利用可穿戴设备实现空调温度控制的系统及方法与流程

本发明涉及智能家居领域，特别是涉及一种实现空调温度自动控制的系统和方法。

背景技术：

市场上现有空调中在使用者入睡状态下，自动控制温度的功能有“睡眠模式”，其做法是，在睡眠模式开启后经过一定时间后将输出温度调低(冬天)或调高(夏天)几度。这个功能在一定程度上考虑了人体在入睡后体温会有一定程度的下降这一生理变化节律，但是最主要的目的是通过这种降低空调运行功率的方式降低能耗。

但是需要注意的是，这个功能并没有考虑到人体睡眠时生理节律的变化，入睡后，随着睡眠的深入，人体体温会随之下降，当到达某个时间点以后，人体体温会随时间上升，直到醒来，随着人体完全清醒，体温会上升达到人体白天活动时的体温。因此，从睡眠的整个过程来看，单一地升高(夏天)或降低(冬天)空调的输出温度并不能完全适应人体在睡眠过程中的体温变化情况。另外，人体处于不同睡眠阶段时体温变化情况也不一样，每晚睡眠状态的变化也会导致体温变化节律的变化，因此单一的“睡眠模式”不能适应人体每晚睡眠的需求。

考虑到温度对人体睡眠状态的影响，当睡眠状态发生变化时空调输出温度也应该随之变化，不适当的空调输出温度会使得室内温度不适宜人体入睡，影响人体睡眠质量，甚至导致疾病的发生。因此设计能根据人体睡眠节律变化自动调节空调温度的系统十分必要。另外，由于每个人每晚睡眠状况差异巨大，因此相应的，根据不同个体所处睡眠状态设计个性化的实时空调温度调节系统十分必要。

技术实现要素：

基于上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种利用可穿戴设备实现空调温度控制的系统及方法，利用可穿戴设备测量人体的睡眠状况、出汗程度、体表温度、环境温度等信息，自动计算空调的合理输出温度。

本发明的一种利用可穿戴设备实现空调温度控制的系统，该系统包括依序连接的人体睡眠状态实时监测模块101、人体皮电测量模块102、温度测量模块103、数据分析处理模块104和空调温度控制模块105，人体睡眠状态实时监测模块101、人体皮电测量模块102和温度测量模块105集成于可穿戴设备上，使用时佩戴在使用者的腕部进行自动测量，其中：

人体睡眠状态实时监测模块101，实时监测人体实时睡眠状态，以判断被测试者睡眠过程中是否有睡眠状态变化的趋势；

人体皮电测量模块102，测量人体皮肤表面电阻并得出人体皮肤出汗程度；

温度测量模块103，包含两个温度传感器：一个测量人体皮肤温度，另一个测量人体体表附近空气温度；

数据分析处理模块104，收集空调当前的设定温度，使用人体睡眠状态实时监测模块发送的人体实时睡眠状态数据计算人体睡眠状态实时变化趋势d；分析处理以上收集到的数据，并计算空调温度调节量；

空调温度控制模块105，接收数据分析处理模块发送的温度值控制空调温度升降；

所述人体睡眠状态实时变化趋势d定义为使用者睡眠过程中某时刻是否有睡眠状态变化的可能(或概率)，将d的值按以下规则选取：

清醒向浅睡转变时，d>0；

浅睡向深睡转变时，d>0；

深睡向浅睡转变时，d<0；

浅睡向清醒转变时，d<0；

d的取值范围限定为-1～1，即-1<d<1。

数据分析处理模块(104)收集相关数据后采用，通过下式计算空调的合理输出温度：

T_n＝T+a×d×H+b×d×(T₁-T₂)

即默认空调需要增大或减小的温度量正比于人体皮肤温度和周围空气温度的温差，并且系数的正负与人体是否有觉醒趋势相关；

或者采用考虑更复杂因素的公式如下：

T_n＝α×T+β×d×H+γ×d×T₁+δ×d×T₂+τ

其中，空调的合适温度T_n是H、T₁、T₂、T的线性函数，其中α、β、γ、δ、τ为参数；人体睡眠状态实时变化趋势d作为参数α、β、γ、δ、τ的权重参与计算。

所述系统同时收集、存储并分析接收到的每个使用者的数据，并且分别进行处理，得到分别针对每个使用者的合适空调温度值，对这些温度值取平均，作为空调实际应该调节的温度值，以兼顾不同使用者的生理状态；对温度序列取加权平均，权重值至少包括性别、年龄、体重、健康状况参数确定。

本发明的一种利用可穿戴设备测量人体睡眠状态实现控制空调温度的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、系统启动，初始化，数据分析处理模块收集空调当前的设定温度；

步骤2、睡眠状态实时监测模块向数据分析处理模块发送与人体睡眠状态相关的数据，数据分析处理模块通过对这些数据进行分析，得到人体睡眠状态实时变化趋势d，并存储；

步骤3、人体皮电测量模块测量人体皮肤表面电阻，并计算出人体皮肤出汗程度H并存储，向数据分析处理模块发送人体皮肤出汗程度数据；

步骤4、温度测量模块测量并向数据分析处理模块发送人体皮肤温度T₁和皮肤附近空气温度T₂并存储；

步骤5、数据分析处理模块调用空调当前已设定的温度T；

步骤6、数据分析处理模块接收并存储以上数据，并根据这些数据计算下一时刻空调应该输出的温度T_n，存储并发送给空调温度控制模块；

步骤7、空调控制模块将空调输出温度设定为T_n；

步骤8、间隔时间到后重复步骤(2)～步骤(7)。

所述人体睡眠状态实时变化趋势d定义为使用者睡眠过程中某时刻是否有睡眠状态变化的可能(或概率)，将d的值按以下规则选取：

清醒向浅睡转变时，d>0；

浅睡向深睡转变时，d>0；

深睡向浅睡转变时，d<0；

浅睡向清醒转变时，d<0；

将d的取值范围限定为-1～1，即-1<d<1。

所述数据分析处理模块收集相关数据后采用，通过下式计算空调的合理输出温度：

T_n＝T+a×d×H+b×d×(T₁-T₂)

即默认空调需要增大(或减小)的温度量正比于人体皮肤温度和周围空气温度的温差，并且系数的正负与人体是否有觉醒趋势相关；

或者采用考虑更复杂因素的公式如下：

T_n＝α×T+β×d×H+γ×d×T₁+δ×d×T₂+τ

其中，空调的合适温度T_n是H、T₁、T₂、T的线性函数，其中α、β、γ、δ、τ为参数；人体睡眠状态实时变化趋势d作为参数α、β、γ、δ、τ的权重参与计算。

所述方法在运行过程中，同时存储并分析接收到的每个使用者的数据，并且分别进行处理，得到分别针对每个使用者的合适空调温度值，对这些温度值取平均，作为空调实际应该调节的温度值，以兼顾不同使用者的生理状态；对温度序列取加权平均，权重值至少包括性别、年龄、体重、健康状况参数确定。

T_n＝T+a×d×H+b×d×(T₁-T₂)

即默认空调需要增大或减小的温度量正比于人体皮肤温度和周围空气温度的温差，并且系数的正负与人体是否有觉醒趋势相关；

或者采用考虑更复杂因素的公式如下：

T_n＝α×T+β×d×H+γ×d×T₁+δ×d×T₂+τ

其中，空调的合适温度T_n是H、T₁、T₂、T的线性函数，其中α、β、γ、δ、τ为参数；人体睡眠状态实时变化趋势d作为参数α、β、γ、δ、τ的权重参与计算。

所述方法在运行过程中，同时存储并分析接收到的每个使用者的数据，并且分别进行处理，得到分别针对每个使用者的合适空调温度值，对这些温度值取平均，作为空调实际应该调节的温度值，以兼顾不同使用者的生理状态；对温度序列取加权平均，权重值至少包括性别、年龄、体重、健康状况参数确定。

与现有技术相比，本发明基于人体睡眠状态及其变化趋势、人体出汗程度，自动跟踪体温和室温，采用检测人体生理节律的方法，克服了传统空调温度自动调节的单一模式，可以对空调温度进行自动的实时的控制，并且很好地适应人体睡眠节律变化，避免睡眠过程中温度调节导致的人体不适，在某种程度上具有促进睡眠等优点；并且可以兼顾不同使用者的生理状态。

附图说明

图1为本发明的一种利用可穿戴设备实现空调温度控制的系统结构示意图；

图2为本发明的一种利用可穿戴设备实现空调温度控制的方法整体流程示意图；

图3为数据分析处理模块中的空调的合理输出影响因素的数学模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，为本发明的一种利用可穿戴设备实现空调温度控制的系统，该系统包括人体睡眠状态实时监测模块101、人体皮电测量模块102、温度测量模块103、数据分析处理模块104和空调温度控制模块105，人体睡眠状态实时监测模块101、人体皮电测量模块102和温度测量模块103集成于可穿戴设备上，使用时佩戴在使用者的腕部进行自动测量，其中：

人体睡眠状态实时监测模块101，实时监测人体实时睡眠状态，以判断被测试者睡眠过程中是否有睡眠状态变化的趋势；

人体皮电测量模块102，测量人体皮肤表面电阻并得出人体皮肤出汗程度；

温度测量模块103，包含两个温度传感器：一个测量人体皮肤温度，另一个测量人体体表附近空气温度；

数据分析处理模块104，收集空调当前的设定温度，使用人体睡眠状态实时监测模块发送的人体实时睡眠状态数据计算人体睡眠状态实时变化趋势d；分析处理以上收集到的数据，并计算空调温度调节量；

空调温度控制模块105，接收数据分析处理模块发送的温度值控制空调温度升降。

基于上述的技术方案，本发明具体实施方式列举如下：

人体皮电测量模块集成在可穿戴设备上，并佩戴在使用者腕部。可穿戴设备运行时收集人体皮肤表面电阻相关数据，并处理得出人体出汗程度数据。

温度测量模块集成在可穿戴设备上，并佩戴在使用者腕部。可穿戴设备运行时收集人体实时皮肤温度以及皮肤表面空气温度，方法如下：

测量人体实时皮肤温度的温度计置于可穿戴设备上紧贴人体皮肤一侧，并与设备中其余可能发热的电子元件进行热隔离，直接测量设备穿戴处皮肤温度；

测量人体实时皮肤表面空气温度的温度计置于可穿戴设备上远离人体皮肤一侧，并与设备中其余可能发热的电子元件进行热隔离，直接测量设备穿戴处与人体皮肤有一定距离处的空气温度。

人体睡眠状态实时监测模块使用三维加速度传感器测量人体实时手臂动作，并区分动作种类；

使用光电式心率传感器测量可穿戴设备佩戴处脉搏波相关数据并计算实时心率值。

可以将睡眠状态实时监测模块、人体皮电测量模块与温度测量模块集成到同一可穿戴设备上；数据分析处理模块或者作为app安装到智能手机上，或者作为独立设备；可穿戴设备通过蓝牙或其他通讯手段，将数据统一发送至空调温度计算模块。

计算空调输出温度时需要参数a、b或α、β、γ、δ、τ的具体数值，这可以通过一定的实验过程记录相关监测数据，并利用神经网络算法进行深度学习得到合适的参数数值。并且数据分析处理模块应当包含相应的机器学习系统，能够在使用者使用该系统时同时收集用户数据，根据用户实际体验记录用户习惯，不断优化各参数值，形成不同使用者的个性化参数，使得系统应用越来越准确。

空调温度计算模块使用线性或非线性回归，或者神经网络等技术，自动计算合理的空调输出温度。

空调温度计算模块存储系统运行期间的相关数据，包括运行时间、人体睡眠状态变化趋势、人体实时出汗程度、人体实时皮肤温度、实时人体皮肤表面空气温度、空调设定温度等，以便于后期分析处理。

，空调温度计算模块将使用者每次使用本系统期间的相关数据，包括每次使用的运行时间、人体睡眠状态、人体睡眠状态变化趋势、人体实时皮肤表面电阻数据、人体实时出汗程度、人体实时皮肤温度、实时人体皮肤表面空气温度、空调设定温度等数据存储在数据库或磁盘文件等存储介质中，并利用机器学习等方法，模拟用户睡眠模式、空调使用习惯等，以便于优化系统运行时的各方面数据分析，形成更加个性化的空调温度控制系统。

采用了该发明中的通过可穿戴设备测量人体睡眠状态实现控制空调温度的系统及方法，在人体入睡后可以将空调输出温度调节到适宜人体睡眠的温度，避免空调使用者在入睡前设定空调温度过高或过低导致睡眠受到影响，甚至影响健康的情况。并且系统中存储了从系统启动开始的所有历史数据，通过对这些历史数据(尤其是每次通过计算得出的空调输出温度)的分析评估，避免空调一直降低或升高温度所导致的人体被冷醒或热醒的情况。另外，本发明的系统和方法也可以针对类似温度的其他室内环境参数进行控制，例如对空调风向、风速的控制，以及空气湿度的控制，控制过程与温度控制类似，此处不再赘述。

当多个使用者共用同一空调的情况下，若要进行空调温度控制，只需要数据分析处理模块在运行过程中同时存储并分析接收到的每个使用者的数据，并且分别进行处理，得到分别针对每个使用者的合适空调温度值，对这些温度值取平均，作为空调实际应该调节的温度值，以兼顾不同使用者的生理状态。另外也可以对温度序列取加权平均，权重值可以由性别、年龄、体重、健康状况等参数确定。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，用于帮助理解本发明的方法及核心思想，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，所以本说明书内容不应理解为对本发明的限制。