一种带UWB定位的调温系统及方法与流程
本发明涉及制热领域，更具体的说，尤其涉及一种带uwb定位的调温系统及方法。
背景技术
制热系统是指通过人工手段，对建筑或构筑物内环境的空气的温度进行调节和控制的过程，随着社会的进步和科技的发展，在绝大部分大型场合，例如学校、工厂或者写字楼内，制热系统都得到了非常广泛的应用。
随着能源问题的日益突出，对能源的节约使用就显得尤为必要，而现有的制热系统如空调系统是对整个区域进行加热，例如工厂内的空调或者大型商场内的空调，升温或者降温是对整个工厂区域或者商场区域进行升温或者降温，该升温过程速度慢，加热时间长，耗能高，即便是区域内仅有较少人数也会对整个区域进行加热，甚至在无人时也需要很久才能将制热系统完全关闭，很容易造成资源大量浪费。
现有的制热系统的并不存在针对大区域内的单体或少量目标进行针对性局部温度控制的功能，因此对该方向的研究将能够极大降低大型区域内制热系统的能源消耗，对能源的持续发展具有极为重要的意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于解决现有的制热系统例如空调系统是对整个区域加热导致的升温速度慢、加热时间长了、能耗大的问题，提出了一种带uwb定位的调温系统及方法，可以对该区域内人员定位并测量出人周围环境温度，根据区域内人员的位置及周围温度调整加热装置的位置和方向、加热温度、加热装置工作的数量从而实现自动追踪加热的功能。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种带uwb定位的调温系统，包括定位装置、温度测量装置、协调控制系统和加热装置，所述定位装置用于对人体进行定位，并将定位信息发送给协调控制系统；所述温度测量装置测量人体周围环境温度，将温度信息传给协调控制系统；所述协调控制系统接收到人的位置信息与温度信息，协调控制系统根据人的位置信息控制需要工作的一个或者几个加热装置运动到指定位置；温度测量装置实时测量人周围环境温度，将温度信息发送给协调控制系统，协调控制系统根据当前温度调整加热装置的工作功率；
所述定位装置采用超宽带技术即uwb技术进行定位，定位装置通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据；定位装置包括标签、锚点和定位服务器，标签是移动且坐标未知的待定位对象，锚点是自身位置或者绝对坐标已知的节点，包括若干个从锚点和主锚点，从锚点直接和标签通信完成测距过程，主锚点负责收集从锚点的测距结果，对无效结果进行滤除，并初步数据整理后发送给定位服务器进行定位计算，并发送时间校准包给从锚点以进行同步。定位服务器通过主锚点发送的测距信息计算定位结果；
所述温度测量装置采用接触式测量法对目标环境温度进行测量，将热电阻温度传感器或热电偶传感器装在工作服上，目标需要穿上工作服才可以测量其周边的环境温度，在工作服的前部、后部和两个衣袖上各装有一个热电阻温度传感器或热电偶传感器，当需要检测目标周边的环境温度时，工作服上的4个传感器同时工作检测环境温度，将得到的结果取平均即为环境温度；
所述加热装置为红外灯或热风口，加热装置运动方式为平动与转动相结合，在加热装置的下方铺设固定不动的轨道，轨道整体呈圆环形，轨道的轴心处铰接转轴的一端，转轴的另一端设置有电机，电机的电机头上安装有轮子，轮子设置在轨道内，电机带动轮子转动时轮子沿轨道运动，从而带动转轴绕轨道的轴心做旋转运动；加热装置上也装有电机和轮子，加热装置安装在转轴上，加热装置通过电机和轮子在转轴上做直线运动；加热装置上的电机和转轴一端的电机共同运动时，加热装置能够停留在轨道内部任意一个点的位置；当需要对某个位置进行加热时，需要将加热装置移动到该位置后进行加热。
进一步的，将整个区域分隔若干个子区域，多个加热装置负责加热一个子区域，当子区域内人数多于加热装置时，系统控制系统按照人均所获热量相等，总能量最大的原则计算加热装置的位置；当子区域内人数少于或等于加热装置时，每人配置一个或多个加热装置，加热装置随着人员的位置移动而移动。
进一步的，加热装置、转轴、轨道和云台共同构成加热设备，每个空间有i个加热设备，每个加热设备有m个转轴，每个转轴分配一个加热装置，该加热装置可对轨道内部覆盖区域内n个人进行加热；加热装置转动时，通过云台调整方向对人所在的位置进行加热；将加热装置装在既能在水平面上旋转又能在铅垂面上旋转的全方位的云台上，使用电机控制云台转动并在能旋转的两个方向上装上编码器；水平面上的编码器可以知道加热装置在水平面上的方向与正北的夹角，铅垂面上的编码器可以知道加热装置的方向与铅垂线之间的夹角；当需要调整加热装置方向使其正对某个位置时，需要调整加热装置的方向与铅垂线之间的夹角和在水平面中的方向与正北方向的夹角，即控制云台使水平面和铅垂面上的两个编码器的输出达到一定值。
一种带uwb定位的调温方法，包括如下步骤：定位装置实时对目标进行定位，将位置信息发送给协调控制系统；协调控制系统根据目标的位置信息控制需要工作的一个或者几个加热装置运动到指定位置；温度测量装置实时测量目标周围环境温度，将温度信息发送给协调控制系统；协调控制系统根据当前温度调整加热装置的工作功率；
所述定位装置采用超宽带技术即uwb技术进行定位，定位装置通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据；定位装置包括标签、锚点和定位服务器，标签是移动且坐标未知的待定位的目标，锚点是自身位置或者绝对坐标已知的节点，包括若干个从锚点和主锚点，从锚点直接和标签通信完成测距过程，主锚点负责收集从锚点的测距结果，对无效结果进行滤除，并初步数据整理后发送给定位服务器进行定位计算，并发送时间校准包给从锚点以进行同步。定位服务器通过主锚点发送的测距信息计算定位结果；
所述温度测量装置采用接触式测量法对目标环境温度进行测量，将热电阻温度传感器或热电偶传感器装在工作服上，目标需要穿上工作服才可以测量其周边的环境温度，在工作服的前部、后部和两个衣袖上各装有一个热电阻温度传感器或热电偶传感器，当需要检测目标周边的环境温度时，工作服上的4个传感器同时工作检测环境温度，将得到的结果取平均即为环境温度；
所述加热装置为红外灯或热风口，加热装置运动方式为平动与转动相结合，在加热装置的下方铺设固定不动的轨道，轨道整体呈圆环形，轨道的轴心处铰接转轴的一端，转轴的另一端设置有电机，电机的电机头上安装有轮子，轮子设置在轨道内，电机带动轮子转动时轮子沿轨道运动，从而带动转轴绕轨道的轴心做旋转运动；加热装置上也装有电机和轮子，加热装置安装在转轴上，加热装置通过电机和轮子在转轴上做直线运动；加热装置上的电机和转轴一端的电机共同运动时，加热装置能够停留在轨道内部任意一个点的位置；当需要对某个位置进行加热时，需要将加热装置移动到该位置后进行加热；
当加热装置为红外灯时，某点接收到的红外灯辐射照度值q与该点到红外灯轴线距离r和加热电流i有关，某点处接收到的红外灯辐射照度值：
q＝f(r,i)；
当加热装置为热风口时，某点接收到的单位面积加热功率p与该点到热风口的距离l，出风速度v和出风温度t有关，某点处接收的单位面积加热功率：
p＝f(l,v,t)；
协调控制系统的作用是接收位置信息和温度信息，制定控制策略控制相应的加热装置给目标供热；当一个或多个目标处于加热区域中时，需要使各个目标处的辐射照度值或单位面积加热功率达到一定值；当有区域中有m个目标时，为了达到供热要求，协调控制系统制定控制策略，并将控制策略传给需要工作的加热装置；控制策略包括控制哪几个加热装置工作和加热装置以多大的功率进行加热；
具体的控制策略如下：
在存在多个加热装置时，具体加热装置的供热数量及每个加热装置的供热热量的决策方法如下：假设有n个加热装置，编号为：1,l,n；每个加热装置的功率为oi，其中oi>0：共有m个需要供热的位置，编号为：1,l,m，第j个受热源单位时间内需要提供的热量为qj以维持或达到其需要的温度tj，其中j＝1,l,m且qj>0，加热装置i对受热源j单位时间内可提供的热量为pij；
step1：对每个加热装置i计算
step2：设y＝∞，
step3：计算当前方案的目标函数值
step4：根据当前方案x＝(x1x2lxn)2判断当前约束条件是否满足，如果满足则转到step5，否则转到step6；
step5：判断是否还有约束没有检查，如有则取下一个约束作为当前约束，转到step4；否则更新最优决策方案
step6：判断x+1≤(11l1)2是否满足，如满足则取下一个方案，即令x＝x+1作为当前方案，转到step3；否则转到step7；
step7：算法结束，输出最优决策方案
其中，xi是决策变量，0或1中0表示第i个加热装置关闭，开1表示第i个加热装置打开；
进一步的，使用到达时间差定位算法即tdoa定位算法作为整个定位装置的核心算法，tdoa定位算法是通过一种数学模型建立起来求解的，它主要利用的是数学中双曲线的特性，当存在两个定点的时候，另外一个动点会在以这两个定点为焦点的双曲线上，当同时存在这样的两组或者多组这样的数据结构的时候，这些双曲线的交点就是要求的目标物体的位置。
进一步的，加热装置、转轴、轨道和云台共同构成加热设备，每个空间有i个加热设备，每个加热设备有m个转轴，每个转轴分配一个加热装置，该加热装置可对轨道内部覆盖区域内n个人进行加热；加热装置转动时，通过云台调整方向对人所在的位置进行加热；将加热装置装在既能在水平面上旋转又能在铅垂面上旋转的全方位的云台上，使用电机控制云台转动并在能旋转的两个方向上装上编码器；水平面上的编码器可以知道加热装置在水平面上的方向与正北的夹角，铅垂面上的编码器可以知道加热装置的方向与铅垂线之间的夹角；当需要调整加热装置方向使其正对某个位置时，需要调整加热装置的方向与铅垂线之间的夹角和在水平面中的方向与正北方向的夹角，即控制云台使水平面和铅垂面上的两个编码器的输出达到一定值。
本发明的有益效果在于：
1、本发明可以对区域内人员定位并测量出人周围环境温度，根据区域内人员的位置及周围温度调整加热装置的位置和方向、加热温度、加热装置工作的数量等，加热装置移动到人员附近，直接对人周围的区域加热，加热装置的位置和方向随着人员运动，实现自动追踪加热的功能。
2、本发明可以对该区域内人员实时定位，加热装置可随着人员的位置运动，实现追踪加热的功能。
3、本发明不需要对整个环境加热，只加热人员周围区域，升温速度快，加热时间短，耗能少。
4、本发明在区域内人数较少时，人对应的加热装置工作，其余加热装置可处于待机状态；当该区域内无人时，加热系统停止工作，有效解决地现有制热系统的弊端，降低能耗。
5、本发明采用uwb技术进行定位，目标携带标签，可以实现其在室内的高精度定位，提高加热位置的准确性。
6、本发明将热电阻温度传感器或热电偶传感器装在工作服上，能够准确测量目标周围的环境温度。
7、本发明的加热装置采用红外灯或热风口，作为核心的加热主体无需移动，整体机械结构简单，降低整体成本。
8、本发明根据目标周围的温度调整加热功率，提高目标周围环境的舒适度。
9、本发明在子区域内目标数量较少时，目标对应的加热装置工作，其余加热装置可处于待机状态；当该区域内无目标时，加热系统停止工作，有效解决地现有制热系统的弊端，降低能耗。
附图说明
图1是本发明带uwb定位的调温系统的基本结构示意图。
图2是本发明定位装置的结构示意图。
图3是本发明加热设备的分布结构示意图。
图4是本发明的工作流程示意图。
图5是本发明两个加热装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1、图2、图3、图4和图5所示，一种带uwb定位的调温系统，包括定位装置、温度测量装置、协调控制系统和加热装置，所述定位装置用于对人体进行定位，并将定位信息发送给协调控制系统；所述温度测量装置测量人体周围环境温度，将温度信息传给协调控制系统；所述协调控制系统接收到人的位置信息与温度信息，协调控制系统根据人的位置信息控制需要工作的一个或者几个加热装置运动到指定位置；温度测量装置实时测量人周围环境温度，将温度信息发送给协调控制系统，协调控制系统根据当前温度调整加热装置的工作功率；
所述定位装置采用超宽带技术即uwb技术进行定位，定位装置通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据；定位装置包括标签、锚点和定位服务器，标签是移动且坐标未知的待定位对象，锚点是自身位置或者绝对坐标已知的节点，包括若干个从锚点和主锚点，从锚点直接和标签通信完成测距过程，主锚点负责收集从锚点的测距结果，对无效结果进行滤除，并初步数据整理后发送给定位服务器进行定位计算，并发送时间校准包给从锚点以进行同步。定位服务器通过主锚点发送的测距信息计算定位结果；
所述温度测量装置采用接触式测量法对目标环境温度进行测量，将热电阻温度传感器或热电偶传感器装在工作服上，目标需要穿上工作服才可以测量其周边的环境温度，在工作服的前部、后部和两个衣袖上各装有一个热电阻温度传感器或热电偶传感器，当需要检测目标周边的环境温度时，工作服上的4个传感器同时工作检测环境温度，将得到的结果取平均即为环境温度；
所述加热装置为红外灯或热风口，加热装置运动方式为平动需要在一定高度处铺设轨道，轨道可分为主轨道1和次轨道2，次轨道2装有电机和轮子，可在主轨道1上运动；每条次轨道2上有两个加热装置3，加热装置3底部装有电机和轮子，加热装置3能够在次轨道上运动；当需要对某个位置进行加热时，加热装置3在次轨道2上运动，次轨道2在主轨道1上运动，按照需要将加热装置3移动到指定位置进行加热；
次轨道2的工作顺序依次是第一次轨道21，第二次轨道22，第三次轨道23，第四次轨道24和第五次轨道25，第一次轨道21到第五次轨道25上的加热装置3依次负责给区域中最北边的位置到区域中最南边的位置供热。
将整个区域分隔若干个子区域，多个加热装置负责加热一个子区域，当子区域内人数多于加热装置时，系统控制系统按照人均所获热量相等，总能量最大的原则计算加热装置的位置；当子区域内人数少于或等于加热装置时，每人配置一个或多个加热装置，加热装置随着人员的位置移动而移动。
加热模块4、转轴5、轨道6和云台共同构成加热装置，每个空间有i个加热设备，每个加热设备有m个转轴5，每个转轴5分配一个加热装置3，该加热装置3可对轨道内部覆盖区域内n个人进行加热；加热装置转动时，通过云台调整方向对人所在的位置进行加热；将加热装置装在既能在水平面上旋转又能在铅垂面上旋转的全方位的云台上，使用电机控制云台转动并在能旋转的两个方向上装上编码器；水平面上的编码器可以知道加热装置在水平面上的方向与正北的夹角，铅垂面上的编码器可以知道加热装置的方向与铅垂线之间的夹角；当需要调整加热装置方向使其正对某个位置时，需要调整加热装置的方向与铅垂线之间的夹角和在水平面中的方向与正北方向的夹角，即控制云台使水平面和铅垂面上的两个编码器的输出达到一定值。
一种带uwb定位的调温方法，包括如下步骤：定位装置实时对目标进行定位，将位置信息发送给协调控制系统；协调控制系统根据目标的位置信息控制需要工作的一个或者几个加热装置运动到指定位置；温度测量装置实时测量目标周围环境温度，将温度信息发送给协调控制系统；协调控制系统根据当前温度调整加热装置的工作功率；
所述定位装置采用超宽带技术即uwb技术进行定位，定位装置通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据；定位装置包括标签、锚点和定位服务器，标签是移动且坐标未知的待定位的目标，锚点是自身位置或者绝对坐标已知的节点，包括若干个从锚点和主锚点，从锚点直接和标签通信完成测距过程，主锚点负责收集从锚点的测距结果，对无效结果进行滤除，并初步数据整理后发送给定位服务器进行定位计算，并发送时间校准包给从锚点以进行同步。定位服务器通过主锚点发送的测距信息计算定位结果；
所述温度测量装置采用接触式测量法对目标环境温度进行测量，将热电阻温度传感器或热电偶传感器装在工作服上，目标需要穿上工作服才可以测量其周边的环境温度，在工作服的前部、后部和两个衣袖上各装有一个热电阻温度传感器或热电偶传感器，当需要检测目标周边的环境温度时，工作服上的4个传感器同时工作检测环境温度，将得到的结果取平均即为环境温度；
所述加热装置为红外灯或热风口，加热装置运动方式为平动需要在一定高度处铺设轨道，轨道可分为主轨道1和次轨道2，次轨道2装有电机和轮子，可在主轨道上运动；每条次轨道2上有两个加热装置3，加热装置3底部装有电机和轮子，加热装置3能够在次轨道上运动；当需要对某个位置进行加热时，加热装置在次轨道上运动，次轨道在主轨道上运动，按照需要将加热装置移动到指定位置进行加热；
次轨道的工作顺序依次是第一次轨道21，第二次轨道22，第三次轨道23，第四次轨道24和第五次轨道25，第一次轨道21到第五次轨道25上的加热装置3依次负责给区域中最北边的位置到区域中最南边的位置供热；
当加热装置为红外灯时，某点接收到的红外灯辐射照度值q与该点到红外灯轴线距离r和加热电流i有关，某点处接收到的红外灯辐射照度值：
q＝f(r,i)；
当加热装置为热风口时，某点接收到的单位面积加热功率p与该点到热风口的距离l，出风速度v和出风温度t有关，某点处接收的单位面积加热功率：
p＝f(l,v,t)；
协调控制系统的作用是接收位置信息和温度信息，制定控制策略控制相应的加热装置给目标供热；当一个或多个目标处于加热区域中时，需要使各个目标处的辐射照度值或单位面积加热功率达到一定值；当有区域中有m个目标时，为了达到供热要求，协调控制系统制定控制策略，并将控制策略传给需要工作的加热装置；控制策略包括控制哪几个加热装置工作和加热装置以多大的功率进行加热；
具体的控制策略如下：
在存在多个加热装置时，具体加热装置的供热数量及每个加热装置的供热热量的决策方法如下：假设有n个加热装置，编号为：1,l,n；每个加热装置的功率为oi，其中oi>0：共有m个需要供热的位置，编号为：1,l,m，第j个受热源单位时间内需要提供的热量为qj以维持或达到其需要的温度tj，其中j＝1,l,m且qj>0，加热装置i对受热源j单位时间内可提供的热量为pij；
step1：对每个加热装置i计算
step2：设y＝∞，
step3：计算当前方案的目标函数值
step4：根据当前方案x＝(x1x2lxn)2判断当前约束条件是否满足，如果满足则转到step5，否则转到step6；
step5：判断是否还有约束没有检查，如有则取下一个约束作为当前约束，转到step4；否则更新最优决策方案
step6：判断x+1≤(11l1)2是否满足，如满足则取下一个方案，即令x＝x+1作为当前方案，转到step3；否则转到step7；
step7：算法结束，输出最优决策方案
其中，xi是决策变量，0或1中0表示第i个加热装置关闭，开1表示第i个加热装置打开；
使用到达时间差定位算法即tdoa定位算法作为整个定位装置的核心算法，tdoa定位算法是通过一种数学模型建立起来求解的，它主要利用的是数学中双曲线的特性，当存在两个定点的时候，另外一个动点会在以这两个定点为焦点的双曲线上，当同时存在这样的两组或者多组这样的数据结构的时候，这些双曲线的交点就是要求的目标物体的位置。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。
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