利用非接触式测量模块的自动追踪加热系统及方法与流程

本发明涉及制热领域，更具体的说，尤其涉及一种利用非接触式测量模块的自动追踪加热系统及方法。

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，提出了一种利用非接触式测量模块的自动追踪加热系统及方法，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：一种利用非接触式测量模块的自动追踪加热系统，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；

定位装置是通过无线接入点组成的无线局域网络，定位装置以无线接入点的位置信息为基础和前提，采用经验测试和信号传播模型相结合的方式，对已接入的移动设备进行位置定位；用户手持终端进入定位装置覆盖的范围后，通过无线局域网络获得周围各个手持终端的用户发送的信号强度rssi及ap地址，通过rssi进行定位；

所述温度测量装置采用红外辐射测温法的非接触测量法对目标环境温度进行测量，将红外温度传感器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，水平面上的编码器能够获得红外传感器在水平面上的方向与正北的夹角，铅垂面上的编码器能够获得红外传感器的方向与铅垂线之间的夹角，当需要调整红外传感器方向使其正对某个位置时，需要调整红外传感器的方向与铅垂线之间的夹角和在水平面上的方向与正北的夹角，即控制电机使水平面和铅垂面上的两个编码器的输出达到一定值；

所述加热装置为红外灯或热风口，加热装置运动方式为转动，根据需要，将n个加热装置布置一定高度处，将每个加热装置都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；当需要对某个位置进行加热时，调整加热装置的方向使其正对该位置后加热。

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。

一种利用非接触式测量模块的自动追踪加热方法，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；

定位装置是通过无线接入点组成的无线局域网络，定位装置以无线接入点的位置信息为基础和前提，采用经验测试和信号传播模型相结合的方式，对已接入的移动设备进行位置定位；用户手持终端进入定位装置覆盖的范围后，通过无线局域网络获得周围各个手持终端的用户发送的信号强度rssi及ap地址，通过rssi进行定位；

所述温度测量装置采用红外辐射测温法的非接触测量法对目标环境温度进行测量，将红外温度传感器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，水平面上的编码器能够获得红外传感器在水平面上的方向与正北的夹角，铅垂面上的编码器能够获得红外传感器的方向与铅垂线之间的夹角，当需要调整红外传感器方向使其正对某个位置时，需要调整红外传感器的方向与铅垂线之间的夹角和在水平面上的方向与正北的夹角，即控制电机使水平面和铅垂面上的两个编码器的输出达到一定值；

所述加热装置为红外灯或热风口，加热装置运动方式为转动，根据需要，将n个加热装置布置一定高度处，将每个加热装置都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；当需要对某个位置进行加热时，调整加热装置的方向使其正对该位置后加热；当供热的空间较大时，根据需要，将整个平面分成若干个子区域，每个子区域中布置一个加热装置；

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：

在存在多个供热源时，具体供热源的供热数量及每个供热源的供热热量的采用分布式估计算法进行求解：假设有n个供热源，编号为：1,l,n；每个供热源的功率为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，供热源i对受热源j单位时间内可提供的热量为pij；首先采用二进制编码ch＝{x1x2lxn}；可行个体的适应度值为不可行个体的适应度值为值越小个体越好；概率模型为pm(k)＝[α1(k),l,αn(k)]，其中αi(k)表示在第k代供热源i打开的概率；初始化概率模型为pm(k)＝[0.5,l,0.5]，概率模型更新机制为

具体步骤如下：

step1：初始化参数(如：种群规模n，精英率pe，更新率θ，终止条件等)；

step2：初始化概率模型和种群；

step3：计算种群中每个个体的适应度函数值，选出前个个体组成精英种群pe，根据精英种群pe更新概率模型；

step4：采样概率模型生成新种群；

step5：如果终止条件不满足，转到step2；

其中，xi是决策变量，0或1中0表示第i个供热源关闭，开1表示第i个供热源打开；j＝1,l,m和xi＝0or1作为约束条件，其中为目标函数，即最小化总能耗、j＝1,l,m表示各个加热源对受热源提供的热源要大于等于其需要量；和xi＝0or1表示决策变量的取值范围。

所述定位装置的工作包括两个阶段，离线采样阶段和实时定位阶段，离线采样阶段的目标是构建一个关于信号强度与采样点位置间关系的数据库，也就是位置指纹的数据库或无线电地图；为了生成该数据库，需要在需要定位的区域划分网格，建立采样点，使用wlan接收设备在所有的采样点逐个采样，记录每个采样点的位置、所获得的rssi及ap地址信息，对采样数据进行处理后存储在数据库中；实时定位阶段中，用户手持终端在定位装置覆盖的区域内移动，无线局域网络实时接收当前rssi及ap地址，将收集到的当前rssi及ap地址的信息上传到数据库中进行匹配，得到估算位置，并将无线局域网络接收到的信号强弱跟数据库中的众多数据进行匹配，以此实现实时定位。

进一步的，所述匹配算法包括nn算法、knn算法和神经网络算法。

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wlan技术进行定位，可以实现复杂环境中的定位、监测和追踪任务，人员无需随身携带多余设备，仅需将手机接入无线网络中即可，降低整体的成本，且定位精度极高。

6、本发明使用红外温度传感器测量测量目标周围环境温度，实现了非接触测量。

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是本发明利用非接触式测量模块的自动追踪加热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是本发明的工作流程示意图。

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和图3所示，一种利用非接触式测量模块的自动追踪加热系统，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；

定位装置是通过无线接入点组成的无线局域网络，定位装置以无线接入点的位置信息为基础和前提，采用经验测试和信号传播模型相结合的方式，对已接入的移动设备进行位置定位；用户手持终端进入定位装置覆盖的范围后，通过无线局域网络获得周围各个手持终端的用户发送的信号强度rssi及ap地址，通过rssi进行定位；

所述温度测量装置采用红外辐射测温法的非接触测量法对目标环境温度进行测量，将红外温度传感器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，水平面上的编码器能够获得红外传感器在水平面上的方向与正北的夹角，铅垂面上的编码器能够获得红外传感器的方向与铅垂线之间的夹角，当需要调整红外传感器方向使其正对某个位置时，需要调整红外传感器的方向与铅垂线之间的夹角和在水平面上的方向与正北的夹角，即控制电机使水平面和铅垂面上的两个编码器的输出达到一定值；

所述加热装置为红外灯或热风口，加热装置运动方式为转动，根据需要，将n个加热装置布置一定高度处，将每个加热装置都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；当需要对某个位置进行加热时，调整加热装置的方向使其正对该位置后加热。

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。

一种利用非接触式测量模块的自动追踪加热方法，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；

定位装置是通过无线接入点组成的无线局域网络，定位装置以无线接入点的位置信息为基础和前提，采用经验测试和信号传播模型相结合的方式，对已接入的移动设备进行位置定位；用户手持终端进入定位装置覆盖的范围后，通过无线局域网络获得周围各个手持终端的用户发送的信号强度rssi及ap地址，通过rssi进行定位；

所述温度测量装置采用红外辐射测温法的非接触测量法对目标环境温度进行测量，将红外温度传感器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，水平面上的编码器能够获得红外传感器在水平面上的方向与正北的夹角，铅垂面上的编码器能够获得红外传感器的方向与铅垂线之间的夹角，当需要调整红外传感器方向使其正对某个位置时，需要调整红外传感器的方向与铅垂线之间的夹角和在水平面上的方向与正北的夹角，即控制电机使水平面和铅垂面上的两个编码器的输出达到一定值；

所述加热装置为红外灯或热风口，加热装置运动方式为转动，根据需要，将n个加热装置布置一定高度处，将每个加热装置都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；当需要对某个位置进行加热时，调整加热装置的方向使其正对该位置后加热；当供热的空间较大时，根据需要，将整个平面分成若干个子区域，每个子区域中布置一个加热装置；

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：

在存在多个供热源时，具体供热源的供热数量及每个供热源的供热热量的采用分布式估计算法进行求解：假设有n个供热源，编号为：1,l,n；每个供热源的功率为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，供热源i对受热源j单位时间内可提供的热量为pij；首先采用二进制编码ch＝{x1x2lxn}；可行个体的适应度值为不可行个体的适应度值为值越小个体越好；概率模型为pm(k)＝[α1(k),l,αn(k)]，其中αi(k)表示在第k代供热源i打开的概率；初始化概率模型为pm(k)＝[0.5,l,0.5]，概率模型更新机制为

具体步骤如下：

step1：初始化参数(如：种群规模n，精英率pe，更新率θ，终止条件等)；

step2：初始化概率模型和种群；

step3：计算种群中每个个体的适应度函数值，选出前个个体组成精英种群pe，根据精英种群pe更新概率模型；

step4：采样概率模型生成新种群；

step5：如果终止条件不满足，转到step2；

其中，xi是决策变量，0或1中0表示第i个供热源关闭，开1表示第i个供热源打开；j＝1,l,m和xi＝0or1作为约束条件，其中为目标函数，即最小化总能耗、j＝1,l,m表示各个加热源对受热源提供的热源要大于等于其需要量；和xi＝0or1表示决策变量的取值范围。

所述定位装置的工作包括两个阶段，离线采样阶段和实时定位阶段，离线采样阶段的目标是构建一个关于信号强度与采样点位置间关系的数据库，也就是位置指纹的数据库或无线电地图；为了生成该数据库，需要在需要定位的区域划分网格，建立采样点，使用wlan接收设备在所有的采样点逐个采样，记录每个采样点的位置、所获得的rssi及ap地址信息，对采样数据进行处理后存储在数据库中；实时定位阶段中，用户手持终端在定位装置覆盖的区域内移动，无线局域网络实时接收当前rssi及ap地址，将收集到的当前rssi及ap地址的信息上传到数据库中进行匹配，得到估算位置，并将无线局域网络接收到的信号强弱跟数据库中的众多数据进行匹配，以此实现实时定位。

所述匹配算法包括nn算法、knn算法和神经网络算法。

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。