引言

節(jié)能是人類永恒的課題，是人類可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。事實證明，家庭用電業(yè)已成為能量消耗的很大一部分。研究并設計一套節(jié)能的家居系統(tǒng)具有現實的意義。本文參考有關資料，建立視覺舒適度和光照度的定量關系的數學模型和熱舒適度模型。傳統(tǒng)的基于溫度和濕度控制的方法顯得粗糙，不能滿足人們對于熱舒適度的需求。因為影響人體熱舒適性的因素除上述兩個之外，還包括風速、平均輻射溫度、人體的新陳代謝率和衣服的熱阻。室內是否呈現熱舒適性是這6個因素綜合作用的結果。單純地控制溫度和濕度不能達到人們在熱舒適性和節(jié)能方面的要求，而選擇熱舒適性指標，即PMV控制指標才能達到舒適性和節(jié)能的和諧統(tǒng)一。

在日常生活中，不同的活動有不同的最適宜亮度，使眼睛處于舒適感的狀態(tài)，過亮或過暗的光照環(huán)境多少都會造成眼睛的不適，甚至視覺能力的損害，很多情況下都會增加家庭耗能。因此，研究家庭成員在各種場景中的最適光照亮度顯得很必要。影響視覺舒適度的因素很多，主要因素有光環(huán)境、色調、照度等?？紤]到視覺舒適度是心理感覺量，其數學模型以韋伯-費昔勒定律為基礎。

1熱舒適度的評價指標

PMV即預測平均投票數。它是丹麥科學家Fanger教授提出的表征人體感受冷熱溫度的評價指標，代表了同一個環(huán)境下大多數人的感受冷熱感覺的平均。PMV-PDD熱舒適模型確立人體體溫調節(jié)的數學模型，其有7級感覺，分別是冷(一3)、涼(一2)、稍涼(一1)、中性(0)、稍暖(1)、暖(2)、熱(3)。PMV熱舒適模型將人體的冷熱感覺歸于6個因素。2個人為因素，包括人體的新陳代謝率和服裝熱阻。4個環(huán)境因素，包括空氣溫度、濕度、風速和平均輻射溫度。PMV的公式模型是基于體溫調節(jié)和熱平衡理論得出的。如果將人看成是一個系統(tǒng)，那么人與環(huán)境之間的熱交換遵循熱力學第一定律，即：

S=M—W—R—C—E—Q

其中,S為人體蓄熱率,M為人體新陳代謝率，W為人體所作的有用功,R為著裝人體外表面與環(huán)境的輻射換熱量，C為著裝人體外表面與環(huán)境的對流換熱量,E是皮膚擴散蒸發(fā)、汗液蒸

發(fā)和呼吸所造成的散熱量，最后的Q為熱舒適系統(tǒng)輸出能量。

人體的在環(huán)境中達到熱平衡，則人體的蓄熱率S=0。人體通過生理過程，比如發(fā)抖、出汗和調節(jié)皮膚血流量等過程，保持新陳代謝所產生的熱量和身體失熱量的平衡。在前人的基礎上，Fanger選了很多人做樣本，進行了很多的人體實驗，得出了PMV熱舒適模型指標。在此基礎上，聯系PMV指標和預測不滿意百分率(PPD)的關系，把它們結合起來，用PMV-PPD指標作為評價熱舒適性的指標。PMV適用于溫度波動不大、風速較小，并且偏中性的熱環(huán)境中。事實證明這些環(huán)境下用PMV指標來預測熱環(huán)境的舒適度是完全正確的，是可取的。

1.1PMV指標的計算

一般情況下，可以按下面的公式來計算PMV指標：

PMV=[0.303exp(—0.036M)+0.0275]X

[(M—W)—H—Ec—Cres—Eres]

其中,M為人體新陳代謝率，決定于人體的活動量大小，單位是W/m；W是人體做的有用功;H代表人體表面的對流、輻射所產生的熱損耗；Ec是皮膚上的散熱和出汗散熱量；Cres為呼吸中的顯熱損失量；Eres為呼吸中的潛熱損失量。下面是幾個分量的計算式：

H=3.96X10-8X々[(為+273)4—(t,+273)4]+/；XhcX(為一矽)

Ec=3.05X10-3X[5733—6.99(M—W)—

0.42X[(M—W)—58.15]

Cres=0.0014XMX(34—席

Eres=1.72X10-5XMX(5867—庭

婦=35.7—0.028(M—W)—以3.96X10-8Xf；伯+273)4—

(tr+273)4]+^fclXhcX(tcl—式中%—進行迭代運算；

h—對流熱交換系數，單位是W/(m2-K)；

婦—服裝的熱阻，單位是m2-K/W；

tr—平均輻射溫度，單位是。C；

Var風速，單位是m/s；

t—人體周圍空氣溫度，單位是。C；

Pa—人體周圍空氣的水蒸氣分壓力，單位是Pa。

如果(2.38X(tcl-taP5212.1x/V)，則：

hc=2.38X(tci-t滬

否則:hc=12.1X鳳

如果0<0.078)，則:

f=1.00+1.29%否則:f=1.05+0.645I”

事實上，即使大多數人表示滿意的熱環(huán)境，由于人與人之間生理等方面的差別，仍然會有人感到不滿意。為了說明這個關系，可用PPD指標(預期限不滿意百分率)來表示對熱環(huán)境不滿意的百分率。PPD的計算公式為：

PPD=100—95Xexp[—(0.03353XPMV4+0.2179XPMV2)]

該公式是Fanger教授經過大量的實驗總結出來的經驗公式。另外，Fanger教授的最初實驗對象是西方國家的近1400名受試者，教授在最近的文獻中指出，不同地區(qū)的人存在著差異，應該乘以0.5~1.0的修正系數。對于中國,該修正系數為0.7?，F在，PMV指標的理論基礎非常成熟，且有大量的實驗數據作為考證，它是目前評價人體熱舒適度最完善的指標，故在世界范圍內迅速得到推廣[2]。

1.2環(huán)境因素對PMV的影響分析

假設著裝人體的服裝熱阻為0.5clo,人的新陳代謝率為1Met，利用Matlab，再根據PMV的計算公式，就可以畫出各個因素對PMV值的影響。圖1反映了PMV的變化。

(a)PMV在不同的平均輻射溫度下(b)PMV在不同的空氣溫度下

隨空氣溫度的變化曲線隨平均輻射溫度的變化曲線

(c)PMV在不同的空氣溫度下(d)PMV在不同的空氣溫度下

對濕度的變化曲線隨風速的變化曲線

圖1PMV的變化情況示意圖

根據圖1可以得到，PMV隨著空氣溫度和平均輻射溫度的升高，而呈現線性的增長，這兩個因素對PMV的影響效果幾乎相同,并且相當明顯。相對濕度對PMV的影響相對不明顯,PMV的變化比較平緩，但隨著相對濕度的增加，還是會增大PMV,并且看到室內平均溫度較高時(30。。)，相對PMV增長越快，從曲線的陡峭程度可以看出。這說明在氣溫較高時,相對濕度這個因素變得更加重要。因此，在夏季氣溫較高時,可以降低相對濕度，從而不需要大幅度地調低溫度值。這樣在讓人舒適上，它們的效果是一樣的。風速對于PMV的影響從圖1中可以看到，當室內溫度較高時，風速越大，會增加PMV。設想在高溫下，風會帶動暖氣流朝人撲打過來，人會不舒服，而在較低溫度下，風速會使PMV減小。從曲線陡峭

程度看出，外界環(huán)境溫度越高，風速對PMV的貢獻越?。欢鴾囟仍降?，風速對熱舒適性的影響越大。

由上面的分析可以得知，空氣的溫度越高，相對濕度越大,平均輻射溫度越高，風速越小，PMV就越大，人會感到越熱。反之，PMV越小，人會感到冷。各個環(huán)境因素對于PMV的貢獻不同，空氣溫度和平均輻射溫度對PMV影響最大，風速的影響次之，而相對濕度的影響最小。根據人體的平時活動量大小，不同季節(jié)穿衣服多少以及家庭成員的家庭活動類型,粗略地進行計算機模擬，得到幾種場景下使PMV接近中性,即人體感到舒服狀態(tài)所要設定的室內溫度、空氣溫度、平均輻射溫度、相對濕度和空氣流通速度(風速)。

這里我們先做幾點假設:

靜靜的平躺時人體新陳代謝率為1Met，即58.15m2-K/W；

一般情形，人的新陳代謝率為1.2Met，即69.78m2?K/W；

夏天，認為人呆在室內著裝的衣服熱阻為0.3clo,冬天為0.7clo；

房間內的平均輻射溫度等于室內的空氣溫度。

表1和表2分別是夏季和冬季場景中，在設定的相應值情況下計算出的PMV，取值是使其盡量接近中性，即PMV的值在0附近。

表1夏季場景中各因素的假設值和設定

視覺舒適度是人處于一個視覺環(huán)境中，眼睛是否感到舒適的一個評價尺度。在照明工程中，往往需要確定視覺效果處在最佳范圍內所對應的光照度水平標準值。生活中常出現燈光亮度比人眼所需要的光亮度大好多的情形，不但造成電能的浪費，也不利于視覺的保護。視覺舒適度確定主觀感受量與客觀物理量之間的內在關系。影響視覺舒適度的因素同樣有很多，考慮到視覺舒適度是心理感知量，其數學模型以韋伯-費昔勒為基礎[7]。廣義的韋伯費昔勒定律表示如下：

dS=kf(S)R

式中，S是感覺量的增量，是(S)感覺量的函數；R是產生感覺量的物理刺激量是常指數，隨著感覺量不同而不同。視覺舒適度的數學模型如下：

Z=a0+a1lnE+a2(lnE)2+…an(lnE)n+…

其中，a。、a]、a2…由實驗數據確定，n一般取3或者4。

2.2常見家庭活動最佳視覺舒適度

利用公式并且結合參考文獻[8]中的實驗數據，所計算出

的8種情形下視覺舒適度和光照度關系的公式如下：

暖色調下看電視情形中視覺舒適度：

Z=22；51[367.1652-485.6503lnE+197.3185(lnE)2-

29.3424(lnE)3+1.2458(lnE)4]

冷色調下看電視情形中視覺舒適度：

乙=23102[3037.8-2768.5lnE+900.07(lnE)2-

120.84(lnE)3+5.4258(lnE)4]

暖色調下一般活動中視覺舒適度：

乙=25387[4858.2-4064.9lnE+1228.6(lnEh-

156.73(lnE)3+6.9769(lnE)4]

冷色調下一般活動中視覺舒適度：

Z,=22274[3518.5-2688lnE+716.8(lnE)2-

74.971(lnE)3+2.2271(lnE)4]

暖色調下會見客人時視覺舒適度：

乙=24J46-1477?2+1025.4lnE+299.09(lnEj+

43.67(lnEj-2.5768(lnE)4]

冷色調下會見客人視覺舒適度：

乙=24325[658.15+588.18lnE-522.19(lnE)2+

116.4(lnE)3-8.13(lnE)4]

暖色調下團聚時視覺舒適度：

Z=25136[5820.8-3943.5lnE+971.99(lnEh-

102.35(lnE)3+3.8427(lnE)4]

冷色調下團聚時視覺舒適度：

乙=29059[2935.9-1698.6lnE+321.23(lnE)2-

19.168(lnEh-0.11093(lnE)4]

因此，可以計算出冷暖色調下各種活動取得最佳視覺舒適度時對應的光照度?，F總結如下：

暖冷色調下看電視時當光照度分別為58lx和70lx附近時，處于最佳視覺舒適度；

暖冷色調下一般活動當光照度分別為106lx和118lx附近時，處于最佳視覺舒適度；

暖冷色調下會客時當光照度分別為203lx和240lx附近時，處于最佳視覺舒適度；

暖冷色調下團聚時當光照度分別為338lx和362lx附近時，處于最佳視覺舒適度。

3系統(tǒng)概述

3.1系統(tǒng)架構

關，可以驅動3顆1W或1顆3W的LED。PWM調光原理是利用人的視覺殘留效應，當LED通斷的開關電壓頻率大于100Hz時，人察覺不到燈閃爍。相比較模擬調光，PWM調光由于其恒流特性，能夠提供高質量的白光，但其也存在著控制器比較復雜、驅動電路容易產生噪聲等缺點。本應用中BP1360的DIM端接收pic單片機輸出的PWM信號，可以無級調節(jié)LED燈的亮度。本設計將LED亮度設置為5級，設定PWM信號的占空比。信號輸出的頻率一定，高電平持續(xù)時間分別為周期的1/5、2/5、3/5、4/5和1。恒流驅動電路如圖3所示。

本系統(tǒng)以s3c2440處理器作為控制中心，它是三星公司基于ARM920T內核的嵌入式CPU，面向便攜式和低功耗的應用。無線數據傳輸通過ZigBee技術，構成自組網的無線傳感網絡，與單片機進行命令的傳輸和數據的采集。系統(tǒng)通過傳感器網絡采集家居環(huán)境的溫度和濕度，進而計算出PMV值,作為家庭成員設置溫度、濕度的參考。另一方面，設置了溫度后計算的PMV值(接近于0)被認為是家庭成員的最佳熱舒適感受值。通過對該值的多次統(tǒng)計，就能夠捕捉到不同人之間的冷熱感受，對PMV的設定值的統(tǒng)計主要靠一種實時數據的平滑統(tǒng)計方法。對于亮度調節(jié)，上面已經給出了各種家庭活動下的最佳光照度值，系統(tǒng)時刻采樣房間的光環(huán)境，并通過PWM調光技術對光照進行調節(jié)。PWM調光是通過單片機輸出不同的占空比的脈沖信號對光亮度進行調節(jié)的，或者通過開啟或者關閉房間里的其他燈，達到最佳光環(huán)境的目的。

3.2光照度測量模塊和恒流PWM調光設計

測量房間的光照度選用BH1750照度測量芯片，該芯片具有體積小、精度高、可靠性好的優(yōu)點。

本設計中的BP1360是一款連續(xù)電流導通模式的降壓恒流源芯片，它能將直流電壓直接轉換成穩(wěn)定的恒流輸出，只需少許的電阻、二極管和電感就能構成調光電路。輸出的電流最大能夠達到1.2A，轉換效率高達97%。該芯片內置功率開關，可以驅動3顆1W或1顆3W的LED。PWM調光原理是利用人的視覺殘留效應，當LED通斷的開關電壓頻率大于100Hz時，人察覺不到燈閃爍。相比較模擬調光，PWM調光由于其恒流特性，能夠提供高質量的白光，但其也存在著控制器比較復雜、驅動電路容易產生噪聲等缺點。本應用中BP1360的DIM端接收pic單片機輸出的PWM信號，可以無級調節(jié)LED燈的亮度。本設計將LED亮度設置為5級，設定PWM信號的占空比。信號輸出的頻率一定，高電平持續(xù)時間分別為周期的1/5、2/5、3/5、4/5和1。恒流驅動電路如圖3所示。

3.3一種實時數據的平滑統(tǒng)計方法

對于采樣數據，往往要進行存儲，這就需要有較大容量的存儲空間，而這種實時采樣數據的平滑統(tǒng)計方法，貝加以做到不需要存儲空間就可以對數據進行統(tǒng)計。這種方法包括如下步驟：

在第n+1次采樣點上獲取采樣數據的瞬時值S(n+1)。

平滑統(tǒng)計數據R(n+1)是根據上一次的平滑統(tǒng)計數據R(n)、第n+1次采樣數據的瞬時值S(n+1)和自行設定的統(tǒng)計特征時間K三個數據進行直接運算得到。

R(n+1)=(1—exp(—1/K))S(n+1)+R(n)exp(—1/K)

由此看出，在每個采樣周期只需要利用上次的統(tǒng)計平均值和本次的采樣數據進行簡單的運算就能夠得到當前統(tǒng)計平均值，而且平滑的效果令人滿意。該方法具有時間和空間開銷小、能夠實時地對當前數據進行統(tǒng)計且平滑效果好的優(yōu)點。

4系統(tǒng)軟件設計

4.1ZigBee無線傳輸

隨著無線傳感器網絡技術的發(fā)展，適用于無線傳感器網絡的IEEE802.15.4標準得到了快速的發(fā)展。該標準定義了在個人局域網中通過射頻方式在設備間進行互相通信的方式與協(xié)議，支持低速率、低功耗、短距離無線通信的協(xié)議標準。協(xié)議模型劃分為物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)

兩個子層進行實現。而ZigBee協(xié)議定義了網絡層和應用層。IEEE802.15.4無線線路運行在866MHz,915MHz和2.4GHz三個頻帶上，而ZigBee運行在2.4GHz頻道上。ZigBee技術適用于低功耗、低成本、低速率、近距離、短時延、高安全無線傳感網絡應用。ZigBee的網絡拓撲結構有星型、網狀型和簇狀型。網絡中的設備根據其所扮演的角色分為網絡協(xié)調器、全功能設備(FFD)和精簡功能設備(RFD)。網絡協(xié)調器進行初始化網絡信息，并且分配網絡PID,另外還可以實現路由功能。全功能設備具有路由功能，精簡功能設備則不具備路由功能。ZigBee能夠自組網，無需人工干預，網絡節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定連接關系，組成結構化的網絡。網絡能夠自我修復并對網絡拓撲結構進行調整，保證整個系統(tǒng)仍能正常工作。相比較藍牙網絡，一個ZigBee網絡能夠最多容納254個從設備和一個主設備，一個區(qū)域可以同時存在200多個網絡，總共可以支持超過65000個節(jié)點。本設計中,cc2530作為ZigBee無線傳輸模塊，該模塊與pic單片機和控制中心2440的連接采用串口通信，可選的也用spi通信，都是簡單的有線通信。

4.2功能設計軟件流程

本系統(tǒng)分為圖4所示的兩個功能模塊，圖4中的左半部分為室內光照調節(jié)系統(tǒng)的設計流程圖，右半部分為基于PMV的室內人體舒適度調節(jié)控制裝置的設計流程圖。

圖4調光系統(tǒng)和PMV控制系統(tǒng)軟件設計流程圖

在調光系統(tǒng)中，嵌入式文件系統(tǒng)建立的config文件存儲有各種家庭活動(如看電視、看書、一般性活動等)的最適亮度的最小和最大值，每次系統(tǒng)讀取相應的值，BH1750用以測量房間特定點的亮度，通過測量值與最適值的比較，BP1360進行PWM調光，直到亮度達到最適人體活動的設定值為止。

基于PMV的溫濕度控制系統(tǒng)則主要通過溫度，配合以與人體舒適度相關的其他5個要素，計算出實際的PMV值，又通過一種實時的平滑統(tǒng)計方法，對最佳PMV值進行統(tǒng)計，用以作為設定的PMV值的參考。另一方面，人們能夠對影響舒適度的其他不可控要素進行直接設定，系統(tǒng)接收輸入值，也使結果更加接近于用戶的真實熱感覺。

5結語

本文基于PMV熱舒適度評價公式和利用廣義的韋伯-費昔勒定理來評價視覺舒適度，從而為室內溫度和照度調節(jié)控制算法提供一個可行的理論和實驗參考。設計的基于PMV和視覺舒適度模型的家庭節(jié)能系統(tǒng)，則包括硬件電路實現和軟件程序編程設計方法。結果表明，本系統(tǒng)能夠有效地節(jié)約家庭空調和燈光的用電。

20211106_618647b15c606__基于PMV和視覺舒適度的家庭能耗管理