺活动已被人们广为接受，显性或非显性排汗都起始于皮下组织活动，汗液主要成分为无机盐，会加大皮表与导管间导电性，皮肤电反应水平增大。当环境温度在24℃

4 心率

心率是指心脏每分钟律动的次数。机体的各项生理活动需要通过血液流动来维持，血流量由心率和每次搏动输出血量决定。安静状态，成年人心率约七十五次[6]。倘使心率高于最大值100次，则过快，低于最小值60次，则是过慢。许多因素都影响心率，如运动、喝咖啡、大量吸烟、酒后、激动等都可使心率增快。此外，心率可因年龄、性别及其它生理因素而不同。

TCV=0.174×HR-12.317

式中，HR为人体心率次数。

因此，心率可有效地评价人体热舒适的状态，考虑到心率具有显著的个体差异性，用于热舒适建模时，面向不同群体时需要考虑其差异性。

5 多元生理参数控制方法设计

针对多元生理参数的实时监测，结合人体的舒适度，运用智能控制策略，实现人体对环境高舒适度的需求和建筑节能。

多元生理参数控制方法总体设计框架如图1所示：

图1 总体设计框架

根据硬件电路，软件实现的程序流程图如图2所示：

图2 流程图

在室内环境智能监控系统软件界面中选择需要的多元生理参数，根据这些参数，利用人体舒适度模型，计算室内环境参数，然后利用控制器智能控制电器设备，从而达到人体的最佳舒适度，显示界面如图3所示：

图3

6 结束语

随着现代工业快速的发展，室内环境污染现象越来越普遍，室内环境的空气质量的好坏很大程度上影响着人们的健康，于是室内环境质量监测显得尤为重要。计算机、通信、网络、自动测控技术等技术的高速发展与广泛应用已成为室内环境监测领域发展的方向。本论文利用多元生理参数设置，舒适度模型，采用传感技术、单片机技术、无线通信技术、红外遥控技术和自动控制技术实现了基于多元生理参数的室内环境参数的控制，实现了人体的最佳舒适度和建筑节能。

[1] 丁勇花,狄育慧. 室内气流运动对热舒适性影响因素的分析[J]. 洁净与空调技术，2014(03)20-24.

[2] 纪秀玲，李国忠，戴自祝. 室内热环境舒适性的影响因素及预测评价研究进展[J]. 卫生研究，2003(03):295-299.

[3] 余娟，朱颖心，欧阳沁，等. 基于生理指标评价人体热舒适、工作效率和长期健康的研究路线探讨[J]. 暖通空调，2010(03)：1-5

[4] 刘蔚巍，连之伟，邓启红，等. 人体热舒适客观评价指标[J].中南大学学报(自然科学版) ，2011(02):521-526

[5] Spircu, Tiberiu1; Crstea, Iulia Maria1; Carstea, Ion. Numerical simulation of human thermal comfort in indoor environment [C]. 3rd WSEAS International Conference on Finite Differences - Finite Elements - Finite Volumes - Boundary Elements, F-and-B '10, 2010：258-263.

[6] Shen, C.C.; Lu, J.H. Analysis of the performance of the evaporator of automotive air conditioning system. International Journal of Automotive Technology, v 15, n 1, p 19-38, February 2014.

ControlMethodBasedonMultiplePhysiologicalParameters

Zhu Xulai

Combined with human comfort model, this paper designed one best indoor environment to meet the human perception by using three kinds of physiological parameters - heart rate, skin temperature and skin conductance, and using the intelligent control strategy of multiple physiological parameters based on temperature and humidity automatic control of the room. In this paper, the design of the control method not only can make the human body feel the best comfort of the environment, but also achieve the building energy efficiency.

heart rate; skin temperature; skin conductance; comfort; control strategy; building energy efficiency

TP277

A

1673-1794(2017)05-0038-02

朱徐来，安徽建筑大学电子与信息工程学院讲师，硕士(合肥 230039)。

安徽省教育厅一般研究项目(KJ2016JD13)

2017-02-14

责任编辑：刘海涛