CN103994788A

CN103994788A - 室内热舒适性检测***

Info

Publication number: CN103994788A
Application number: CN201410169273.9A
Authority: CN
Inventors: 宋力强; 郭子亮; 李炎
Original assignee: CHINA DOMESTIC ELECTRICAL EQUIPMENT INST
Current assignee: CHINA DOMESTIC ELECTRICAL EQUIPMENT INST
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2014-08-20

Abstract

本发明涉及一种室内热舒适性检测***，该***利用高精度传感器采集空气流速、空气温度、空气湿度及平均辐射温度，结合选择合适代谢率及服装热阻值综合考虑多种环境参数进行室内热舒适性评价；该***包括信息采集模块、信息核心模块、通讯模块、信息处理模块、信息分析软件；其中，信息采集模块为各高精度传感器。信号采集精度高，速度快，扩展功能强；采用无线通讯，低功耗，可移动性强；上位机界面清晰，可操作性强，易存储，绿色软件。

Description

室内热舒适性检测***

技术领域

本发明涉及环境评价技术领域，尤其涉及一种控制人体热舒适性的舒适度检测***。

背景技术

热舒适性指人们对热环境的主观感觉，通常用预计平均热感觉指数（Predicted Mean Vote PMV）和预计不满意者百分数（Predicted Percentageof Dissatisfied PPD）来评价。影响热舒适性的主要因素有空气温度、空气相对湿度、平均辐射温度、相对空气流速、人体活动的代谢率与服装热阻。PMV代表了同一环境下绝大多数人的冷暖感觉，分为7个等级PMV=-3～3，所对应的热感觉分为冷、凉、较凉、适中、较温暖、温暖、热。目前ISO7730标准采用PMV-PPD指标评价热环境推荐值在-0.5～+0.5之间，我国国家标准推荐值在-1.0～+1.0，即人群中允许有20%的人感到不满意。

但是，现有热舒适性的检测技术存在着可移动性不强、传感器精确度不高、环境参数考虑不周等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种实用化的热舒适评价***，本发明采用高精度传感器，结合以无线通讯模块，可以使采集终端更方便的将信号传输至上位机，以做出科学的评价，而且无线通讯使得检测***方便移动，本发明上位机软件无需安装绿色软件。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为室内热舒适性检测***，该***利用高精度传感器采集空气流速、空气温度、空气湿度及平均辐射温度，结合选择合适代谢率及服装热阻值综合考虑多种环境参数进行室内热舒适性评价。

该***包括信息采集模块、信息核心模块、通讯模块、信息处理模块、信息分析软件；其中，信息采集模块为各高精度传感器；

所述信息核心模块为单片机芯片，所采用的C8051F020芯片速度快、自带AD功能，稳定性好，且扩展功能强；所述信息处理模块及信息分析软件界面清晰、可操作性强，反应及时，可生成EXCEL文件，数据易存储；

所述通讯模块选用的CC2530是TI公司推出的最新一代ZigBee处理器，集合了一个高性能的RF收发器与一个工业标准增强性8051MCU，提供101dB的链路质量，具有优秀的接收器灵敏度和良好的抗干扰性，且具有功耗低的优点；

所述信息采集模块与信息核心模块通过功率线、信号线连接；所述信息核心模块和通讯模块、通讯模块和信息处理模块通过串口连接；

所述高精度传感器采用意大利德尔特HD103T高精度微风速传感器测空气流速，采用24VDC供电，风速量程0-5m/s，精度±0.04m/s，输出0-5V，可直接送至单片机的ADC口采集。

采用高性能维萨拉HMP110温湿度传感器对室内温度与相对湿度进行采集；传感器信号，湿度0-2.5V(0-100%RH)，温度0-2.5V(-40-+80℃)可直接连接至单片机ADC输入端口进行采集。

平均辐射温度TR指环境四周表面对人体辐射作用的平均温度，其数值可由各表面温度及人与表面位置关系的角系数确定或用黑球温度计测得。其表达式为

式中，—平均辐射温度,℃;

t_a—空气温度,℃;

t_g—黑球温度,℃;；

C8051F020芯片作为数据采集终端的核心处理器，其内置的8路12位ADC通道可满足***要求，接收来自风速、温湿度、黑球温度三组传感器采集的四路信号，并进行PMV值计算。

无线通讯设备包括CC2530、串口转换电路；所述串口转换电路选用SP3232芯片完成RS-232串口数据的电平转换；通过CC2530无线传输数据至协调器。

热舒适性检测***所需检测的四种环境参数由信号调理电路调整为0-2.5V的模拟电压量，用C8051F020内置的12位ADC通道采集便可。

测量端C8051F020负责采集四种环境参数并发送给协调器，并通过串口将数据上传至PC上位机。所述协调器与PC上位机之间以TI的Z-Stack协议栈为基础进行实现。基于C8051F020为核心设计数据采集终端。

利用串口上传至PC上位机，通过上位机中建立的PMV-PPD模型对室内热环境做出科学的评价。

数据的处理和计算是在上位机中进行的，上位机程序是采用MFC技术实现的，工作是靠定时器驱动的，为了提高定时的精度，程序中使用了多媒体定时器，其工作流程为信息获取并处理、计算、显示。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

1、信号采集精度高，速度快，扩展功能强。

2、采用无线通讯，低功耗，可移动性强。

3、上位机界面清晰，可操作性强，易存储，绿色软件。

附图说明

图1为本发明结构框图。

图2为本发明单片机主芯片电路设计图。

图3为本发明恒流源电路图。

图4为本发明调理电路图。

图5为本发明SP3232串口转换电路设计图。

图6为本发明黑球温度采集流程图。

图7为本发明Z-STACK***初始化流程图。

图8为本发明上位机监视画面图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

图2是单片机电路设计图，其中，单片机的11、14、28、37、64、90引脚接3.3V高电平；38、63、89引脚接地；12引脚VREF与引脚VREF0连接，将ADC08路通道基准电压设置为3.3V；26、27引脚XTAL1、XTAL2接16M外部晶振；5引脚RST外接复位按键；18、20、22、24引脚依次连接湿度、温度、黑球温度、风速4路信号。

如图3-4，图3是恒流源电路图，将电阻变化转换为电压变化，以得到稳定电流。OP07端口3为输入，PT100两端为输出。选用法国KIMO黑球，并在黑球中心配以PT100铂金电阻温度探头通过式（1）得到平均辐射温度TR值。PT100温度传感器是一种由铂金合成材料制作的电阻式温度检测器，耐酸碱、不会变质。它会随着温度的上升而改变电阻值。采用Ω/V变换原理测量。转换原理：电路包括恒流源、信号调理2个单元。恒流源为Is=V/R1，铂电阻PT100两端的电压值Vpt=Is*Rpt=V*Rpt/R1，再经过两级运算放大Uad=Rpt*G1*G2转换成0-2.5V的可测量标准电压。

当终端作为独立的机器使用时，可将PMV值的计算工作交由终端处理器，此时终端可通过12864液晶显示屏显示温度、湿度、风速、黑球温度、PMV值五项参数。当终端作为信号采集设备，并经由无线通讯设备连接至上位机时，其只负责四路环境参数的采集和数字量转换工作。PMV值的计算，及其他分析和显示工作，均交由上位机进行。

无线通讯设备由CC2530与串口转换电路组成，串口选用SP3232芯片完成RS-232串口数据的电平转换。通信及接口电路如图5所示。

空气流速、室内温湿度经信号调理电路均转化为线性的可采集模拟量信号，采集的模拟量信号通过功率线、信号线输入到信息核心模块中。黑球温度计的测量，考虑到PT100电阻的非标准线性关系，需对其进行分段线性化处理，在小温度范围内用式T=AR-B进行近似表示温度和阻值的关系，用最小二乘法进行线性拟合，用-10℃～50℃上的模型计算黑球温度，判断分段，进行线性化处理。程序流程图如图6所示。

测量端C8051F020负责采集4种环境参数并发送给协调器，并通过串口将数据上传至PC上位机。Z-Stack是基于一个时间轮转查询式操作***的，首先将各层初始化，***便等待事件发生（低功耗模式），当事件发生时则唤醒***，开始进入中断处理事件，结束后继续进入低功耗模式，如果同时有几个事件发生，判断优先级，逐次处理事件。基本流程图如图7下所示。

上位机接收到的数据是8位的16进制的ASCII码，每四个ASCII码代表一个32位单精度浮点数，上位机程序首先将获取的字节码转换成单精度浮点数。然后，通过国家标准中规定的PMV和PPD的计算方法对获取的数据和事先设置好的参数合起来进行计算。最后将计算得到的PMV和PPD的值以折线图的形式显示并将获取到的参数、设置的参数以及PMV、PPD的值以列表的形式显示。上位机程序提供了保存的功能，将实验的数据保存到Excel表格中，以便以后能够统计分析使用。

Claims

1.室内热舒适性检测***，其特征在于：该***利用高精度传感器采集空气流速、空气温度、空气湿度及平均辐射温度，结合选择合适代谢率及服装热阻值综合考虑多种环境参数进行室内热舒适性评价；

所述通讯模块选用的CC2530是TI公司推出的最新一代ZigBee处理器，集合了一个高性能的RF收发器与一个工业标准增强性8051MCU，提供101dB的链路质量；

所述高精度传感器采用意大利德尔特HD103T高精度微风速传感器测空气流速，采用24VDC供电，风速量程0-5m/s，精度±0.04m/s，输出0-5V，可直接送至单片机的ADC口采集；

采用高性能维萨拉HMP110温湿度传感器对室内温度与相对湿度进行采集；传感器信号，湿度0-2.5V，温度0-2.5V可直接连接至单片机ADC输入端口进行采集；

平均辐射温度TR指环境四周表面对人体辐射作用的平均温度，其数值可由各表面温度及人与表面位置关系的角系数确定或用黑球温度计测得；

C8051F020芯片作为数据采集终端的核心处理器，其内置的8路12位 ADC通道可满足***要求，接收来自风速、温湿度、黑球温度三组传感器采集的四路信号，并进行PMV值计算；

无线通讯设备包括CC2530、串口转换电路；所述串口转换电路选用SP3232芯片完成RS-232串口数据的电平转换；通过CC2530无线传输数据至协调器；

热舒适性检测***所需检测的四种环境参数由信号调理电路调整为0-2.5V的模拟电压量，用C8051F020内置的12位ADC通道采集便可；

测量端C8051F020负责采集四种环境参数并发送给协调器，并通过串口将数据上传至PC上位机；所述协调器与PC上位机之间以TI的Z-Stack协议栈为基础进行实现；基于C8051F020为核心设计数据采集终端；

利用串口上传至PC上位机，通过上位机中建立的PMV-PPD模型对室内热环境做出科学的评价；

2.根据权利要求1所述的室内热舒适性检测***，其特征在于：单片机的11、14、28、37、64、90引脚接3.3V高电平；38、63、89引脚接地；12引脚VREF与引脚VREF0连接，将ADC08路通道基准电压设置为3.3V；26、27引脚XTAL1、XTAL2接16M外部晶振；5引脚RST外接复位按键；18、20、22、24引脚依次连接湿度、温度、黑球温度、风速4路信号。

3.根据权利要求1所述的室内热舒适性检测***，其特征在于：所述得到稳定电流的电路为，OP07端口3为输入，PT100两端为输出；选用法国KIMO黑球，并在黑球中心配以PT100铂金电阻温度探头通过TR计算公式得到平均辐射温度TR值；PT100温度传感器是一种由铂金合成材料制作的电阻式温度检测器，耐酸碱、不会变质；它会随着温度的上升而改变电阻值；采用Ω/V变换原理测量；转换原理：电路包括恒流源、信号调理2个单元；恒流源为Is=V/R1，铂电阻PT100两端的电压值Vpt=Is*Rpt=V*Rpt/R1，再经过两级运算放大Uad=Rpt*G1*G2转换成0-2.5V的可测量标准电压。

4.根据权利要求1所述的室内热舒适性检测***，其特征在于：当终端作为独立的机器使用时，可将PMV值的计算工作交由终端处理器，此时终端可通过12864液晶显示屏显示温度、湿度、风速、黑球温度、PMV值五项参数；当终端作为信号采集设备，并经由无线通讯设备连接至上位机时，其只负责四路环境参数的采集和数字量转换工作；PMV值的计算，及其他分析和显示工作，均交由上位机进行。

5.根据权利要求1所述的室内热舒适性检测***，其特征在于：测量端C8051F020负责采集4种环境参数并发送给协调器，并通过串口将数据上传至PC上位机；Z-Stack是基于一个时间轮转查询式操作***的，首先将各层初始化，***便等待事件发生，当事件发生时则唤醒***，开始进入中断处理事件，结束后继续进入低功耗模式，如果同时有几个事件发生，判断优先级，逐次处理事件。

6.根据权利要求1所述的室内热舒适性检测***，其特征在于：黑球温度计的测量，考虑到PT100电阻的非标准线性关系，需对其进行分段线性化处理，在小温度范围内用式T=AR-B进行近似表示温度和阻值的关系，用最小二乘法进行线性拟合，用-10℃～50℃上的模型计算黑球温度，判断分段，进行线性化处理。

7.根据权利要求1所述的室内热舒适性检测***，其特征在于：上位机接收到的数据是8位的16进制的ASCII码，每四个ASCII码代表一个32位单精度浮点数，上位机程序首先将获取的字节码转换成单精度浮点数；然后，通过国家标准中规定的PMV和PPD的计算方法对获取的数据和事先设置好的参数合起来进行计算；最后将计算得到的PMV和PPD的值以折线图的形式显示并将获取到的参数、设置的参数以及PMV、PPD的值以列表的形式显示；上位机程序提供了保存的功能，将实验的数据保存到Excel表格中，以便以后能够统计分析使用。

8.根据权利要求1所述的室内热舒适性检测***，其特征在于：所述平均辐射温度TR的表达式如下

式中，—平均辐射温度,℃;

t_a—空气温度,℃;

t_g—黑球温度,℃。