21、基于被动红外传感器的智能 HVAC 恒温器开发

基于被动红外传感器的智能 HVAC 恒温器开发

1. 传统可编程恒温器的局限性

现代恒温器具备可编程功能，旨在克服传统恒温器的缺点。可编程恒温器允许用户手动设置 HVAC 系统的开启时间和设定温度。用户可以根据自己计划在家的时间和外出时间来制定时间表。当用户离开时，如果满足预设条件，可编程恒温器会自动关闭（或改变设定点）。此外，用户还可以在回家前对房屋（或房间）进行预冷或预热，以提高舒适度。

然而，大多数家庭不会每天调节恒温器，而且可编程恒温器的操作对大多数人来说过于复杂。近期研究表明，使用可编程恒温器的家庭比使用手动操作恒温器的家庭消耗更多的能源，这可能是由于设置错误或直接关闭了该功能。许多可编程恒温器的用户界面不佳，导致配置困难。即使用户设计了日程安排，他们也必须选择一个静态时间表，以根据动态的居住模式实现能源节省和舒适度的最大化。由于日常活动和入住习惯会随时间变化，例如夏季活动与冬季活动不同，用户必须经常调整恒温器以反映最佳时间表的变化，否则将失去节能效益。由于这些障碍，许多人避免配置恒温器，从而无法达到预期目的。

2. 相关研究工作

• Ozgur 的物联网恒温器 ：节点采用带有 DHT22 温度传感器和 nRF24L01 模块的 Arduino。汇聚节点的在线浏览使用 ESP8266。物联网传感器和设备用于操作智能家居。多个传感器计算房屋的平均温度。智能恒温器可以改变组合锅炉的温度。只有房间温度节点通过 ESP8266 进行通信。智能恒温器可以根据房屋的平均温度调整锅炉温度，从而减少能源消耗并提高互联网连接系统的安全性。当用户离开时，智能恒温器可以关闭组合锅炉，返回时再开启。此外，Nest 提供美观的壁挂式设备，以及智能手机应用程序和基于网络的控制。除了访问日程安排和实时控制外，网络和移动应用程序还提供能源历史记录，即供暖和制冷系统随时间运行的完整历史记录。此外，Nest 还提供一些采用机器学习和运动检测的智能功能，如自动日程安排和自动离开模式。该设备是市场上最昂贵的消费级恒温器之一，售价为 249 美元。虽然这些方法通常更精确，但这些设备的成本增加和能源消耗使其不适用于许多实际应用。
• 作者开发的智能恒温器 ：该恒温器在居住者入睡或离开时关闭 HVAC 系统。传感器检测运动和门的状态。快速响应系统采用概率模型来检测租户是清醒、入睡还是离开。该设备可以在人员离开后几分钟内做出反应，而不会产生错误的空置检测。其次，系统利用历史居住趋势和在线传感器数据来加热房屋。这些方法既舒适又节能。智能恒温器使用被动红外（PIR）运动传感器和入口簧片开关来检测睡眠。PIR 和簧片传感器价格低廉且易于安装。它们使用双面无线 X10 传感器。智能恒温器使用隐马尔可夫模型（HMMs）来估计房屋的状态。最后，ecobee3 恒温器的远程传感器也能检测运动。每个远程传感器都有一个温度传感器和一个 PIR 传感器，并通过 915 MHz 无线电与恒温器通信。然而，Ecobee 智能恒温器的标价为 469 美元，远高于其他恒温器。这些方法能够计算房间内的人数，但不知道他们的具体位置，因此可能无法提供足够的热舒适度。

3. 研究方法

3.1 占用检测算法

研究的主要目标是开发一种使用 PIR 传感器（被动红外传感器）的智能恒温器，当房间无人时自动关闭空调以节省能源。智能恒温器的组件价格便宜，在五金店和电子配件店很容易买到。PIR 传感器是检测占用情况最简单、最经济有效的方法之一。此外，通过避免使用摄像头或胶片，避免了隐私问题。如果 PIR 传感器被激活，则表示房间内还有人，房间被标记为有人居住。如果 PIR 传感器未检测到运动，系统则认为房间内无人。PIR 传感器会产生一些噪音，过往人员的气流可能会导致其激活。

智能恒温器使用占用检测算法结合四个 PIR 传感器来识别房间的状态以节省能源。每个传感器和空调在各种情况下都采用相同的方法。具体流程如下：
1. 用户进入房间时，空调开启。
2. 检查房间区域的三种情况：
- 情况 1 ：当被动红外传感器检测到该区域无人时，智能恒温器关闭 HVAC 系统并返回循环，等待用户进入并开启空调。
- 情况 2 ：当 PIR 传感器的输出为高时，表示该区域有人，等待 10 分钟以确保有人占用。否则，与情况 1 相同，HVAC 系统将关闭并返回初始阶段。
- 情况 3 ：当该区域有人占用，突然有人离开时。如果被动红外传感器在 10 分钟内未检测到居住者，则返回初始阶段，等待用户输入。否则，智能恒温器将根据占用区域调整空调的温度，并根据需要开启和关闭空调，以维持房间的热舒适度。

以下是该算法的 mermaid 流程图：

graph TD;
    A[用户进入房间，空调开启] --> B{检查 PIR 传感器状态};
    B -- 无人 --> C[关闭 HVAC 系统，等待用户进入];
    B -- 有人 --> D[等待 10 分钟];
    D -- 仍有人 --> E[调整空调温度，维持热舒适度];
    D -- 无人 --> C;

3.2 气流模拟

研究的另一个目标是模拟房间内的流体动力学，以了解气流流动并实现房间内的热舒适度。流体流动复杂且难以预测。气流模拟旨在研究气流在房间内的流动方式，以及居住人数如何影响房间的热舒适度和温度。

研究表明，物理学的三个基本方程源于三个基本守恒定律。连续方程、纳维 - 斯托克斯方程和能量方程分别源于质量、动量和能量的守恒。由于空调环境中的流动是湍流，因此选择 k - ε 和雷诺应力 - 粘度模型进行研究。标准 k - ε 模型是一种基于湍流动能（k）模型传输方程及其耗散率（ε）的半经验模型。k 的传输方程是从精确方程推导出来的，而 ε 的传输方程是通过物理推理推导出来的，与数学对应物的相似性较小。以下传输方程可用于计算湍流动能 k 及其耗散率 ε：
[
\rho\frac{Dk}{Dt}=\frac{\partial}{\partial x_i}\left[\left(\mu+\frac{\mu_t}{\sigma_k}\right)\frac{\partial k}{\partial x_i}\right]+G_k + G_b-\rho\varepsilon - Y_M
]
[
\rho\frac{D\varepsilon}{Dt}=\frac{\partial}{\partial x_i}\left[\left(\mu+\frac{\mu_t}{\sigma_{\varepsilon}}\right)\frac{\partial \varepsilon}{\partial x_i}\right]+C_{1\varepsilon}\frac{\varepsilon}{k}(G_k + C_{3\varepsilon}G_b)-C_{3\varepsilon}\rho\frac{\varepsilon^2}{k}
]
[
\frac{\partial}{\partial t}(\rho E)+\frac{\partial}{\partial x_i}[u_i(\rho E + P)]=\frac{\partial}{\partial x_i}\left[\left(k+\frac{C_p\mu_t}{P}\right)\frac{\partial T}{\partial x_i}+u_j(\tau_{ij})_{eff}\right]+S_h
]

3.3 热舒适度

Fanger 舒适度方程用于计算室内人体热舒适度指数。房间内人体的热平衡由两个指标表示：预测平均投票数（PMV）和预测不满意百分比（PPD）。根据 ISO 7730:2005（EN）标准，该标准将热舒适度要求分为三个等级，如下表所示：
| 等级 | 热舒适度要求 |
| ---- | ---- |
| 等级 1 | 高舒适度，严格的热环境控制 |
| 等级 2 | 中等舒适度，一般的热环境控制 |
| 等级 3 | 可接受的舒适度，较宽松的热环境控制 |

基于被动红外传感器的智能 HVAC 恒温器开发

4. 智能恒温器的优势与挑战

智能恒温器相较于传统可编程恒温器具有显著优势，但也面临一些挑战。

4.1 优势

• 节能 ：通过 PIR 传感器准确检测房间的占用情况，在无人时自动关闭空调，避免不必要的能源消耗。例如，当用户离开房间一段时间后，恒温器能及时关闭 HVAC 系统，从而节省能源。
• 舒适度提升 ：能够根据房间的实际占用情况和气流模拟结果，调整空调的温度和运行状态，维持房间的热舒适度。如在有人占用时，根据 Fanger 舒适度方程计算的结果，合理调节温度。
• 智能功能 ：部分智能恒温器具备机器学习和运动检测功能，如 Nest 的自动日程安排和自动离开模式，能根据用户的日常习惯自动调整设置。

4.2 挑战

• 成本较高 ：像 Nest 和 Ecobee 等智能恒温器价格相对昂贵，Nest 售价 249 美元，Ecobee 标价 469 美元，这使得一些消费者望而却步。
• 传感器误差 ：PIR 传感器虽然是检测占用情况的有效手段，但会产生一些噪音，过往人员的气流可能会导致其误激活，影响恒温器的判断准确性。
• 配置复杂 ：部分智能恒温器的用户界面不佳，配置困难，即使是可编程恒温器，也需要用户根据动态的居住模式选择合适的静态时间表，增加了使用难度。

5. 实际应用案例分析

为了更好地理解智能恒温器的实际效果，下面通过一个实际案例进行分析。

某办公室安装了基于 PIR 传感器的智能恒温器。该办公室正常工作时间为周一至周五的 9:00 - 18:00。在安装智能恒温器之前，空调通常在上班时间一直开启，即使部分区域无人使用，也会持续消耗能源。

安装智能恒温器后，通过 PIR 传感器检测各个区域的占用情况。当员工离开办公区域一段时间后，恒温器自动关闭该区域的空调；当员工返回时，空调自动开启并调整到合适的温度。

经过一段时间的使用，该办公室的能源消耗明显降低。同时，员工对办公环境的舒适度反馈也较好，认为温度始终保持在适宜的范围内。

以下是该案例的效果对比表格：
| 指标 | 安装前 | 安装后 |
| ---- | ---- | ---- |
| 能源消耗（每月） | 较高 | 明显降低 |
| 员工舒适度反馈 | 一般 | 较好 |

6. 未来发展趋势

随着科技的不断进步，智能恒温器的未来发展呈现出以下趋势：

• 更精准的传感器技术 ：未来的传感器将更加精准，能够减少误差，更准确地检测房间的占用情况和环境参数。例如，可能会出现结合多种传感器技术的新型传感器，提高检测的准确性。
• 人工智能的深度应用 ：人工智能将在智能恒温器中得到更深入的应用，能够根据用户的行为习惯、环境变化等因素，自动学习和调整恒温器的设置，实现更加智能化的控制。
• 与智能家居系统的融合 ：智能恒温器将与更多的智能家居设备进行融合，实现整个家居环境的一体化控制。例如，与智能灯光、智能窗帘等设备联动，根据室内光照和温度情况自动调整设备状态。

以下是未来发展趋势的列表：
1. 更精准的传感器技术
2. 人工智能的深度应用
3. 与智能家居系统的融合

7. 总结

智能恒温器作为一种新兴的技术产品，在节能和提高舒适度方面具有巨大的潜力。通过使用 PIR 传感器进行占用检测和气流模拟，能够实现更加智能和高效的温度控制。然而，目前智能恒温器还面临成本高、传感器误差和配置复杂等挑战。

未来，随着技术的不断发展，智能恒温器有望克服这些挑战，实现更广泛的应用。消费者在选择智能恒温器时，应综合考虑自身需求、成本和功能等因素，选择最适合自己的产品。

通过本文的介绍，希望能够帮助读者更好地了解智能恒温器的原理、优势和发展趋势，为实际应用提供参考。

以下是智能恒温器从传统到未来发展的 mermaid 流程图：

graph LR;
    A[传统恒温器] --> B[可编程恒温器];
    B --> C[智能恒温器];
    C --> D[更精准传感器的智能恒温器];
    C --> E[人工智能深度应用的智能恒温器];
    C --> F[与智能家居融合的智能恒温器];