基于环境参数和睡眠生理周期的睡眠风控制装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于环境参数和睡眠生理周期的睡眠风控制装置及方法，其特征在于：它包括转速信号发生装置、驱动电路、逆变电路、静音无刷直流电机和扇叶；转速信号发生装置包括开关电源、环境参数传感器和数字信号处理器；数字信号处理器包括热阻设置模块，睡眠时长设定模块，代谢率生成模块，SET风速计算模块，风速限幅模块，风速-电机转速转换模块和无极调速模块；静音无刷直流电机中包括霍尔传感器。采用环境参数传感器采集实际环境的温度和湿度信息，采用热阻设置模块采集实际的床褥总热阻值信号和代谢率生成模块计算代谢率信号，由SET风速计算模块计算风速值，实现了人体睡眠过程中对热舒适性的要求。本发明可以广泛应用于风扇制造领域中。
【专利说明】基于环境参数和睡眠生理周期的睡眠风控制装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及风扇制造【技术领域】，特别是关于一种基于环境参数和睡眠生理周期的睡眠风控制装置及方法。
【背景技术】
[0002]一般人的一生约有1/3的时间处于睡眠状态，随着现代人工作生活节奏的加快，睡眠变得愈发重要，而一个舒适的睡眠环境无疑是良好睡眠的基本保障，改善人体睡眠环境，提高人体睡眠舒适性具有非常重要的意义。大量的研究成果表明，不利的偏热偏湿睡眠环境会对人体睡眠产生负面影响，例如体温下降被抑制，慢波睡眠(SWS)和快波睡眠(REM)时间减少以及觉醒次数增加等。人们为了改善睡眠，往往会开启空调和风扇，然而随之带来的健康问题屡见不鲜，例如空调房间的空气不流通而且湿度偏低，易引发“空调病”;风扇忘关或者定时时间过长易使人受风寒等。
[0003]中国实用新型专利申请号为201020552659.5的“一种基于使用者睡眠状态的智能电扇”，该装置的原理是:先通过生理信息传感器采集和监测使用者睡眠时的各项生理信息参数，随后通过信息挖掘技术判断使用者是正在进入睡眠状态还是醒来状态，是处于慢动眼睡眠(或称慢波睡眠)阶段还是处于快动眼睡眠(或称快波睡眠)阶段，最后通过智能电扇控制器精确控制风扇的转速。该发明的特点在于风扇的控制参数是基于使用者的睡眠生理周期，然而家用风扇中的睡眠质量检测手段均不足以获取睡眠生理周期的准确分期结果，而且，风速的大小与其他热环境参数有着不可分割的关系，所以睡眠风的控制还需和环境参数联动，但该装置没有配备环境参数传感器。而市面上带有环境参数传感器的风扇，又未引入人体的睡眠生理周期，依然会带来健康隐患。
【发明内容】
[0004]针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够满足人体在睡眠过程中对热舒适性需求的基于环境参数和睡眠生理周期的睡眠风控制装置及方法。
[0005]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:一种基于环境参数和睡眠生理周期的睡眠风控制装置，其特征在于:它包括一转速信号发生装置、一驱动电路、一逆变电路、一静音无刷直流电机和一扇叶；所述转速信号发生装置分别与所述驱动电路和静音无刷直流电机连接，所述转速信号发生装置输出的PWM信号经所述驱动电路进行功率放大后输出到所述逆变电路，由所述逆变电路将放大功率后的所述PWM信号分配到所述静音无刷直流电机，控制所述静音无刷直流电机转动进而带动所述扇叶吹出睡眠风，同时，所述静音无刷直流电机的实际转速信号反馈到所述转速信号发生装置，实现对所述静音无刷直流电机转速的闭环控制。
[0006]所述转速信号发生装置包括一开关电源、一环境参数传感器、一 DSP和一设置在所述静音无刷直流电机内的霍尔传感器；所述开关电源用于将单相交流电转换为不同的直流电压，分别为所述环境参数传感器、DSP、驱动电路、逆变电路以及静音无刷直流电机内的霍尔传感器提供直流电源；所述环境参数传感器采集空气温度、平均辐射温度和空气湿度信号并输出到所述DSP，所述霍尔传感器采集所述静音无刷直流电机的实际转速信号输出到所述DSP，所述DSP根据接收到的所有信号计算PWM信号。
[0007]所述环境参数传感器采用±0.1°C精度和±5%湿度精度的传感器。
[0008]所述DSP包括热阻设置模块、睡眠时长设定模块、代谢率生成模块、SET风速计算模块、风速限幅模块、风速-电机转速转换模块和无极调速模块；所述热阻设置模块采集床褥类型信号转换成热阻信号，并输出到所述SET风速计算模块；所述睡眠时长设定模块采集睡眠时长信号转换成函数缩放系数，并输出到所述代谢率生成模块；所述代谢率生成模块根据函数缩放系数计算代谢率信号，并输出到所述SET风速计算模块；所述SET风速计算模块根据所述环境参数传感器输出的空气温度、平均辐射温度和空气湿度信号、所述热阻设置模块输出的热阻信号、所述代谢率生成模块输出的代谢率信号以及预设的SET值，计算风速预信号并输出到所述风速限幅模块；所述风速限幅模块对风速预信号进行修正后得到风速终信号，并输出到所述风速-电机转速转换模块；所述风速-电机转速转换模块将风速终信号转换为转速信号，并输出到所述无极调速模块；所述无极调速模块将转速信号转换为PWM信号输出；同时，所述无极调速模块将所述霍尔传感器输出的实际转速信号与所述风速-电机转速转换模块计算的转速信号进行比较，根据比较结果对PWM信号进行调整并输出，实现对所述静音无刷直流电机的闭环无极调速。
[0009]一种基于环境参数和睡眠生理周期的睡眠风控制装置的控制方法，包括以下步骤:1)启动风扇，开启睡眠风模式，初始化DSP，开启环境参数传感器；2)环境参数传感器按照特定频率采集空气温度、平均辐射温度和空气湿度信号输出到SET风速计算模块；3)热阻设置模块根据用户所选择的床褥类型，转换成对应的热阻信号，并输出到SET风速计算模块；4)睡眠时长设定模块采集用户设定的睡眠时长信号计算函数缩放系数，并输出到代谢率生成模块；5)代谢率生成模块根据得到的函数缩放系数计算生成代谢率信号，并输出到SET风速计算模块；6)SET风速计算模块根据接收到的空气温度、平均辐射温度、空气湿度、热阻信号、代谢率信号以及预设的SET值，计算得到风速预信号并输出到风速限幅模块；7)风速限幅模块根据预设的最大风速对接收到的风速预信号进行判断，得到风速终信号，并输出到风速-电机转速转换模块；当风速预信号小于最大风速时，风速限幅模块将风速预信号作为风速终信号直接输出；当风速预信号大于最大风速时，风速限幅模块将风速预信号修正为最大风速，并作为风速终信号输出；8)风速-电机转速转换模块；将风速终信号转化为转速信号，并将转速信号输出到无极调速模块；9)无极调速模块将转速信号转换为PWM信号并输出到驱动电路，驱动电路对接收到的PWM信号进行功率放大后驱动逆变电路，由逆变电路带动静音无刷直流电机转动；10)霍尔传感器采集静音无刷直流电机的实际转速信号，并将实际转速信号输出到无极调速模块；无极调速模块将接收到的实际转速信号与接收到的转速信号进行比较，根据得到的转速偏差调整输出的PWM信号，进而调节静音无刷直流电机的转速，实现对静音无刷直流电机的闭环无级调速，静音无刷直流电机的转动带动扇叶吹出睡眠风。
[0010]本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点:1、本发明由于采用环境参数传感器采集实际环境的温度和湿度信息，采用热阻设置模块采集实际的床褥总热阻信号和代谢率生成模块计算代谢率信号，由SET风速计算模块计算风速值，实现了人体睡眠过程中对热舒适性的要求，且更加节能环保。2、本发明由于采用睡眠时长设定模块供用户选择睡眠时长,睡眠时长由用户自己决定,可以满足不同用户对睡眠时长的不同要求。3、本发明由于代谢率生成模块存储的睡眠生理周期更加符合实际人体睡眠情况，同时还可以根据用户设定的睡眠时长调整函数缩放系数，得到人体的代谢率信号，精确地分解使用者的生理需要控制转速以达到控制风速的目的。4、本发明由于采用的SET风速计算模块预设有SET风速计算模型，可以根据环境和人员参数计算满足人体热舒适要求的风速信号。5.本发明由于采用风速限幅模块对计算的风速预信号进行判别，使得风速能够满足人体睡眠中能够承受的最大风速，避免了风速过大对人体健康造成损害。本发明结构简单，吹风感受良好，有效地改善人体睡眠质量和热舒适程度，可以广泛应用于风扇制造领域中。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明的硬件结构示意图
[0012]图2是本发明的方法流程示意图
[0013]图3是本发明八小时睡眠阶段划分和代谢率变化示意图
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0015]如图1所示，本发明基于环境参数和睡眠生理周期的睡眠风控制装置包括一转速信号发生装置1、一驱动电路2、一逆变电路3、一静音无刷直流电机4和一扇叶5。转速信号发生装置I分别与驱动电路2和静音无刷直流电机4连接，转速信号发生装置I输出的PWM(脉冲宽度调制)信号经驱动电路2进行功率放大后输出到逆变电路3，由逆变电路3将放大功率后的PWM信号分配到静音无刷直流电机4，控制静音无刷直流电机4转动进而带动扇叶5吹出睡眠风，同时，静音无刷直流电机4的实际转速信号反馈到转速信号发生装置I实现对静音无刷直流电机4转速的闭环控制。
[0016]转速信号发生装置I包括一开关电源11、一环境参数传感器12、一 DSP (数字信号处理器)13以及一设置在静音无刷直流电机4内的霍尔传感器41。开关电源11用于将单相交流电(220V/50HZ)转换为不同的直流电压，分别为环境参数传感器12、DSP13、驱动电路2、逆变电路3以及静音无刷直流电机4内的霍尔传感器41提供直流电源。环境参数传感器12采集空气温度、平均辐射温度和空气湿度信号并输出到DSP13，霍尔传感器41采集静音无刷直流电机4的实际转速信号输出到DSP13，DSP13根据接收到的所有信号计算PWM信号。
[0017]DSP13包括热阻设置模块131、睡眠时长设定模块132、代谢率生成模块133、SET (标准有效温度)风速计算模块134、风速限幅模块135、风速-电机转速转换模块136和无极调速模块137。热阻设置模块131采集床褥类型信号转换成热阻信号，并输出到SET风速计算模块134 ;睡眠时长设定模块132采集睡眠时长信号转换成函数缩放系数，并输出到代谢率生成模块133 ;代谢率生成模块133根据函数缩放系数计算代谢率信号，并输出到SET风速计算模块134 ；SET风速计算模块134根据环境参数传感器12输出的空气温度、平均辐射温度和空气湿度信号、热阻设置模块131输出的热阻信号、代谢率生成模块133输出的代谢率信号以及预设的SET值，计算风速预信号并输出到风速限幅模块135 ;风速限幅模块135对风速预信号进行修正后得到风速终信号，并输出到风速-电机转速转换模块136 ；风速-电机转速转换模块136将风速终信号转换为转速信号，并输出到无极调速模块137 ；无极调速模块137将转速信号转换为PWM信号输出。同时，无极调速模块137将霍尔传感器41输出的实际转速信号与风速-电机转速转换模块136计算的转速信号进行比较，根据比较结果对PWM信号进行调整并输出，实现对静音无刷直流电机4的闭环无极调速。
[0018]上述实施例中，数字信号处理器13的工作电压为+3.3V和+1.8V，环境参数传感器12和霍尔传感器41的工作电压均为+5V，驱动电路2的工作电压为+15V，逆变电路4的工作电压为+15V。
[0019]上述实施例中，环境参数传感器12采用±0.1°C精度和±5%湿度精度的传感器，这是由于经实测，夏季房间内的温度变化速率大致为1°C /小时。
[0020]上述实施例中，静音无刷直流电机4可以采用五叶静音扇叶和静音电机，其产生白躁噪声级较小，不会对睡眠造成干扰。
[0021]如图2所示，本发明基于环境参数和睡眠生理周期的睡眠风控制方法包括以下步骤:
[0022]I)启动风扇，开启睡眠风模式，初始化DSP13，开启环境参数传感器12。
[0023]2)环境参数传感器12按照特定频率(比如可以是I秒，仅以此为例，但不限于此)采集空气温度、平均辐射温度和空气湿度信号并输出到SET风速计算模块134。
[0024]3)热阻设置模块131根据用户所选择的床褥类型，转换成对应的热阻信号，并输出到SET风速计算模块134。
[0025]不同床褥类型对应不同的床褥总热阻，床褥总热阻是指包括床垫、床单、被子、枕头、席子、睡衣睡裤以及空气层的总热阻。本发明根据人工气候室的实测数据，由采用暖体假人进行的标准化服装热阻实验得到各床褥类型的热阻值，并选取了三种床褥总热阻值差异较大的中国夏季典型床褥类型供用户选择。
[0026]4)睡眠时长设定模块132采集用户设定的睡眠时长信号计算函数缩放系数，并输出到代谢率生成模块133。
[0027]睡眠时长设定模块132的设定范围为I?12小时，用户可以根据实际需要设定睡眠时长。睡眠时长设定模块132内存储有计算函数缩放系数的模块，根据不同睡眠时长可对应输出不同的函数缩放系数。睡眠时长设定模块132根据用户设定的睡眠时长产生对应的函数缩放系数，并将函数缩放系数信号输出到代谢率生成模块133。
[0028]5)代谢率生成模块133根据得到的函数缩放系数计算生成代谢率信号，并输出到SET风速计算模块134。
[0029]如图3所示，代谢率生成模块133中存储有八小时睡眠阶段代谢率随时间变化的函数，其是由代谢率在睡眠状态下的实际变化规律简化得到。本发明将八小时睡眠阶段划分为四个阶段，每一阶段对应不同的代谢率随时间变化的函数:第一个阶段为入睡后的30分钟，输出步长为2分钟；第二个阶段为入睡后30分钟到3.5小时,输出步长为15分钟；第三个阶段为入睡后4小时到7小时内，输出步长为30分钟；第四个阶段为最后I小时，输出步长为5分钟。代谢率生成模块133根据接收到的函数缩放系数，计算生成新的代谢率随实际睡眠时长变化的函数，得到不同睡眠阶段的代谢率信号和输出步长，并按照相应睡眠阶段的输出步长输出到SET风速计算模块134。
[0030]6) SET风速计算模块134根据接收到的空气温度、平均辐射温度、空气湿度、热阻信号、代谢率信号以及预设的SET值，计算得到风速预信号并输出到风速限幅模块135。[0031 ] SET风速计算模块134内预存有SET风速计算模型，其是基于人体热感觉模型中的二节点模型建立的，是热舒适领域中重要的热感觉(TSV)评价指标。SET值能够合理反映风速对TSV的影响，TSV是评价风速能否达到人体对热舒适性要求的热感觉评价指标，其取值范围为-3?+3，当TSV = -0.5?+0.5之间时，表示人处于热中性状态(不冷不热)。SET值包括六个环境和人员参数的作用，分别为空气温度、空气湿度、风速，平均辐射温度，床褥热阻和代谢率。因此若已知空气温度，空气湿度，平均辐射温度，床褥热阻和代谢率以及睡眠热中性状态下的SET值，就能推算出环境达到热中性时人体所需的风速值。在本实施例中，SET值根据不同的床褥热阻值从小到大(1.5cl0，1.9clo，2.2clo)分别设定为29°C，28°C，27°C，SET值的确定是参考已有实验研究成果得到。SET风速计算模块134根据接收到的空气温度，平均辐射温度，空气湿度信号，热阻值信号，代谢率信号以及预设的SET值，计算得到风速预信号，并输出到风速限幅模块135。
[0032]7)风速限幅模块135根据预设的最大风速对接收到的风速预信号进行判断，得到风速终信号，并输出到风速-电机转速转换模块136。
[0033]由于SET风速计算模块134得到的风速预信号可能会超出睡眠中人体能够承受的最大风速，即1.2m/s，为了保证健康，风速限幅模块135对风速预信号进行判断:
[0034]当风速预信号小于最大风速时，风速限幅模块135将风速预信号作为风速终信号直接输出；
[0035]当风速预信号大于最大风速1.2m/s时,风速限幅模块135将风速预信号修正为最大风速1.2m/s,并作为风速终信号输出。
[0036]8)风速-电机转速转换模块136将风速终信号转化为转速信号，并将转速信号输出到无极调速模块137。
[0037]9)无极调速模块137将转速信号转换为PWM信号并输出到驱动电路2，驱动电路2对接收到的PWM信号进行功率放大后驱动逆变电路3，由逆变电路3带动静音无刷直流电机转动。
[0038]10)霍尔传感器41采集静音无刷直流电机4的实际转速信号，并将实际转速信号输出到无极调速模块137 ;无极调速模块137将接收到的实际转速信号与接收到的转速信号进行比较，根据得到的转速偏差调整输出的PWM信号，进而调节静音无刷直流电机4的转速，实现对静音无刷直流电机4的闭环无级调速，静音无刷直流电机4的转动带动扇叶5吹出睡眠风。
[0039]上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
【权利要求】
1.一种基于环境参数和睡眠生理周期的睡眠风控制装置，其特征在于:它包括一转速信号发生装置、一驱动电路、一逆变电路、一静音无刷直流电机和一扇叶；所述转速信号发生装置分别与所述驱动电路和静音无刷直流电机连接，所述转速信号发生装置输出的PWM信号经所述驱动电路进行功率放大后输出到所述逆变电路，由所述逆变电路将放大功率后的所述PWM信号分配到所述静音无刷直流电机，控制所述静音无刷直流电机转动进而带动所述扇叶吹出睡眠风，同时，所述静音无刷直流电机的实际转速信号反馈到所述转速信号发生装置，实现对所述静音无刷直流电机转速的闭环控制。
2.如权利要求1所述的基于环境参数和睡眠生理周期的睡眠风控制装置，其特征在于:所述转速信号发生装置包括一开关电源、一环境参数传感器、一 DSP和一设置在所述静音无刷直流电机内的霍尔传感器；所述开关电源用于将单相交流电转换为不同的直流电压，分别为所述环境参数传感器、DSP、驱动电路、逆变电路以及静音无刷直流电机内的霍尔传感器提供直流电源；所述环境参数传感器采集空气温度、平均辐射温度和空气湿度信号并输出到所述DSP，所述霍尔传感器采集所述静音无刷直流电机的实际转速信号输出到所述DSP，所述DSP根据接收到的所有信号计算PWM信号。
3.如权利要求2所述的基于环境参数和睡眠生理周期的睡眠风控制装置，其特征在于:所述环境参数传感器采用±0.1°C精度和±5%湿度精度的传感器。
4.如权利要求2所述的基于环境参数和睡眠生理周期的睡眠风控制装置，其特征在于:所述DSP包括热阻设置模块、睡眠时长设定模块、代谢率生成模块、SET风速计算模块、风速限幅模块、风速-电机转速转换模块和无极调速模块；所述热阻设置模块采集床褥类型信号转换成热阻信号，并输出到所述SET风速计算模块；所述睡眠时长设定模块采集睡眠时长信号转换成函数缩放系数，并输出到所述代谢率生成模块；所述代谢率生成模块根据睡眠时长信息计算代谢率信号，并输出到所述SET风速计算模块；所述SET风速计算模块根据所述环境参数传感器输出的空气温度、平均辐射温度和空气湿度信号、所述热阻设置模块输出的热阻信号、所述代谢率生成模块输出的代谢率信号以及预设的SET值，计算风速预信号并输出到所述风速限幅模块；所述风速限幅模块对风速预信号进行修正后得到风速终信号，并输出到所述风速-电机转速转换模块；所述风速-电机转速转换模块将风速终信号转换为转速信号，并输出到所述无极调速模块；所述无极调速模块将转速信号转换为PWM信号输出；同时，所述无极调速模块将所述霍尔传感器输出的实际转速信号与所述风速-电机转速转换模块计算的转速信号进行比较，根据比较结果对PWM信号进行调整并输出，实现对所述静音无刷直流电机的闭环无极调速。
5.一种采用如权利要求1或2或3或4所述基于环境参数和睡眠生理周期的睡眠风控制装置的控制方法，包括以下步骤: 1)启动风扇，开启睡眠风模式，初始化DSP，开启环境参数传感器； 2)环境参数传感器按照特定频率采集空气温度、平均辐射温度和空气湿度信号输出到SET风速计算模块； 3)热阻设置模块根据用户所选择的床褥类型，转换成对应的热阻信号，并输出到SET风速计算模块； 4)睡眠时长设定模块采集用户设定的睡眠时长信号计算函数缩放系数，并输出到代谢率生成模块； 5)代谢率生成模块根据得到的函数缩放系数计算生成代谢率信号，并输出到SET风速计算模块； 6)SET风速计算模块根据接收到的空气温度、平均辐射温度、空气湿度信号、热阻值信号、代谢率信号以及预设的SET值，计算得到风速预信号并输出到风速限幅模块； 7)风速限幅模块根据预设的最大风速对接收到的风速预信号进行判断，得到风速终信号，并输出到风速-电机转速转换模块； 当风速预信号小于最大风速时，风速限幅模块将风速预信号作为风速终信号直接输出； 当风速预信号大于最大风速时，风速限幅模块将风速预信号修正为最大风速，并作为风速终信号输出； 8)风速-电机转速转换模块；将风速终信号转化为转速信号，并将转速信号输出到无极调速模块； 9)无极调速模块将转速信号转换为PWM信号并输出到驱动电路，驱动电路对接收到的PWM信号进行功率放大后驱动逆变电路，由逆变电路带动静音无刷直流电机转动； 10)霍尔传感器采集静音无刷直流电机的实际转速信号，并将实际转速信号输出到无极调速模块；无极调速模块将接收到的实际转速信号与接收到的转速信号进行比较，根据得到的转速偏差调整输出的PWM信号，进而调节静音无刷直流电机的转速，实现对静音无刷直流电机的闭环无级调速，静音无刷直流电机的转动带动扇叶吹出睡眠风。
【文档编号】F04D27/00GK104467563SQ201410709941
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月28日 优先权日:2014年11月28日
【发明者】朱颖心, 朱旻琳, 欧阳沁, 马宏伟, 罗茂辉, 曹彬, 黄莉, 余娟, 赵越 申请人:清华大学, 东华大学