基于心率的睡眠状态下风扇的动态舒适风调控方法及装置与流程

本发明涉及风扇调节领域，具体是基于心率的睡眠状态下风扇的动态舒适风调控方法及装置。
背景技术：
：我国长江流域地区夏季炎热且漫长，空调作为改善室内环境的主要设备而被广泛使用。但长时间的使用空调不仅造成我国的建筑空调能耗日益增长，给我国能耗需求带来的巨大的压力，同时大量事实表明，长期生活在空调环境下，人体的热适应能力将会减弱，导致人体体温调节功能衰退和抗病能力的下降，出现“病态建筑综合征”。睡眠占据着人一生大三分之一的时间，睡眠质量的好坏直接影响到第二天的学习和工作效率。室内环境是影响人体睡眠质量的重要因素，在较冷和较热的环境中，人体均会出现觉醒时间增加，深度睡眠时间减少的现象，降低睡眠质量。舒适的热环境可以避免夜间由于冷或热而醒来的次数，提高睡眠质量.大量的现场调研显示，在一定的热环境范围内，人们更希望通过吹风来改善热环境和提高舒适度。风扇作为一种常用的自然环境下引起空气流动的手段，由于其价格低廉、使用灵活、节能省电等优势而受到人们欢迎，其不仅可以有效地改善自然环境下人员热舒适，提高人员可接受的温度上限，还可以有效减少长期处于空调环境引起的病态建筑综合症，极大地节约能耗。随着技术发展、用户需求和健康节能观念的不断深入，风扇在功能上的改进和提升则成为影响风扇推广使用的关键问题。在睡眠过程中使用风扇主要存在以下几个问题：第一，人们在睡眠阶段使用风扇时，通常在睡前将风扇开启在合适的档位，但随着睡眠加深，人体产热量降低，对风速的需求将不同于临睡状态，然而风速却保持恒定；第二，由于夜间室外温度的降低，房间内的温度也有所下降，但清晨太阳升起后，随着室外温度的上升，室内温度也有所回升，由此看来，睡眠阶段室内温度存在一个v字型的变化，但如若风速保持恒定，并不能满足人体的热舒适的需求；第三，市场上现有的许多风扇都具有睡眠风的模式，但现有的睡眠风模式为自然风模式的变形，风扇风速并不能根据睡眠期间人体生理参数和室内温度变化而产生变化。有些技术提出在睡前要求风扇使用者输入睡眠时长，床褥热阻等参数，自动推算出代谢率变化去调节风扇。但受到个体差异的影响，预设的睡眠时长和计算的代谢率变化并不能准确的反应出使用者在睡眠时段的需求。不可避免会出现风速过大或者过小的问题，影响睡眠。技术实现要素：本发明的目的是解决现有技术中存在的问题。为实现本发明目的而采用的技术方案如下，基于心率的睡眠状态下风扇的动态舒适风调控装置，主要包括风扇、环境参数采集模块、心率采集模块、代谢率计算模块、处理模块、控制模块、风速调节模块和单片机。所述风扇开启时，处于睡眠风模式。每隔k周期，所述环境参数采集模块采集周围环境的温度、湿度和平均辐射温度，并发送至处理模块。每隔k周期，所述心率采集模块监测使用者的心率信号hr，并发送至代谢率计算模块。所述心率采集模块为智能手环。所述代谢率计算模块对所述心率信号进行处理，得到使用者的代谢率信号，并发送至处理模块。hr≥75，代谢率信号f(met)＝1.0met,误差范围为[-0.1met.0.1met]。hr位于区间[65,75),代谢率信号f(met)＝0.9met,误差范围为[-0.1met.0.1met]。hr位于区间[55,65),代谢率信号f(met)＝0.8met,误差范围为[-0.1met.0.1met]。hr<55,代谢率信号f(met)＝0.7met,误差范围为[-0.1met.0.1met]。所述处理模块预设床褥热阻值。所述处理模块存储标准有效温度set计算模型和风扇风速与温度耦合模型。所述标准有效温度set计算模型对周围环境的温度、湿度、平均辐射温度、代谢率信号和预设的床褥热阻值进行处理，得到标准有效温度set信号。所述处理模块判断标准有效温度set信号是否位于区间[k1，k2]内，若是，则将标准有效温度set信号输入到风扇风速与温度耦合模型中。若标准有效温度set信号<k1，则所述处理模块向控制模块发送最小风速信号。若标准有效温度set信号>k2，则所述处理模块向控制模块发送最大风速信号。所述风扇风速与温度耦合模型对标准有效温度set信号进行处理，得到人体热感觉tsv＝0时的基准风速v0、人体热感觉tsv＝0.5时的最小风速vmin和人体热感觉tsv＝-0.5时的最大风速vmax，。所述控制模块预设风速波动周期t。所述控制模块接收到基准风速v0、风速上限vmax和风速下限vmin时，生成正弦波动函数，并反馈至风速调节模块。所述控制模块接收到最小风速信号时，生成最小风速调控信号，并反馈至风速调节模块。所述控制模块接收到最大风速信号时，生成最大风速调控信号，并反馈至风速调节模块。所述风速调节模块基于正弦波动函数、最大风速调控信号或最小风速调控信号，调节风扇风速。所述环境参数采集模块、代谢率计算模块、处理模块、控制模块、风速调节模块集成在单片机中。使用基于心率的睡眠状态下风扇的动态舒适风调控装置的方法，主要包括以下步骤：1)开启风扇，并将风扇调节至睡眠模式。2)每隔k周期，所述环境参数采集模块采集周围环境的温度、湿度和风扇的平均辐射温度，并发送至处理模块。3)每隔k周期，所述心率采集模块监测使用者的心率信号，并发送至代谢率计算模块。所述代谢率计算模块对所述心率信号进行处理，得到使用者的代谢率信号，并发送至处理模块。4)所述处理模块存储标准有效温度set计算模型和风扇风速与温度耦合模型。所述标准有效温度set计算模型对周围环境的温度、湿度、风扇的平均辐射温度、代谢率信号和预设的床褥热阻值进行处理，得到标准有效温度set信号。5)若标准有效温度set信号位于区间[k1，k2]内，则所述处理模块将标准有效温度set信号输入到风扇风速与温度耦合模型中，并转入步骤6。若标准有效温度set信号<k1，则所述处理模块向控制模块发送最小风速信号，并转入步骤7。若标准有效温度set信号>k2，则所述处理模块向控制模块发送最大风速信号，并转入步骤8。6)若风扇风速与温度耦合模型接收到标准有效温度set信号，则风扇风速与温度耦合模型对标准有效温度set信号进行处理，得到人体热感觉tsv＝0时的基准风速v0、人体热感觉tsv＝0.5时的最小风速vmin和人体热感觉tsv＝-0.5时的最大风速vmax，并反馈至控制模块。所述不同热感觉tsv投票下风扇风速与温度耦合模型如下所示：tsv＝-0.5时，最大风速vmax＝a×set+b1。(2)tsv＝0时，基准风速v0＝a×set+b0。(3)tsv＝0.5时，最小风速vmin＝a×set+b2。(4)式中，v为风速。a、b0、b1、b2为经验值。所述控制模块基于预设的风速波动周期t、基准风速v0、风速上限vmax和风速下限vmin，生成正弦波动函数信号，并反馈至风速调节模块。正弦波动函数如下所示：式中，t表示调节时间，t表示正弦波动的周期。7)若所述控制模块接收到最小风速信号，则生成最小风速调控信号，并发送至风速调节模块。8)若所述控制模块接收到最大风速信号，则生成最大风速调控信号，并发送至风速调节模块。9)若风速调节模块接收到正弦波动函数信号，则调节风扇风速在风速上限vmax和风速下限vmin范围内正弦波动变化。若风速调节模块接收到最小风速调控信号，则调节风扇风速维持最小风速vmin不变。若风速调节模块接收到最大风速调控信号，则调节风扇风速维持最大风速vmax不变。本发明的技术效果是毋庸置疑的。本发明提供的风扇可以通过监测室内热环境参数变化以及睡眠期间人体代谢率(产热量)变化实现自动调节风扇风速的智能化控制方法。本技术通过实时监测睡眠阶段人体心率变化，将心率变化和代谢率变化相关联，结合房间环境参数变化，基于人体热舒适理论，在设定间隔时间内自动反馈计算风速变化范围，输出动态波动气流。一方面为现有风扇睡眠风调控技术提供了理论支撑；另一方面风扇根据人体实时生理参数信号和房间温度变化调整风速大小，避免了人员整晚在恒定气流下因为过冷或者因为过热而醒来，影响睡眠质量。附图说明图1为风扇风速动态调控流程图；图2为标准有效温度和适宜风速变化区间示意图；图3为风速正弦周期变化示意图；图4为整晚风速变化示意图。图5为整晚人体心率和代谢率变化示意图。具体实施方式下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。实施例1：参见图1至图2，基于心率的睡眠状态下风扇的动态舒适风调控装置，主要包括风扇、环境参数采集模块、心率采集模块、代谢率计算模块、处理模块、控制模块、风速调节模块和单片机。所述风扇开启时，处于睡眠风模式。每隔k周期，所述环境参数采集模块采集周围环境的温度、湿度和风扇的平均辐射温度，并发送至处理模块。每隔k周期，所述心率采集模块监测使用者的心率信号hr，并发送至代谢率计算模块。所述心率采集模块为智能手环。所述代谢率计算模块对所述心率信号进行处理，得到使用者的代谢率信号，并发送至处理模块。代谢率信号和心率信号对应关系如下：hr≥75，代谢率信号f(met)约为1.0met,误差范围为[-0.1met.0.1met]。hr位于区间[65,75),代谢率信号f(met)约为0.9met,误差范围为[-0.1met.0.1met]。hr位于区间[55,65),代谢率信号f(met)约为0.8met,误差范围为[-0.1met.0.1met]。hr<55,代谢率信号f(met)约为0.7met,误差范围为[-0.1met.0.1met]。所述处理模块预设床褥热阻值。所述处理模块存储标准有效温度set计算模型和风扇风速与温度耦合模型。所述标准有效温度set计算模型对周围环境的温度、湿度、风扇的平均辐射温度、代谢率信号和预设的床褥热阻值进行处理，得到标准有效温度set信号。所述处理模块判断标准有效温度set信号是否位于区间[k1，k2]内，若是，则将标准有效温度set信号输入到风扇风速与温度耦合模型中。若标准有效温度set信号<k1，则所述处理模块向控制模块发送最小风速信号。若标准有效温度set信号>k2，则所述处理模块向控制模块发送最大风速信号。所述风扇风速与温度耦合模型即为通过实验所得在人体不同热感觉(tsv)下风速v与标准有效温度set之间的数学计算模型。通过计算，得到人体热感觉tsv＝0，即人体感觉到不冷不热时的基准风速v0、人体热感觉tsv＝0.5时的最小风速vmin，即人体感觉到稍暖和人体热感觉tsv＝-0.5，即人体感觉到稍冷时的最大风速vmax。所述不同热感觉tsv投票下风扇风速与温度耦合模型如下所示：tsv＝-0.5时，最大风速vmax＝a×set+b1；(2)tsv＝0时，基准风速v0＝a×set+b0；(3)tsv＝0.5时，最小风速vmin＝a×set+b2；(4)式中，v为风速；a、b0、b1、b2为经验值；经验值a、b0、b1、b2在不同代谢率下的取值不一样。根据实验，相关经验值取值如下表所示：表1a、b0、b1、b2取值代谢率ab0b1b21.0met0.22-6.3-6-6.60.9met0.21-6-5.7-6.30.8met0.32-8.9-8.5-9.10.7met0.31-8.6-8.4-8.8所述控制模块预设风速波动周期t。所述控制模块接收到基准风速v0、风速上限vmax和风速下限vmin时，生成正弦波动函数，并反馈至风速调节模块。所述控制模块接收到最小风速信号时，生成最小风速调控信号，并反馈至风速调节模块。所述控制模块接收到最大风速信号时，生成最大风速调控信号，并反馈至风速调节模块。所述风速调节模块基于正弦波动函数、最大风速调控信号或最小风速调控信号，调节风扇风速。所述环境参数采集模块、代谢率计算模块、处理模块、控制模块、风速调节模块集成在单片机中。实施例2：参见图3至图5，使用基于心率的睡眠状态下风扇的动态舒适风调控装置的方法，主要包括以下步骤：1)开启风扇，并将风扇调节至睡眠模式。2)每隔k周期，所述环境参数采集模块采集周围环境的温度、湿度和风扇的平均辐射温度，并发送至处理模块。k＝20min。3)每隔k周期，所述心率采集模块监测使用者的心率信号，并发送至代谢率计算模块。所述代谢率计算模块对所述心率信号进行处理，得到使用者的代谢率信号，并发送至处理模块。4)所述处理模块存储标准有效温度set计算模型和风扇风速与温度耦合模型。所述标准有效温度set计算模型对周围环境的温度、湿度、风扇的平均辐射温度、代谢率信号和预设的床褥热阻值进行处理，得到标准有效温度set信号。本实施例采用加州大学伯克利分校的建筑环境中心利用excel软件编制的set计算程序，将测试得到的热环境参数输入标准有效温度set计算模型，经计算可得标准有效温度set的值。标准有效温度set的定义为：身着标准服装(热阻0.6clo)的人处于相对湿度50％、空气近似静止、空气温度与平均辐射温度相同的环境中，若此时的平均皮肤温度和皮肤湿度与某一实际环境和实际服装热阻条件下相同，则人体在标准环境和实际环境中会有相同的散热量，此时标准环境的空气温度就是实际所处环境的标准有效温度set。5)若标准有效温度set信号位于区间[k1，k2]内，则所述处理模块将标准有效温度set信号输入到风扇风速与温度耦合模型中，并转入步骤6。k1＝27.9℃,k2＝33℃。若标准有效温度set信号<k1，则所述处理模块向控制模块发送最小风速信号，并转入步骤7。若标准有效温度set信号>k2，则所述处理模块向控制模块发送最大风速信号，并转入步骤8。6)若风扇风速与温度耦合模型接收到标准有效温度set信号，则风扇风速与温度耦合模型对标准有效温度set信号进行处理，得到人体热感觉tsv＝0时的基准风速v0、人体热感觉tsv＝0.5时的最小风速vmin和人体热感觉tsv＝-0.5时的最大风速vmax，并反馈至控制模块。vmin＝0m/s，vmax＝1.5m/s。所述不同热感觉tsv投票下风扇风速与温度耦合模型如下所示：tsv＝-0.5时，最大风速vmax＝a×set+b1。(2)tsv＝0时，基准风速v0＝a×set+b0。(3)tsv＝0.5时，最小风速vmin＝a×set+b2。(4)式中，v为风速。a、b0、b1、b2为经验值。经验值a、b0、b1、b2由代谢率met决定。所述控制模块基于预设的风速波动周期t、基准风速v0、风速上限vmax和风速下限vmin，生成正弦波动函数信号，并反馈至风速调节模块。其中，风速波动的幅值为(vmax-vmin)/2，正弦波向风速正半轴的偏移量为v0。正弦波动函数如下所示：式中，t表示调节时间，t表示正弦波动的周期。7)若所述控制模块接收到最小风速信号，则生成最小风速调控信号，并发送至风速调节模块。8)若所述控制模块接收到最大风速信号，则生成最大风速调控信号，并发送至风速调节模块。9)若风速调节模块接收到正弦波动函数信号，则调节风扇风速在风速上限vmax和风速下限vmin范围内正弦波动变化。对于正态调控风机转速，采用脉宽调制(pwm)控制技术，通过对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形，从而实现对风扇转速的正弦变化控制，输出正弦波动风速。若风速调节模块接收到最小风速调控信号，则调节风扇风速维持最小风速vmin不变。若风速调节模块接收到最大风速调控信号，则调节风扇风速维持最大风速vmax不变。本调控策略通过监测人体代谢率对风扇的风速进行调控，同理也可以对空调的设定温度进行动态调控。实施例3：一种使用基于心率的睡眠状态下风扇的动态舒适风调控装置的实验，实验步骤具体参见实施例2。实验结果如表2所示：表2整晚受试者心率变化及风速变化计算表当前第1页12