辅助按需送风空调系统的室内人员信息识别装置及方法与流程

1.本发明属于人员识别技术领域，具体属于一种辅助按需送风空调系统的室内人员信息识别装置及方法。


背景技术：

2.建筑能耗占有世界能耗总量约40％，其中暖通空调系统占有建筑能耗总量约40％，随着人们生活水平的提高，人们对室内环境的舒适度要求也越来越高。传统的通风空调系统都是针对某一建筑的具体环境和建筑面积对应的通风需求量确定的，其弊端在于送风量在设计早期就已确定，总送风量中的新风量也是按照最不利工况确定，并不能根据建筑物内实际人员数量变动和及时做出改变。因此，在常见的建筑物，例如办公建筑内空调系统并不能实时与需求适配，会出现过度通风、夏季过冷、冬季过热等情况，这样的控制系统和控制方法不仅使居住者舒适度达不到预设标准，而且增加了暖通空调系统的能耗。
3.按需通风系统是根据建筑物内人员数量确定出负荷量和新风量的控制方法，即根据室内人员具体需求确定送风量、送风温度和新风比等，满足室内人员舒适要求的同时，也使暖通空调系统最大程度的节能。该系统需要实时确定室内人员数量，因此，若能实时准确地识别室内人员的数量信息，则可以准确地根据人员数量确定送风量、送风温度和新风比等，进而根据具体需求确定出新风负荷按需通风，降低能耗。
4.现有技术中，常用co2浓度传感器、红外传感技术以及计算机视觉技术等进行人员计数。
5.基于co2浓度传感器的人员计数方法原理是，根据co2浓度传感器连续测量室内co2浓度总量，再结合测量时长、单个人员单位时间呼吸释放co2总量等分析某一时段内室内人员数量。此方法有以下几个局限性：一、室内co2浓度的积累和减少都需要一定时间，室内co2浓度不会实时随着室内人员增减发生变化，有一定延续性，因此该方法灵敏度不高；二、室内co2浓度不单独由室内人员个数来决定，还会受到开关门窗、暖通空调系统新风输入等因素影响，因此该方法的准确性不高；三、当室内人员分布不均匀时，co2浓度的分布也较为不均匀，某一处co2浓度传感器的监测并不代表室内co2浓度的平均水平，但布置多个co2浓度传感器又会导致成本升高。
6.基于红外传感技术的人员计数方法和系统是日常生活中最常见的，常应用于门禁系统中，其原理较为简单，当人员进入布置有红外传感器的通道时，会挡住红外发射器发射的光线，使红外接收器接受不到光信号，这种间歇出现一次即视为人员通过一次通道。但其存在的局限性为：一、只能记录人员数量信息而无法准确地获得人员性别、身高和体重等更具体的信息，该方法应用于按需通风系统中无法得到室内人员的代谢率及发热量；二、当多个人员同时或连续经过通道时，该人员计数方法会存在误判的情况，准确性不高；三、当人员所的携带物品挡住红外传感器发射的光线时，使用该方法会出现多次判断的情况。
7.基于计算机视觉技术的人员技术方法是在室内布置摄像头，根据动态识别技术实时监测室内活动的人员个数。此方法有较高的准确性，但依然存在以下几处局限性：一、室
内布置摄像头实时监测，会涉及到隐私问题，无法避免；二、目前市场上的摄像头都视场视角有限，监测时会有视野盲区，布置多个摄像头无死角监控会使成本增加；三、计算机视觉技术很容易收到无用光源的影响，当室内光源较多时，该方法的准确性不高。


技术实现要素：

8.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种辅助按需送风空调系统的室内人员信息识别装置及方法，该装置通过识别室内人员的性别、身高和体重等具体信息，并基于以上信息预测室内全体人员的代谢率和发热量，通过上述信息可辅助空调系统计算出室内实时新风负荷、实时送风温度、送风量等供人参考，以达到在保证良好的室内空气质量、较高的人员舒适度的条件下降低能耗的效果。
9.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种辅助按需送风空调系统的室内人员信息识别装置，包括数据采集装置、信息处理装置和信息显示装置，所述数据采集装置用于实时采集通过数据采集装置的人员体重信息和人员鞋型图像信息并发送给信息处理装置；所述信息处理装置用于根据室内实时人数预测室内人员总热量，并根据室内人员总热量得到空调系统的建议送风参数信息；所述信息显示装置用于接收经数据采集装置和信息处理装置的处理后的人员信息、建议送风参数信息，并显示人员信息及建议送风参数信息。
10.进一步的，所述数据采集装置包括称重传感器和接触式扫描元件，所述称重传感器用于采集通过所述称重传感器的人员体重信息并发送至信息处理装置；所述接触式扫描元件用于扫描通过所述称重传感器的人员鞋型图像信息并发送至信息处理装置。
11.进一步的，所述接触式扫描元件采用触点式感光元件。
12.进一步的，所述信息处理装置包括图像处理模块、分析模块、计数模块和数据传输模块，其中，所述图像处理模块用于接收人员鞋型图像信息，并根据人员鞋型图像信息的像素点得出人员鞋长信息和脚印朝向信息；
13.所述计数模块用于在数据采集装置采集到人员体重信息时根据脚印朝向信息对室内总人数进行计数，得到室内实时人数；
14.所述分析模块用于根据室内实时人数预测室内人员总热量，并根据室内人员总热量计算空调系统的建议送风参数信息；
15.所述数据传输模块用于将人员信息数据及建议传至计算机和通风空调控制器。
16.进一步的，所述分析模块包括人员性别信息预测单元、负荷计算单元和送风参数计算单元；
17.所述人员性别信息预测单元用于通过人员鞋长信息和人员体重信息预测人员性别信息，并发送到负荷计算单元；
18.所述负荷计算单元用于根据人员性别信息预测单个人员的发热量，单个人员的发热量结合室内实时人数得到室内人员总负荷；
19.所述送风参数计算单元用于根据室内人员总负荷计算在室内实时人数的条件下空调系统建议送风参数信息。
20.进一步的，所述分析模块还包括人员身高信息预测单元，所述人员身高信息预测单元用于接收图像处理模块输出的人员鞋长信息，根据人员鞋长信息预测通过所述数据采
集装置的人员身高信息，发送信息显示装置；
21.进一步的，当人员体重大于等于65kg或鞋长大于等于245mm时，认定通过人员为男性；当人员体重小于等于65kg或鞋长小于245mm时，认定通过人员为女性。
22.进一步的，所述成年男子静坐时发热量为108w，成年女子散热量为男子的85％。
23.进一步的，所述信息显示装置包括电子显示屏。
24.本发明还提供一种辅助按需送风空调系统的室内人员多层次信息识别方法，具体步骤如下：
25.s1获取进入室内的人员体重信息及人员鞋型图像信息，得到人员脚印长度信息和脚印朝向信息；
26.s2根据脚印朝向信息获取获得室内实时人数信息；根据人员脚印长度信息预测人员身高；通过人员体重信息或人员脚印长度信息，预测室内人员性别；
27.s3通过人员性别信息预测单个人员发热量，单个人员发热量结合室内实时人数信息得到实时人员热负荷；
28.s5根据实时人员热负荷计算空调系统的建议送风参数信息。
29.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
30.本发明提供一种辅助按需送风空调系统的室内人员信息识别装置，通过采集通过数据采集装置的人员体重信息和人员鞋型图像信息，从房间入口处监控识别进入室内的人员数量，具有很高的准确性；通过信息处理系统实时判断人员进出的动态信息，并实时对计数值做相应调整，具有很高的灵敏性；本发明的信息处理系统通过识别室内人员性别、身高和体重信息的计算人员发热量的功能，即本发明识别装置可以识别室内人员的多层次信息，涉及的维度更广、功能更全；本发明通过计算室内总人数并预测人员总发热量可以辅助建筑室内暖通空调系统按需送风，在保证人员舒适度和室内空气质量的情况下节约能源；
31.本发明提供的识别装置布置时不受室内布局和房间结构影响，布置方便灵活，且不影响室内人员的正常生活工作，不涉及隐私问题；
32.本发明提供的识别装置组成构件成本低，结构简单，且布置占用建筑室内面积小，制作成本和运行维护成本更低。
附图说明
33.图1是本发明装置结构图。
34.图2是本发明装置运行流程图。
具体实施方式
35.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
36.如图1所示，本发明提供一种辅助按需送风空调系统的室内人员信息识别装置，包括数据采集装置、信息处理装置和信息显示装置，本发明的识别装置的外形为扁平状矩形六面体，布置于房间必要通道处，可嵌入地板内部，也可铺设于地板表面，以达到在人员通过通道的同时实现人员计数的目的。因为只有人员从本发明提出的多层次信息识别装置上
经过时，才能实现多种维度信息的收集，故本发明中所述“人员”皆为通过房间必要通道时，接触本装置且从本装置上通过的人员。
37.数据收集装置和信息处理装置设置识别装置的内部；信息显示装置可是只在外壳上表面，以一个电子显示屏来显示信息；也可以单独布置在外部，设置在人员方便看到的位置；还可以直接利用无线通讯技术实现数据分析装置与控制器之间无线数据传输，并在计算机上显示信息。
38.1、数据采集装置
39.数据采集装置包括称重传感器和接触式扫描元件，用于实时采集人员是否出入房间、人员体重信息和人员鞋型图像信息，并将上述信息发送给信息处理装置；
40.1.1称重传感器
41.称重传感器也称为荷重传感器或重量感应器，其工作原理是将重量信号或压力信号转换成电信号，称重传感器用于感应是否有人员通过称重传感器；若有人员通过称重传感器则采集人员的体重信息，并发送给信息处理装置。
42.优选的，称重传感器采用金属电阻应变片组成测量桥路，利用金属电阻丝在张力作用下伸长变细，电阻增加的原理，即金属电阻随所受应变而变化的效应而制成的。该元件在市场上已经发展地十分成熟，不仅结构简单，而且成本低。
43.1.2接触式扫描元件
44.接触式扫描元件也称为接触式图像感应装置，用于扫描经过称重传感器的人员鞋型图像信息，并将图像信号转变为电信号传输给信息处理装置；
45.优选的，接触式扫描元件采用触点式感光元件进行感光，在扫描平台下布置300至600个红、绿、蓝三色发光二极管传感器，产生白色光源，当被扫描物体直接接触扫描平台时，对内部光源照射到被扫描物体上的反射光进行感光后将图像信号转变为电信号。该元件在市场上已经发展地十分成熟，该元件具有体积小、重量轻、生产成本低等优点，广泛应用在传真机、扫描仪、打印机等设备中。
46.需要值得说明的是，仅当称重传感器接收到人员体重信息时，接触式扫描元件扫描收集到的人员鞋型图像信息才有效。
47.2、信息处理装置
48.信息处理装置包括图像处理模块、分析模块、计数模块和数据传输模块，其中，图像处理模块用于处理人员鞋型图像信息并识别人员鞋长信息和脚印朝向信息；计数模块用于根据称重传感器是否接收到压力信号，再结合脚印朝向信息对室内总人数进行计数，得到室内实时人数；分析模块用于根据人员鞋长信息预测人员身高；分析模块还用于结合人员脚长信息和人员体重信息预测人员性别，从而预测人员发热量，并结合计数模块计算的室内实时人数，计算出室内人员总负荷，进而计算出空调系统建议的新风量、送风温度等送风参数信息；
49.2.1图像处理模块
50.图像处理模块用于接收接触式扫描元件输出的人员鞋型的图像信息，收集人员鞋型的图像信息中两个最远像素点计算路径信息得到人员鞋长信息。
51.另一方面，图像处理模块整合人员鞋型图像中的边缘像素点，并将所有边缘像素点构成为整个鞋型的形状，分别连接鞋型边缘的图像信息中两个最远像素点和两个最近像
素点做两条路径矢量，两条矢量相交构成的夹角应为直角，直角将两个最远像素点连成的图像中最长的路径截成两段，较长的一段和较短的一段，分别定义为“长端”与“短端”。此外，定义整体图像边界中靠近室内和靠近室外的参考边界。当“长端”较“短端”距离靠近室内的参考边界更近时，可判别为脚印朝向房间；当“长端”较“短端”距离靠近室外的参考边界更近时，可判别为脚印背向房间。通过以上图像分析流程，可得到脚印朝向信息，通过脚印朝向信息来判断室内人数增加或减少，若脚印朝向房间即判别为“人员进入房间”，若脚印背向房间即判别为“人员离开房间”，即为判别人员出入。
52.2.2计数模块
53.计数模块用于综合称重传感器收集的人员出入时的压力信号和脚印朝向信息计算室内人员数量，接收称重传感器获取的人员体重信息和图像处理模块获取的脚印朝向信息计算室内实时人数，得到室内实时人数，并传输至分析模块和信息显示装置。
54.当房间内无人时，计数模块的初始值为零，当称重传感器收集到人员体重信息时结合脚印朝向信息，当脚印朝向房间时，计数模块计数值 1，即“室内人员增加一人”；反之，当脚印背向房间时，计数模块计数值
‑
1，即“室内人员减少一人”。
55.值得说明的是，计数模块仅当同时接收到称重传感器的人员体重信息和图像处理模块的脚印朝向信息时，才会改变计数模块的计数值；
56.2.3分析模块
57.分析模块用于接收称重传感器输出的人员体重信息和图像处理模块计算得到的人员鞋长信息预测室内人员的性别，得到单独人员发热量，结合计数模块输出的室内实时人数，得到热负荷，并结合室内实时人数和总发热量信息得到空调的实时负荷，通过空调的实时负荷计算新风量、送风温度等送风参数，并发送给信息显示装置；
58.分析模块包括人员身高信息预测单元、人员性别信息预测单元、负荷计算单元和送风参数计算单元。
59.2.3.1人员身高信息预测单元用于通过鞋长信息预测人员身高；接收图像处理模块输出的人员鞋长信息，根据人员鞋长信息，结合“一般情况下，成年人身高与脚印长度的比例为7：1”的一般性规律，预测通过识别装置人员身高信息，记录并发送给人员性别信息预测单元和负荷计算单元，值得说明的是，这只是一个模糊预测；
60.2.3.2人员性别信息预测单元用于获取图像处理模块输出的人员鞋长信息和称重传感器输出的人员体重信息，通过体重信息和鞋长信息预测人员性别信息，并发送到负荷计算单元；
61.具体的，人员性别信息的预测方法结合国家卫健委发布《中国居民营养与慢性病状况报告(2020年)》中统计的我国成年男性和女性平均体重、身高等信息，定义：当人员体重大于等于65kg或鞋长大于等于245mm时，认定通过人员为男性；当人员体重小于等于65kg或鞋长小于245mm时，认定通过人员为女性。
62.2.3.3负荷计算单元用于接收人员性别信息，通过性别信息预测单个人员代谢率和发热量，结合计数模块计算的室内实时人数，得到室内人员总负荷；
63.具体的，ashrae standard 55
‑
2020规范中“成年男子静坐时发热量约为108w，成年女子散热量为男子的85％”；
64.进一步的，所述负荷计算单元通过控制器将人员数量信息和性别信息输入热负荷
计算公式中，计算室内人员热负荷：
65.q＝0.85
·
n1
·
q n2
·
q
66.其中，q为室内人员热负荷(w)，n1为室内女性人员数量，n2为室内男性人员数量，q为单个成年男子发热量(w)。
67.2.3.4送风参数计算单元接收空调的实时负荷，利用实时负荷与送风量、送风温差之间的关系式计算得到在实时人员的负荷下的风量、送风温度等送风参数的具体数值，并将其传输至信息显示装置。
68.进一步的，所述送风参数计算单元根据室内人员实时热负荷信息，根据公式
69.q＝c
p
·
m
·
δt
70.上式中，q为室内人员热负荷(w)，c
p
为空气定压比热(w/kg
·
℃)，m为送风量(m3/h)，δt为送风温差(℃)，可以计算送风量、送风温度等建议送风参数。
71.2.4数据传输模块
72.数据传输模块用于将人员信息数据以及对应的空调工况参数利用无线数据传输技术上传至计算机和通风空调控制器，实现远程显示和自动化控制，在信息显示装置或空调控制屏中远程显示相关数据。
73.3.信息显示装置
74.信息显示装置用于接收经数据采集装置和信息处理装置的处理后的人员信息、建议送风参数信息，并显示室内人员人数、送风参数等数值信息；当人员经过识别装置时，显示人员体重、预测身高、预测性别等信息。
75.信息显示装置的主要目的是给室内人员提供精确控制空调系统的风量、风温和风速的参考数值。
76.信息显示装置是以电子显示屏来呈现数据信息的。
77.对于大型的中央空调系统，所述信息显示装置后续可以继续开发拓展为监控中心显示屏，所述监控中心显示屏利用无线数据传输技术接受来自信息处理装置传输的信息，用于向设备控制室工作人员实时提供与人员信息对应的调控信号，以供空调系统管理人员查看进行人为调控。
78.如图2所示，本发明提供的一种辅助按需送风空调系统的室内人员多层次信息识别方法，具体步骤如下：
79.1.称重传感器感应收集进入室内的人员体重信息，同时接触式扫描元件收集人员鞋型图像信息；
80.2.图像处理模块接收人员鞋型图像信息，通过像素值分析得到人员脚印长度信息和脚印朝向信息，脚印长度信息发送至分析模块，脚印朝向信息发送计数模块；
81.3.计数模块接收称重传感器发出的脚印朝向信息，并根据人员出入时脚印朝向房间或背向房间进行室内实时人数的计数，获得室内实时人数信息并发送给分析模块；
82.4.分析模块接收室内实时人数信息、人员体重信息、脚印长度信息；
83.5.分析模块中人员身高预测单元通过脚印长度信息预测人员身高；
84.6.分析模块中人员性别预测单元通过体重信息、脚印长度，预测人员性别；
85.7.分析模块中负荷计算单元通过人员性别信息计算单个人员发热量，根据室内实时人数信息和单个人员发热量计算实时人员热负荷；
86.8.分析模块中送风参数计算单元根据实时人员热负荷计算空调系统的建议新风量、送风温度等送风参数信息；
87.9.信息显示装置收以上所有信息，在人员通过识别装置时显示人员体重信息、身高信息；与此同时，信息显示装置持续显示室内人数信息、室内实时热负荷、建议新风量和建议送风温度。
88.具体实施中不利情况的解决办法：
89.1.若接触式扫描元件收集到某物体的图像信息，但与此同时，称重传感器没有人员体重信息的输入，即没有感应到人员通过装置表面，则收集的图像信息无效，不做后续处理。本设置旨在防止其他物体阴影导致的接触式扫描元件错误扫描而造成的误判；
90.2.若穿着高跟鞋的女性通过装置表面，即接触式扫描元件收集到高跟鞋印这种特点的不连续的图像信息，视为该情况发生。则分析模块略过预测人员身高的步骤，直接判定通过人员为女性，以女性人员发热量进行实时人员热负荷计算；
91.3.若一人以上人员同时通过本装置出入房间时，即当称重传感器收集的体重信息大于90kg，且接触式扫描元件收集到的鞋型图像信息中有两个以上的独立的图像，视为该情况发生。否则装置收集的信息无效，不做任何处理。