葉廷東，黃曉紅，彭選榮

(1. 廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510300； 2. 廣東省科學(xué)院，廣東 廣州 510070)

基于多點(diǎn)測(cè)溫的舒適度智能傳感器研究*

葉廷東1,2，黃曉紅1，彭選榮1

(1. 廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州510300；2. 廣東省科學(xué)院，廣東 廣州510070)

針對(duì)人體舒適度的檢測(cè)，基于手部皮膚平均溫度與舒適度之間的定量關(guān)系，設(shè)計(jì)了一種舒適度智能傳感器結(jié)構(gòu)。該智能傳感器利用三維集成多層結(jié)構(gòu)將多個(gè)溫度傳感元件集成在一塊硅基片上，利用基于一致可靠性測(cè)度的多傳感信息故障判斷與信息融合方法，在實(shí)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)與器件故障判斷的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多傳感信息融合與舒適度檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)研究表明，該信息融合方法與平均加權(quán)融合相比，融合誤差降低了約71.2%，舒適度最大檢測(cè)誤差為±0.051。

智能傳感器；信息融合；故障判斷；多傳感信息；舒適度

0 引言

舒適度指標(biāo)對(duì)人體身心愉悅健康、節(jié)能環(huán)保具有重要的影響[1-3]，隨著人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)環(huán)境的舒適性要求也越來(lái)越高。目前環(huán)境的舒適度大多從熱舒適度方面考量，主要采用PMV-PPD 指標(biāo)描述和評(píng)價(jià)熱環(huán)境，其中PMV指數(shù)為處于熱環(huán)境中的群體對(duì)于熱感覺(jué)的平均值，PPD 指數(shù)為對(duì)于熱環(huán)境不滿意的人數(shù)百分?jǐn)?shù)[4-5]。影響PMV-PPD 指標(biāo)的六個(gè)因素中有四個(gè)環(huán)境參數(shù)(干球溫度、相對(duì)濕度、黑球溫度、微風(fēng)速) 和兩個(gè)人體參數(shù)(穿衣指數(shù)、新陳代謝率)[6]。根據(jù)以上六個(gè)參數(shù)可以計(jì)算出PMV和PPD值，目前市場(chǎng)上成熟的舒適度檢測(cè)儀大多是基于PMV-PPD指標(biāo)的檢測(cè)而設(shè)計(jì)的[7]。為了更準(zhǔn)確地表征舒適度指標(biāo)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者作了大量的研究，這些研究大多都是綜合周圍環(huán)境空氣品質(zhì)、環(huán)境參數(shù)，進(jìn)行環(huán)境的舒適性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，建立與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果相統(tǒng)一的環(huán)境舒適度評(píng)價(jià)方法[8-9]，然后根據(jù)相應(yīng)的舒適度實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)或者評(píng)價(jià)模型，利用各種傳感器感知各環(huán)境因素實(shí)現(xiàn)舒適度的實(shí)時(shí)檢測(cè)評(píng)價(jià)[10-11]。在這些研究中，少有涉及可穿戴應(yīng)用的舒適度傳感檢測(cè)的研究報(bào)道。

本研究將從可穿戴應(yīng)用的角度出發(fā)，利用人體生理指標(biāo)的檢測(cè)設(shè)計(jì)一個(gè)三維多層結(jié)構(gòu)的舒適度智能傳感器，利用多測(cè)點(diǎn)故障判斷與信息融合方法，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

1 舒適度智能傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

舒適度最客觀、最直接的評(píng)價(jià)者是環(huán)境中的人，但在實(shí)際應(yīng)用中人們是無(wú)法直接測(cè)出人體舒適度的，只能通過(guò)生理、物理等因素的監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。近幾年，各國(guó)學(xué)者把目光投向影響舒適度的生理指標(biāo)上，比如腦電波、心率變異性，甚至出汗率、運(yùn)動(dòng)神經(jīng)傳導(dǎo)速度、感覺(jué)神經(jīng)傳導(dǎo)速度、皮膚溫度、血壓等生理指標(biāo)都與人體舒適度均有著顯著性的關(guān)系。在這些生理指標(biāo)中人體皮膚溫度是最容易監(jiān)測(cè)且監(jiān)測(cè)成本最低的指標(biāo)之一。

研究表明：人體各部位皮膚的溫度是不同的，一般來(lái)說(shuō)頭部較高，足部較低，但不同的皮膚溫度都是由人體內(nèi)部至皮膚表面和皮膚表面至環(huán)境之間的熱平衡決定的[12]。經(jīng)研究表明人體手部的平均皮膚溫度可以作為人體舒適度的一個(gè)重要指標(biāo)。為此，本文提出利用手部的平均皮膚溫度來(lái)判斷或預(yù)測(cè)人體的舒適程度，通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段，可以建立手部平均皮膚溫度與人體舒適度的定量關(guān)系[13]：

f(x)=-0.5x4+25.5x3-560.2x2+4 609.7x

(1)

其中x∈[31.6,34.5]為正常的人體手部平均皮膚溫度范圍。

由于測(cè)量人體舒適度是按照手部平均皮膚溫度來(lái)進(jìn)行的，為此設(shè)計(jì)如圖1所示的基于多點(diǎn)測(cè)溫的舒適度智能傳感器結(jié)構(gòu)，它主要由多個(gè)溫度傳感元件、微處理器及相關(guān)信號(hào)調(diào)理電路組成。智能傳感器將多個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，然后將它送到信號(hào)調(diào)理電路，經(jīng)過(guò)濾波、放大、AD轉(zhuǎn)換等信號(hào)調(diào)理流程，送到微處理器，最后由微處理器進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析和處理。為有利用可穿戴應(yīng)用，提高傳感器集成度，減少體積，在加工時(shí)模塊化多測(cè)點(diǎn)智能舒適度傳感器采用微機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)，使用半導(dǎo)體材料硅將上述結(jié)構(gòu)中的溫度傳感元件、信號(hào)調(diào)理電路以及微處理器等集成在一塊芯片上[14]，可采用如圖2所示的三維單片智能傳感器的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)形式將電源、驅(qū)動(dòng)、敏感元件、數(shù)據(jù)傳輸線、存儲(chǔ)器和運(yùn)算器等集成在一塊硅基片上，將平面集成發(fā)展成三維集成，實(shí)現(xiàn)了多層結(jié)構(gòu)。

圖1 基于多點(diǎn)測(cè)溫的智能舒適度傳感器結(jié)構(gòu)

圖2 三維單片智能傳感器的結(jié)構(gòu)圖

2 智能傳感器的信息處理

智能傳感器根據(jù)多點(diǎn)手部皮膚溫度的測(cè)量來(lái)進(jìn)行舒適度判斷，而多點(diǎn)測(cè)量的好處在于信息融合的同時(shí)還可以進(jìn)行測(cè)點(diǎn)故障診斷。

設(shè)由l個(gè)溫度傳感元件對(duì)手部皮膚進(jìn)行測(cè)量，可以獲得觀測(cè)方程為:

Z=Hx+v

(2)

式中，x為待測(cè)量的皮膚溫度，Z為l維測(cè)量向量，v為l維觀測(cè)噪聲向量，H=[1 1 … 1]T為l維常向量。

則根據(jù)多個(gè)測(cè)量值，可以計(jì)算出手部溫度參數(shù)x的最小二乘融合估計(jì)：

(3)

式中，i=1,2,…，l。從公式(3)可知，多個(gè)溫度檢測(cè)值的融合權(quán)值是由傳感元件的方差動(dòng)態(tài)分配的。測(cè)量方差是傳感器內(nèi)部噪聲與環(huán)境干擾的一種綜合屬性，這個(gè)屬性始終存在于測(cè)量的全過(guò)程，它表征了傳感器測(cè)量的可靠性，可以用下式計(jì)算：

(4)

(5)

為了在多傳感信息融合的過(guò)程中進(jìn)行故障判斷，在此引入一致性測(cè)度系數(shù)，用它們來(lái)表示傳感元件之間的支持程度。為了量化各傳感元件在某一時(shí)刻觀測(cè)值的相互支持度，采用模糊數(shù)學(xué)中最大最小貼近度來(lái)度量。

設(shè)k時(shí)刻傳感元件i和傳感元件j觀測(cè)貼近度為：

dij(k)=dji(k)=min{xi(k),xj(k)}/max{xi(k),xj(k)}

(6)

則可以知道k時(shí)刻傳感元件i與其他傳感元件的一致性測(cè)度為：

(7)

圖4 單路傳感信號(hào)檢測(cè)電路圖

由公式(7)可知，當(dāng)ri(k)接近1時(shí)，表明k時(shí)刻傳感元件i與其他傳感元件的觀測(cè)值保持一致，反之，則表明第i個(gè)傳感元件的觀測(cè)值偏離多數(shù)傳感元件的觀測(cè)值。為此可以先用一致性測(cè)度來(lái)進(jìn)行傳感檢測(cè)數(shù)據(jù)異常與故障判斷，即如果某一個(gè)傳感元件的一致性測(cè)度小于一致性測(cè)度閾值r0，則判定該檢測(cè)數(shù)據(jù)異常并剔除。若存在多個(gè)元件的一致性測(cè)度小于一致性測(cè)度閾值，則判定傳感器故障并進(jìn)入故障處理程序，否則進(jìn)行信息融合。多傳感信息故障判斷與信息融合方法的流程如圖3所示，在圖3中，為了在信息融合時(shí)體現(xiàn)傳感元件的一致性測(cè)度，將公式(3)的加權(quán)融合系數(shù)修正為：

(8)

圖3 多傳感信息故障判斷與融合方法

該系數(shù)稱為一致性可靠測(cè)度，該系數(shù)通過(guò)一致性測(cè)度體現(xiàn)了多傳感元件在某一個(gè)時(shí)刻采樣結(jié)果的空間分析，通過(guò)方差則體現(xiàn)了一個(gè)傳感元件多次采樣結(jié)果的時(shí)間分析。基于一致可靠性的時(shí)空分析計(jì)算，可得到修正的多傳感器信息融合加權(quán)系數(shù)：

(9)

3 實(shí)驗(yàn)與仿真分析

基于多點(diǎn)測(cè)溫的舒適度智能傳感器由于測(cè)量精度要求較高，為此選擇3個(gè)具有A級(jí)準(zhǔn)確度的鉑膜片熱敏電阻PT1000來(lái)組成實(shí)驗(yàn)電路來(lái)完成，智能傳感器的單路溫度傳感檢測(cè)電路如圖4所示。圖中CAT5113為程控電阻，CD4051為單八通道數(shù)字控制模擬電子開(kāi)關(guān)，單片機(jī)通過(guò)程控電阻和片選開(kāi)關(guān)可實(shí)現(xiàn)電阻型傳感元件信號(hào)的增、損等變化調(diào)節(jié)，這種設(shè)計(jì)便于使用時(shí)用于校準(zhǔn)，同時(shí)可以通過(guò)它們來(lái)模擬傳感器故障。檢測(cè)電路采用VREF恒壓源激勵(lì)，用1 kΩ精密電阻R3分壓，采用AD627AR運(yùn)放進(jìn)行增益處理增強(qiáng)輸出能力；分別采用CBG100505U070鐵氧體磁珠、PESD3V3S1UB抑制二極管抑制信號(hào)線、電源線上的尖峰干擾、高頻噪聲和防止靜電、瞬時(shí)脈沖對(duì)器件的損傷[16]。

智能傳感器在測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)，先采集無(wú)故障情況下3個(gè)溫度傳感檢測(cè)電路的信號(hào)，獲得各溫度傳感檢測(cè)電路的一致性測(cè)度指標(biāo)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定在信息處理時(shí)一致性測(cè)度閾值r0為0.95，計(jì)算各溫度傳感檢測(cè)電路測(cè)量方差的窗口值N設(shè)為100。表1為使用各溫度傳感檢測(cè)電路分別在32℃、33℃ 、34℃情況下進(jìn)行測(cè)試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表。表中Vi為各溫度傳感元件的電壓檢測(cè)信號(hào)值，Ri是計(jì)算得到的各溫度傳感元件電阻值，Ti則是得到的溫度值，ri是計(jì)算得到的一致性測(cè)度。

表1 智能傳感器溫度傳感檢測(cè)電路測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表2 傳感元件方差與融合誤差

從表1可知，智能傳感器的3個(gè)溫度傳感檢測(cè)電路對(duì)溫度同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，第一組數(shù)據(jù)中的傳感元件S3的一致性測(cè)度較低，小于一致性測(cè)度閾值存在數(shù)據(jù)異?，F(xiàn)象，在數(shù)據(jù)融合時(shí)需要將該數(shù)據(jù)剔除；第二組數(shù)據(jù)屬于正常數(shù)據(jù)；第三組數(shù)據(jù)由于傳感元件S1的檢測(cè)值偏離較大，造成S1和S3的一致性測(cè)度同時(shí)低于0.95，為此智能傳感器將啟動(dòng)故障處理程序，提示用戶進(jìn)行故障處理。

在排除異常數(shù)據(jù)和傳感元件故障后，基于各溫度傳感檢測(cè)電路的測(cè)量方差和一致性測(cè)度，可得到溫度信息融合檢測(cè)值，其誤差如表2所示?；谝恢驴煽啃缘娜诤险`差與最小二乘加權(quán)融合誤差相當(dāng)，與平均加權(quán)融合方法相比，融合誤差降低了約71.2%。

智能傳感器通過(guò)三個(gè)溫度傳感檢測(cè)電路測(cè)得手部皮膚平均溫度后，利用公式(1)可以獲得[0,1]間變化的舒適度值，如圖5所示。圖中擬合舒適度和實(shí)際檢測(cè)舒適度的最大誤差為±0.051，具有較高的檢測(cè)準(zhǔn)確度。

圖5 手部溫度與舒適度關(guān)系圖

4 結(jié)論

本文針對(duì)人體舒適度的檢測(cè)，進(jìn)行了以下研究：

(1)基于手部皮膚平均溫度與舒適度之間的定量關(guān)系，進(jìn)行了一種舒適度智能傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該智能傳感器將多個(gè)常規(guī)溫度傳感元件、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器等連接起來(lái)，利用三維單片智能傳感器結(jié)構(gòu)集成在一塊硅基片上，實(shí)現(xiàn)了三維集成多層結(jié)構(gòu)。

(2)研究了一種基于一致可靠性測(cè)度的多傳感信息故障判斷與信息融合方法，該方法利用一致性測(cè)度表征在某時(shí)刻不同測(cè)量值之間的相互支持程度，通過(guò)閾值的設(shè)定來(lái)進(jìn)行異常數(shù)據(jù)與器件故障的判決，之后在一致性測(cè)度和方差可靠性測(cè)度的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)多傳感信息融合。實(shí)驗(yàn)研究表明，該信息融合方法與平均加權(quán)融合估計(jì)值相比，融合誤差降低了約71.2%。

(3)利用基于多點(diǎn)測(cè)溫的智能傳感器測(cè)得手部皮膚平均溫度后，即可獲得人體的舒適度指標(biāo)，研究表明，舒適度最大檢測(cè)誤差為±0.051。該舒適度智能傳感器從人體生理指標(biāo)出發(fā)設(shè)計(jì)，并采用三維集成的多層結(jié)構(gòu)，便于在可穿戴場(chǎng)景中應(yīng)用。

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Research on intelligent comfort sensor based on multi-point temperature measurement

Ye Tingdong1,2,Huang Xiaohong1,Peng Xuanrong1

(1. College of Information Technology，Guangdong Industry Polytechnic,Guangzhou 510300,China;2. Guangdong Academy of Sciences,Guangzhou 510070,China)

In view of comfort detection about the human body,the paper designed an intelligent comfort sensor structure based on the quantitative relationship between hand skin temperature and comfort. The intelligent sensor adopted a three-dimensional integrated multi-layer structure，which integrated several temperature sensory units on a silicon substrate,and it used a fault judgment and information fusion method of multi-sensor information based on coherence and reliability,realizing the judgment of abnormal data and device fault judgment while achieving the multi-sensor information fusion and comfort detection . Experimental results show that the error of the proposed information fusion method is reduced by 71.2% compared with the average weighted fusion method,and the maximum error of comfort detection is ±0.051.

intelligent sensor; information fusion; fault judgment; multi-sensor information; comfort

中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2013M542157)；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015A020214025，2015A070710030)；省級(jí)“千百十工程”人才資助項(xiàng)目(RC2016-005)；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(201604020049)；創(chuàng)新強(qiáng)校工程項(xiàng)目(2A11105)

TP212.6

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.24.022

葉廷東，黃曉紅，彭選榮.基于多點(diǎn)測(cè)溫的舒適度智能傳感器研究J.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(24)：76-79，83.

2017-05-22)

葉廷東(1976-)，男，博士，副教授，主要研究方向：智能傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用。

黃曉紅(1968-)，女，碩士，教授，主要研究方向：現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)與控制系統(tǒng)。

彭選榮(1972-)，女，碩士，講師，主要研究方向：微機(jī)應(yīng)用與開(kāi)發(fā)。