CN111783370A - 一种平推窗开度智能提醒系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平推窗开度智能提醒系统及控制方法，该系统包括：云端服务器以及设置在室内的监测装置，监测装置包括控制器以及与控制器电性连接的容栅传感器、温度传感器、CO₂浓度传感器、PM_2.5浓度传感器，容栅传感器设置在平推窗上，用于监测平推窗的开度；控制器连接有传输模块，控制器通过传输模块与云端服务器通信连接；控制器还连接有语音提示模块，语音提示模块用于播报开窗或关窗语音提示。本发明提供的平推窗开度智能提醒系统及控制方法，能够对平推窗开度以及室内温度、CO₂浓度、PM_2.5浓度等进行监测，考虑了开窗行为对室内空气品质、人体热舒适以及建筑能耗的影响，能够改善平推窗开度监控效率。

Description

一种平推窗开度智能提醒系统及控制方法

技术领域

本发明涉及开窗行为预测技术领域，特别是涉及一种平推窗开度智能提醒系统及控制方法。

背景技术

开窗行为通过影响换气量进而对室内空气品质、人体热舒适以及建筑节能都有重要意义。目前对开窗行为的研究，一方面是根据人体热舒适情况，如室内温度判断是否在人员可承受的范围，或者室外降雨量情况来自动控制窗户开度；另一方面研究是通过研究人员对窗户开度的操控规律，建立各种随机模型进行预测人员的开/关窗行为，已有研究表明当窗户开启面积为0％、25％、50％、75％、100％时，换气次数分别为0.4、1.1、2.0、4.3、9.8(次/h)，可以看出同为开状态，当开窗面积为25％和100％时，换气次数相差近9倍，因此定量化开窗行为可大大提升建筑能耗预测模型的准确度。这两方面的研究往往是脱节的，前者忽视了人员作为室内环境的主控者，不同人员的热舒适敏感度是不同的，针对不同的热舒适情况会做出不同的判断，且人员对窗户的调控原因是复杂的，可能不仅仅是因为热舒适情况或室内空气品质情况，因此全自动化调整窗户开度而忽视人的主观能动性这种方式可行性低。后者研究现还处于较初级阶段，目前已有研究提出的预测模型仅仅只能预测窗户开/关两种状态，但不同窗户开度换气量差别巨大，因此这些预测模型的准确度还有待提高。

此外，传统窗磁传感器能实时利用智能终端采集窗户的开关状态数据，但是它仅能判断窗户开/关两种状态，监测精度较差。运用激光传感器进行监测，激光传感器虽能监测窗户开度数据，但是其受光环境影响较大，而窗户为室内外分界点，且为玻璃材料，对光照反应极为敏感，因此使用激光测量窗户开度极不稳定，且激光传感器造价高，结构复杂，难以维护。通过安装摄像头拍摄窗户状态照片，再将照片带入预先训练好的模型中，判断窗户开度，这一方法虽不需要改变窗户结构，但涉及到住户隐私，难以被住户接受，推广度低。

发明内容

本发明的目的是提供一种平推窗开度智能提醒系统及控制方法，能够对平推窗开度以及室内温度、CO₂浓度、PM_2.5浓度等进行监测，考虑了开窗行为对室内空气品质、人体热舒适以及建筑能耗的影响，能够改善平推窗开度监控效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种平推窗开度智能提醒系统，所述系统包括云端服务器以及设置在室内的监测装置，所述监测装置包括控制器以及与控制器电性连接的容栅传感器、温度传感器、CO₂浓度传感器、PM_2.5浓度传感器，所述容栅传感器设置在平推窗上，用于监测所述平推窗的开度，所述温度传感器、CO₂浓度传感器、PM_2.5浓度传感器分别用于监测室内的温度、CO₂浓度、PM_2.5浓度；所述控制器连接有传输模块，所述控制器通过所述传输模块与所述云端服务器通信连接；所述控制器还连接有语音提示模块，所述语音提示模块用于播报开窗或关窗语音提示。

可选的，所述控制器为单片机处理器。

可选的，所述控制器还连接有显示模块、存储模块、按钮模块、实时时钟模块。

可选的，所述传输模块为无线通信模块，所述无线通信模块为wifi串口模块。

本发明还提供了一种平推窗开度智能提醒控制方法，应用于上述的平推窗开度智能提醒系统，包括以下步骤：

S1，实时监测平推窗的开度，并由控制器传输给云端服务器，判断平推窗的开度与上一时间步长开度是否发生改变，若不改变，则不需启动优化模型，若发生改变，则需进入优化模型；

S2，进入空气品质模型，通过CFD模型与Energyplus模型在BCVTB平台上模拟联合仿真，计算出维持当前窗户开度时房间未来1h的换气量，并判断该换气量是否满足最小通风量要求：若满足要求，则根据该换气量模拟出未来1h内的第一室内温度值，将此值传输给热舒适模型；若不满足要求，则根据每小时最低新风量计算出窗户所需开度，再根据每小时最小换气量模拟出未来1h内的第二室内温度值，并将此值传输给热舒适模型；

S3，在热舒适模型中，需判断模拟出的室内温度值是否在人体热舒适温度范围内：第一，针对第一室内温度值，如果满足热舒适要求，则优化算法结束，认为此条件下窗户开度满足健康、舒适要求且没有空调能耗，不用提示用户改变窗户开度；第二，针对第二室内温度值，如果满足热舒适要求，则优化算法结束，认为在满足最小换气量条件的窗户开度满足健康、舒适要求且没有空调能耗，语音提示用户所需窗户开度；

S4，当第一室内温度值和第二室内温度值均未在热舒适温度范围内时，利用热舒适与能耗综合得分公式，模拟平行计算开窗&关空调以及开窗&开空调两种策略的综合得分情况；

S5，对上述两种策略的综合得分进行比较，分数越低表明该策略更能满足用户对热舒适性及能耗的耦合需求，将得分较低的策略将被推荐给住户。

可选的，所述热舒适与能耗综合得分公式，如下：

式中，S_t为综合得分；w_d为热舒适性权重值，w_e为能耗权重值，w_d和w_e之和为1；T_in,i为i时刻的室内温度，T_up、T_low分别为人体可承受的热舒适最高温度及最低温度；C_i为i时刻空调的开关状态，开为1，关为0。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的平推窗开度智能提醒系统及控制方法，通过云端服务器进行远程监控，通过容栅传感器、温度传感器、CO₂浓度传感器、PM_2.5浓度传感器实现平推窗开度以及室内温度、CO₂浓度、PM_2.5浓度等的实时监测，能够为分析人员热舒适、室内空气品质、建筑能耗预测等三大指示模块提供可靠的数据参考，三大指标模块各算法根据室内外环境参数进行耦合计算，将给人员推荐最优窗户开度，但这仅仅在监测到人员有开窗行为时或者室内空气品质达到某一限值时进行提示，人员充分发挥主关能动性可以选择者自主调节或听从建议调节；该系统研发将对准确量化开窗行为、深入了解居民开窗行为特征、挖掘开窗行为驱动因素、实现建筑能耗模拟软件的准确评估有着深远的意义，也可真正意义上实现指导居民开展节能行为。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中平推窗开度智能提醒系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中平推窗开度智能提醒控制方法的流程图；

图3为本发明实施例中监测装置结构示意图；

图4为本发明实施例中监测装置安装示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种平推窗开度智能提醒系统及控制方法，能够对平推窗开度以及室内温度、CO₂浓度、PM_2.5浓度等进行监测，考虑了开窗行为对室内空气品质、人体热舒适以及建筑能耗的影响，能够改善平推窗开度监控效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的平推窗开度智能提醒系统包括所述系统包括云端服务器以及设置在室内的监测装置，所述监测装置包括控制器以及与控制器电性连接的容栅传感器、温度传感器、CO₂浓度传感器、PM_2.5浓度传感器，所述容栅传感器设置在平推窗上，用于监测所述平推窗的开度，所述温度传感器、CO₂浓度传感器、PM_2.5浓度传感器分别用于监测室内的温度、CO₂浓度、PM_2.5浓度；所述控制器连接有传输模块，所述控制器通过所述传输模块与所述云端服务器通信连接；所述控制器还连接有语音提示模块，所述语音提示模块用于播报开窗或关窗语音提示。

其中，所述控制器为单片机处理器；所述控制器还连接有显示模块、存储模块、按钮模块、实时时钟模块；所述传输模块为无线通信模块，所述无线通信模块为wifi串口模块。

该系统中容栅传感器采用容栅旋转编码器与单片机处理器连接，容栅传感器利用电容耦合作用，通过测量不同电容器上的电信号相位来精密测量位移的电子器件，相较于其他传感器，半圆形的容栅作为测角元件则能够180°无死角转动，方便安装于窗框上，非常适合平推窗开度测量，在价格上也有很大优势，其性能价格比远高于同类传感器。

在本系统中，所述云端服务器为计算单元，可在云端上可进行两部分操作：第一，事先设置好被测房间的基本信息，包含建筑面积、层高、窗户形式、个数、面积、朝向、人员在室人数以及用户对热舒适及能耗的偏好权重等基本信息；第二，内置空气品质模型、热舒适模型以及能耗模型三者耦合的优化算法。通过流场模拟软件CFD、能耗模拟软件Energyplus、以及自行开发的python程序，在美国劳伦斯伯克利国家实验室开发的建筑控制虚拟测试平台(BCVTB)上，实现室内空气品质、人体热舒适、建筑能耗的联合仿真。

所述容栅传感器、温度传感器、CO₂浓度传感器、PM_2.5浓度传感器为探测单元，分别向单片机处理器传输窗户的实时开度、室内温度、二氧化碳浓度以及PM_2.5浓度，其中测量窗户开度的容栅传感器为自主研发，通过容栅的动栅和静栅的相对位移转化为输出信号的相位，再把输出信号经过解调、滤波、放大和整形，形成方波，最后通过鉴相器输出位移信息送给单片机处理器，为匹配研究对象-平开窗，该容栅旋转编码器被研发为半圆形，可测量0-180度的开度范围，并且将单片机处理器、容栅旋转编码器、显示模块、语音提示模块、实时时钟模块、按钮模块，存储模块等封装成了一体机，减小占用空间，如图3所示。

显示、存储、按钮、语音提示、实时时钟、传输模块六个小模块构成辅助模块，各模块作用如下：

(1)显示模块：显示当前时间、存储剩余空间、剩余电量、窗户实时开度；

(2)存储模块：按时间步长存储传感器传输的窗户开度、室内温度、二氧化碳浓度、PM2.5浓度数据；

(3)按钮模块：可调整时间；

(4)语音提示模块：1)当检测到窗户开度发生改变，云端服务器进行计算后会推荐最佳的开窗/开空调策略，该指令发送给单片机处理器，处理器再发送给语音提示模块，给用户进行语音提示，供用户调整开窗策略做参考；2)当处理器检测到室内二氧化碳浓度与PM_2.5浓度高于预先设置的健康阈值，将发送命令给语音提示模块，提示人员需开窗通风；

(5)实时时钟模块：时间信号传输给单片机处理器，单片机处理器会根据时间步长向各传感器发出信号，要求传输数据，也会向存储模块发出信号要求按单位时间步长进行数据存储；

(6)传输模块：通过wifi串口模块连接远程云端服务器，将单片机处理器接收的数据(窗户开度、室内温度、CO₂浓度、PM_2.5浓度)发送给云端服务器，通过模拟软件进行计算，将结果返回给单片机处理器，单片机处理器再进行相应操作。

单片机处理器作为整个系统的核心构件，需要完成以下工作：

(1)接收传感器的数据，并发送给云端服务器进行计算、存储模块进行存储、显示模块进行显示；

(2)判断室内CO₂浓度与PM_2.5浓度是否超过阈值，并将结果传输给语音提示模块；

(3)接收云服务器的运算结果，传输给语音提示模块；

(4)接收按钮模块对时间的调整信号，并反馈给实时时钟模块。

监测装置的操作步骤：

步骤1、给装置上电，并设置实际时间；

步骤2、将该装置OA平面与平推窗转轴方向垂直安装，见图4，保证O点必须在窗户状轴线上，其中装置动栅的起始点在A位置与窗户连接，与窗户联动，当窗户开启一定角度，动栅起始点从A位置移动到B位置，动栅与静栅从开始相对位移为0(完全重合状态)，到相对位移发生改变即弧长AB，根据位移改变量弧长AB值及动栅半径R(默认值)可测算窗户开度，窗户开度＝弧长AB/半径R；

步骤3、安装后，根据窗户实际的完全闭合情况，设置开度基准值，如窗户闭合到极致时，窗户开度值仍然不为0，则需要设置开度基准值，在后续对开度位移进行测算时，系统会自动减去开度基准值。

步骤4、单位时间间隔内(可设置为5min)，单片机处理器会向容栅传感器发出命令，要求测算当前窗户开度，容栅旋转编码器接到指令，根据当前动栅与静栅的相对位移转化为输出信号，测算当前窗户的开度，再经过经过解调、滤波、放大和整形，形成方波，最后通过鉴相器输出位移信息送给单片机处理器，单片机处理器再发出命令给云端服务器进行计算，显示模块进行显示，并同时发送给储存模块进行存储。

如图2所示，本发明还提供了一种平推窗开度智能提醒控制方法，应用于上述的平推窗开度智能提醒系统，包括以下步骤：

S1，实时监测平推窗的开度，并由控制器传输给云端服务器，判断平推窗的开度与上一时间步长开度是否发生改变，若不改变，则不需启动优化模型，若发生改变，则需进入优化模型；

S2，进入空气品质模型，通过CFD模型与Energyplus模型在BCVTB平台上模拟联合仿真，计算出维持当前窗户开度时房间未来1h的换气量，并判断该换气量是否满足最小通风量要求：若满足要求，则根据该换气量模拟出未来1h内的第一室内温度值，将此值传输给热舒适模型；若不满足要求，则根据每小时最低新风量计算出窗户所需开度，再根据每小时最小换气量模拟出未来1h内的第二室内温度值，并将此值传输给热舒适模型；

S3，在热舒适模型中，需判断模拟出的室内温度值是否在人体热舒适温度范围内：第一，针对第一室内温度值，如果满足热舒适要求，则优化算法结束，认为此条件下窗户开度满足健康、舒适要求且没有空调能耗，不用提示用户改变窗户开度；第二，针对第二室内温度值，如果满足热舒适要求，则优化算法结束，认为在满足最小换气量条件的窗户开度满足健康、舒适要求且没有空调能耗，语音提示用户所需窗户开度；

S4，当第一室内温度值和第二室内温度值均未在热舒适温度范围内时，考虑调节窗户开度未能满足人体热舒适，应是室外过冷或者过热条件造成的，此时若要满足人体热舒适条件则需一定能耗(开启空调，提供一定热量/冷量)，利用热舒适与能耗综合得分公式，模拟平行计算开窗&关空调以及开窗&开空调两种策略的综合得分情况；

S5，对上述两种策略的综合得分进行比较，分数越低表明该策略更能满足用户对热舒适性及能耗的耦合需求，将得分较低的策略将被推荐给住户。

可选的，所述热舒适与能耗综合得分公式，如下：

式中，S_t为综合得分；w_d为热舒适性权重值，w_e为能耗权重值，w_d和w_e之和为1；T_in,i为i时刻的室内温度，T_up、T_low分别为人体可承受的热舒适最高温度及最低温度；C_i为i时刻空调的开关状态，开为1，关为0。

其中，T_in,i由能耗模拟软件energyplus与CFD流场模拟软件联合计算得出。

可见，综合得分由两部构成，一是热不舒适得分，由人员对热舒适设置的权重值乘以该时间步长内室内温度与热舒适温度范围的差值的最大值；二是耗能得分，能耗的权重值乘以空调状态值。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的平推窗开度智能提醒系统及控制方法，通过云端服务器进行远程监控，通过容栅传感器、温度传感器、CO₂浓度传感器、PM_2.5浓度传感器实现平推窗开度以及室内温度、CO₂浓度、PM_2.5浓度等的实时监测，能够为分析人员热舒适、室内空气品质、建筑能耗预测等三大指示模块提供可靠的数据参考，三大指标模块各算法根据室内外环境参数进行耦合计算，将给人员推荐最优窗户开度，但这仅仅在监测到人员有开窗行为时或者室内空气品质达到某一限值时进行提示，人员充分发挥主关能动性可以选择者自主调节或听从建议调节；该系统研发将对准确量化开窗行为、深入了解居民开窗行为特征、挖掘开窗行为驱动因素、实现建筑能耗模拟软件的准确评估有着深远的意义，也可真正意义上实现指导居民开展节能行为。

本发明提供的平推窗开度智能提醒系统，通过设置哑变量代表自变量的若干个级别间对开窗影响程度的差异，通过构建回归模型使得每一个哑变量都能得出一个回归系数，可更加详细的解释不同自变量在不同水平下对开窗行为的影响程度，相对于前人研究中一个自变量对应一个回归系数解释开窗行为更具有实际意义。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，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。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种平推窗开度智能提醒系统，其特征在于，包括：云端服务器以及设置在室内的监测装置，所述监测装置包括控制器以及与控制器电性连接的容栅传感器、温度传感器、CO₂浓度传感器、PM_2.5浓度传感器，所述容栅传感器设置在平推窗上，用于监测所述平推窗的开度，所述温度传感器、CO₂浓度传感器、PM_2.5浓度传感器分别用于监测室内的温度、CO₂浓度、PM_2.5浓度；所述控制器连接有传输模块，所述控制器通过所述传输模块与所述云端服务器通信连接；所述控制器还连接有语音提示模块，所述语音提示模块用于播报开窗或关窗语音提示。

2.根据权利要求1所述的平推窗开度智能提醒系统，其特征在于，所述控制器为单片机处理器。

3.根据权利要求1所述的平推窗开度智能提醒系统，其特征在于，所述控制器还连接有显示模块、存储模块、按钮模块、实时时钟模块。

4.根据权利要求1所述的平推窗开度智能提醒系统，其特征在于，所述传输模块为无线通信模块，所述无线通信模块为wifi串口模块。

5.一种平推窗开度智能提醒控制方法，应用于权利要求1-4任一所述的平推窗开度智能提醒系统，其特征在于，包括以下步骤：

S1，实时监测平推窗的开度，并由控制器传输给云端服务器，判断平推窗的开度与上一时间步长开度是否发生改变，若不改变，则不需启动优化模型，若发生改变，则需进入优化模型；

S2，进入空气品质模型，通过CFD模型与Energyplus模型在BCVTB平台上模拟联合仿真，计算出维持当前窗户开度时房间未来1h的换气量，并判断该换气量是否满足最小通风量要求：若满足要求，则根据该换气量模拟出未来1h内的第一室内温度值，将此值传输给热舒适模型；若不满足要求，则根据每小时最低新风量计算出窗户所需开度，再根据每小时最小换气量模拟出未来1h内的第二室内温度值，并将此值传输给热舒适模型；

S3，在热舒适模型中，需判断模拟出的室内温度值是否在人体热舒适温度范围内：第一，针对第一室内温度值，如果满足热舒适要求，则优化算法结束，认为此条件下窗户开度满足健康、舒适要求且没有空调能耗，不用提示用户改变窗户开度；第二，针对第二室内温度值，如果满足热舒适要求，则优化算法结束，认为在满足最小换气量条件的窗户开度满足健康、舒适要求且没有空调能耗，语音提示用户所需窗户开度；

S4，当第一室内温度值和第二室内温度值均未在热舒适温度范围内时，利用热舒适与能耗综合得分公式，模拟平行计算开窗&关空调以及开窗&开空调两种策略的综合得分情况；

S5，对上述两种策略的综合得分进行比较，分数越低表明该策略更能满足用户对热舒适性及能耗的耦合需求，将得分较低的策略将被推荐给住户。

6.根据权利要求5所述的平推窗开度智能提醒控制方法，其特征在于，所述热舒适与能耗综合得分公式，如下：

式中，S_t为综合得分；w_d为热舒适性权重值，w_e为能耗权重值，w_d和w_e之和为1；T_in,i为i时刻的室内温度，T_up、T_low分别为人体可承受的热舒适最高温度及最低温度；C_i为i时刻空调的开关状态，开为1，关为0。

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