天花机空调人体感应技术研究

天花机空调人体感应技术研究

周明

广东中广暖通空调有限公司，广东佛山，528325

摘要：近年来，人们对健康、舒适、绿色低碳的电器和舒适环境越来越重视，对产品的能效、智能化要求也更高。随着传感器技术的提高，具有一定分辨率的红外热电堆传感器逐步应用于空调产品。在家电产品的MCU资源内，通过算法判定符合人体温度条件的温度阈值，对满足条件的连续区域进行边界划分，去除不满足标准的区域，最后计算人体位置，根据感应到的数据判定空调功能。可根据使用者状态自动调整送风和温度等运行参数，提高空调的智能化水平，扩展空调的应用场景。

关键词：天花机空调；人体感应技术；红外感应控制

一、空调器人体红外感应控制

空调人体红外感应的智能控制得益于楼房人体红外感应检测节能灯控制的启发，结合节能管理理念和技术的研究，可以实现更有效的应用性节能。利用这种技术，可以实现对开关设备的智能控制，防止由于线路老化等原因，或是在出门时忘了关空调，从而造成建筑火灾等安全事故的发生。另外，由于国内现有的能源供给能力比较有限，特别是在夏天空调的高峰时段，电力需求量陡然增大，使得供需矛盾更加严重。在很多大城市，空调系统的用电量占到了总用电量的1/3，有的城市空调的用电量甚至占了总用电量的40%。即使是冬天的时候，也有大量的电力消耗。因此，该技术的推广与应用还可以发挥节能效果。

二、热电堆传感器检测原理

热电堆传感器是一种非接触式温度传感器，它具有体积小，精度、可靠性高的特性，近年来广泛应用于产品的温度检测。作为一种热释红外线传感器，器件中的热电偶在测温端温度上升时产生热电动势，在输出端获得电压之和。电堆由多个热电偶串联而成，根据不同用途，可组成多通道型或阵列型传感器。空调采用阵列型传感器对人体进行探测。空调天花机安装热电堆传感器垂直向下投影，检测区域被分为m行n列。该传感器返回温度值的个数为m×n，每个温度对应一个像素所投影区域的温度。

图1　天花机传感器垂直投影示意图

三、空调人体识别

空调的温度传感器能检测出室内的环境温度。所测得的人体体温与周围的温度及装置的安装高度有关。当周围温度越低，安装高度越高时，测量得到的身体温度越低，反之则相反。通过对实验数据的分析，得出了一种新的温度测量方法。这些条件的对应关系，确定人体温度判断的最小阈值与最大阈值。

二值图像生成后，就可以立刻识别出各个区域，然后由程序来判断各个点及其相邻点是否连接。求二值图的连通域主要分为2个类别，一种是通过压栈，把与某个区域的起点邻近的点都压入栈中，然后反复压栈的过程，直至该区域再也没有新的连通点，最后在弹栈时，再给这些像素一个相同的label。另一种方式是两次扫描（Two-Pass）算法。阀值温度判断需要通过一次遍历，对每个像素点进行判断。使用二次遍历算法判定二值图区域需要对m×n个数据进行二次遍历。在区域判定完成后，还需使用一次遍历，来计算每个区域的宽度和面积。

根据温度的大小，形状来去除不适宜人类活动的部位。当温度达到最大阈值时，就可以判定某个区域的温度出现了异常，这有可能是暖炉等其他非人发热体，将整个区域及其编号从二值图像上去除。根据传感器安装的高度计算人体区域的面积。被测区域的大小与传感器距离被测平面的高度成正比，而相同大小的形状在被测区域中的比例，与传感器高度成反比，所以，要设计一个参考高度，计算一个人所占像素的最小宽度和最大宽度，以此判断该区域是否为非人区域，并将整个区域及其编号从二值图像上删除。

四、人体感应技术在天花机空调上的应用

1、踢被检测

用户在睡眠过程中无法调节空调模式，当空调在检测出用户踢被后，自动调节温度、风向等功能参数，从而防止用户在空调使用过程中着凉。运动跟踪可以降低错误辨识的概率。判断出前后两帧图像中属于同一人体的区域面积，就能得到连续多帧图像中人体的热源面积变化。通过人体识别算法得到人体所在区域后，需判断前后两帧图像中的相似区域。引用数据图形化处理领域的“余弦相似度”方法，经历数据图形化处理、比较余弦相似度进行识别。进入睡眠模式时，当检测到同一人体区域面积增加，判定检测出踢被信号，空调进入防着凉模式。当检测到人体区域面积减少，空调退出防着凉模式，恢复到预先设定的状态。

2、风向控制

空调机是按照人的身体状况和位置来调节风向的。可根据使用者的需要来设置风吹人或风避人模式。空调器按型号有一组或多组导风叶片，每组导风叶片至少有横向和纵向两个方向。在风吹人模式下，导风板叶片控制风向在人体所在的功能区扫动。在风避人模式下，控制风向在人体功能区之外的区域扫动。不同类型的空调对应不同的送风区域。

3、节能方面的控制

图2 空调节能控制装置工作流程图

根据节能控制装置设计要求，并结合红外感应控制模块接线特点，设计空调节能控制电路。该电路由两部分组成，一是红外线感应控制器，二是与空调机进风管相连的受控控制器。在空调常开、室内有人的情况下，红外传感器检测到有人的情况下，会使其常开触点闭合，同时使得中间继电器励磁，中间继电器的常闭辅助触点会断开，此时时间继电器会失去励磁，同时时间继电器停止计时，交流接触器无法励磁，其常闭辅助触点保持接通，使得空调正常继续工作。

当室内无人存在时，红外传感器检测到房间在一段时间内没有人，那么红外传感器不会被励磁，其常开辅助触点处于断开状态，而中间继电器不能被励磁，其常闭辅助触点处于闭合状态，在此情况下，时间继电器被励磁，并开始计时，当超过预定的延时时间后，时间继电器将常开辅助触点关闭，则交流接触器被瞬间励磁，交流接触器常闭辅助触点同时也断开，从而使得空调在无人存在的情况下，经过一定延迟，自动关闭，达到了节能的目的。在空调关闭后，人员重返室内，需要开启空调，则需要手动重新开启空调，避免了空调频繁启动所带来的影响。即可实现空调处于开启状态时，人员出房后，能够可靠开启计时，如果人员超过规定的时限还不返回室内，节能装置自动关掉空调。当关机后，人员要回去用空调时，必须手动开启空调。若未达到设定时间，人员回到室内，则空调节电控制装置将停止计时，并将计时重启，空调系统将恢复运行。

结束语：

在对人体进行检测的多种方法中，以高精度和低成本为特点的红外热电堆传感器在家电领域得到了广泛的应用。随着传感器技术的发展，类似传感器的分辨率和精度不断提升，相应的检测方法也必将继续优化和升级。

参考文献：

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[3]王晏,尹发展,王达等.红外热电堆传感器在空调上的应用[C]//中国家用电器协会.2020年中国家用电器技术大会论文集.[出版者不详],2020:753-758.

[4]黄仲林.基于人体红外感应的空调节能控制系统研究[D].华南理工大学,2015.