一种基于雷达精准感知控制的空调睡眠模式设计

一种基于雷达精准感知控制的空调睡眠模式设计

陈厚照 陈妃味  王佳鑫 梁俭超

广东TCL智能暖通设备有限公司

摘要：使用雷达的空间感知能力对室内人的状态进行判断，从而得到不同运动和静止状态的雷达控制参数，找出各个状态的控制区间，并以此作为空调系统中压缩机转速频率、新风量和输出温度的调控系数，总结得到睡眠模式下系统的控制逻辑。最后进行软件设计，使空调系统可以满足不同情况下的控制要求，能够稳定保持舒适睡眠的运行状态。

关键词：雷达感知、睡眠控制、新风协调

Design of air-conditioner sleep mode software based on radar accurate perception control

Chen HouZhao  Chen FeiWei  Wang JiaXin  Liang JianChao

(Guangdong TCL intelligent HVAC Equipment Co., Ltd)

Abstract: Using the spatial perception ability of radar to judge the status of indoor people, the radar control parameters of different moving and stationary states are obtained, and the control interval of each state is found out. The control coefficient of compressor speed frequency, fresh air volume and output temperature in the air conditioning system is used to summarize the control logic of the system in sleep mode. Finally, the software is designed so that the air conditioning system can meet the control requirements in different situations and can maintain the running state of comfortable sleep stably.

Keywords:radar perception、Sleep control、Fresh air coordination

0引言

在空调使用日益增长和分布的状况下，人们对于空调的功能不只是满足于简单的温度调控，其视角转向更加健康更加舒适的空调种类，而新风空调作为市场的新秀，不同品牌在新风功能和其他功能的联合运用方式较少，对于人们睡眠状态下的空调舒适感调控也不够灵活。

1在空调睡眠系统中引入雷达精准感知的意义

舒适度可以根据辐射温度、风速、空气湿度、人体活动状态、着装等因素判断，而特定于睡眠状态的人体舒适度，可以依据躯体温度、二氧化碳浓度、微风感等系数来决定。而在空调睡眠模式下，空调系统内部传感器对于舒适度的判断有一定误差。而射频雷达基于多普勒效应，可以对多数空间物体状态进行检测，也能避免红外检测中因物体阻拦导致的死角。本文在空调系统中引入雷达模块，并跟踪不同人体运动状态进行逻辑判断和软件设计，以满足睡眠下的舒适度调控。

2雷达模块感知应用

对于人体动作姿态可以分为站立、坐下、蹲下和躺下，最后一种是常见的睡眠前置动作，在身体躺下后会分为清醒和睡眠两种状态，在进入睡眠状态后有多种睡眠期间，本文将其简化为浅度睡眠和深度睡眠，并以此设计功能逻辑，如图1。

图1 雷达模块感知姿态

（1）动作感知

通过扫描人体分区，可以准确辨认头部、胸部、臀部、腿部膝盖、手臂和足部脚掌。站立时足部与地面呈直角，站立行走时头部和臀部的连线与地面近似垂直。坐下时，躯体臀部与腿部膝盖的连线与地面平行。蹲下时，躯体臀部在垂直空间中低于腿部膝盖。躺下时，足部、臀部和胸部的连线与地面平行，或与水平面呈现微小锐角。在感知躺资时，雷达模块也要分辨一下头部和足部和空调在水平线上的距离，以此判断睡眠模式下的摆风角度。

（2）清醒辨识

在身体处于坐姿时，胸口前倾，头部和手臂基本处于同一水平线时，根据胸口呼吸起伏可以识别出人体处于清醒和睡眠状态。在身体处于躺资时，可以简单依据手臂是否悬空判断人是否处于睡眠状态。但是当人处于睡眠状态时，会逐渐变换睡眠姿势来解除疲劳，因此判断是否处于睡眠状态仍然以胸口起伏状态为主要方式。

（3）睡眠深度辨识

人体睡眠是一种交替模式，其中深度睡眠所需氧气浓度要高于浅度睡眠，浅度睡眠所需氧气浓度高于清醒躺资状态，为了合理耗能，需要雷达模块识别两种睡眠状态，浅度睡眠和清醒的区分在于睡眠下呼气时间长，吸气时间短，胸口起伏高处时间短。深度睡眠和浅度睡眠的区别是前者比后者更整齐、规则，换气量降低，胸口起伏频次降低，也可以通过睡眠时期动作次数来判断，动作多是浅度睡眠，反之则是深度睡眠。

3 雷达感知空调功能设计

在引入雷达感知模块的空调机中，对于睡眠舒适度可以通过新风改善呼吸状态，控制风温和角度来增强环境舒适程度。雷达模块传达的信息是评定不同状态的基准，在清醒和睡眠之间也会增加延时判断，避免突然的出风变化干扰正常的睡眠。而在睡眠中的能量消耗低于清醒时刻，深度和浅度的睡眠消耗也有所不同，这些是空调睡眠模式下需要进行调节的特性。各种模式的使用功能有所不同，具体功能设计如图2。

图2 雷达模块感知空调功能设计

    （1）新风控制功能

根据雷达模块感知到的人体体态，分析出当前人的身体状态，如果人处于清醒状态，则按照人为设定模式进行新风的输送，并记下当前新风强度。

为了节约能耗和算力，在雷达模块感知人清醒后，默认每隔十分钟再进行判断，该间隔时间可以由用户进行设定。当判断人进入睡眠状态后，空调则进入睡眠模式，此时的雷达模块进行无间隔感知。

当雷达模块感知到人进入浅度睡眠时，先根据清醒状态的新风强度进行新风输出，如果清醒时未使用新风模式，则输出低风量新风，满足浅度睡眠下对于氧气浓度的需求。如果清醒时使用新风模式，浅度睡眠则维持该模式新风强度不变。在浅度睡眠的环节，当前的新风强度被记录下来，在深度睡眠后回归到浅度睡眠时，保持这个强度不变。

当雷达模块感知到人进入深度睡眠后，将浅度睡眠下的新风强度增强到最高强度，如果浅度睡眠下的新风强度是最高强度，则新风强度不变。因为两种睡眠模式在整体睡眠中是交替进行的，所以使用雷达判断两种状态，来进行新风强度的交替变换，节约能耗，更有效率的提升呼吸舒适度。

（2）温度控制功能

在每十分钟的雷达感知中，判断人处于清醒状态时，维持人原本设定的空调温度，并记录下该温度数值。

当人进入睡眠模式时，开始空调睡眠模式的温度调节，判断人进入浅度睡眠后，制冷模式下默认对记录的清醒状态温度增加1℃。如果已经到了制冷的上限值，则保持不变。制热模式下默认对记录的清醒状态温度增加0.5℃，如果到达上限值则保持不变。同时对浅度睡眠中，制冷或制热的温度值进行记录，在深度睡眠转换为浅度睡眠后，维持这个记录值。

判断人进入深度睡眠后，制冷模式下默认在记录的浅度睡眠温度增加1℃，如果浅度睡眠时的温度值到达上限则保持温度不变。制热模式下默认对记录的浅度睡眠温度增加0.5℃，如果到达上限值则保持不变。

这些默认参数可以进行人为调整，制冷的两种状态调节温度区间为-1℃到1℃，制热的两种状态调节温度区间为-0.5℃到0.5℃，如果两种睡眠状态下温度向下调节，那么到达下限时，则保持温度下限不变。

（3）摆风角度和风速控制功能

摆风控制不需要区分浅度睡眠和深度睡眠，该功能可以根据雷达模块感知躺姿状态来进行助眠模式。而摆风角度需要和蒸发风机的输出的风速进行配合，因此需要对二者同时进行软件设计。

当判断人处于清醒状态且非躺姿时，按照人为设定的模式摆风或者不摆风。而判断人处于清醒状态且躺姿时，如果之前未设置摆风，则保持这个角度不变，减小一档风速。如果之前设置空调摆风，则在助眠模式下，减慢摆风叶片角速度，并减小一档风速，如果风速已经到达最低档则保持该风速不变。

当判断人处于睡眠状态下，用雷达模块感知头部方向的角度，此时摆风叶片会一直跟踪头部，并将风速调至最低，保证新风更快传递，使睡眠舒适度提升。如果需要增强对新风的使用，可以调整默认参数改变睡眠模式下的风速档位，另一方面摆风叶片也可以在睡眠模式中设置为不对人模式。在睡眠结束后，通过20分钟内的雷达感知姿态确认结束睡眠后，空调可以回归清醒时的通风模式，也可以通过人为方式直接结束空调的睡眠模式。

4 结束语

在空调系统中引入雷达感知模块，可以有效增加对室内空间的人的判断，提高系统灵敏性。对搜集到的姿态信息进行判断，可以区分出清醒、浅度睡眠和深度睡眠的状态。多方面对舒适度进行调控，并提高用户对空调睡眠模式设定的详细程度，阐述了舒适度调控软件系统的功能。引入雷达的空调睡眠模式的软件设计有效达成用户需求，为空调智能睡眠模式做了更进一步的改进和完善。

参考文献

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