0 引言

    體感溫度是在氣溫、濕度、風(fēng)速、太陽輻射等多種氣象因素綜合作用下反映人體實際冷暖感受的參考溫度^[1]。室內(nèi)與室外環(huán)境存在一定差異，體感溫度也有所不同，人們往往在身體冷暖感覺改變時才作出穿衣調(diào)整，存在一定滯后性；老人和小孩對環(huán)境變化不敏感，抵抗力弱，更容易因為穿衣不當(dāng)而引發(fā)疾病。本文介紹了一套體感溫度評價系統(tǒng)，能顯示室內(nèi)及室外的氣溫、相對濕度以及體感溫度等數(shù)據(jù)，提供了不同環(huán)境下的穿衣參考。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

    整個系統(tǒng)分為兩部分，一是負(fù)責(zé)環(huán)境數(shù)據(jù)采集的硬件系統(tǒng)，二是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理的穿衣助手App軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。溫濕度傳感器DHT11采集室內(nèi)環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，由低功耗藍(lán)牙（Bluetooth Low Energy，BLE）片上系統(tǒng)nRF51822無線傳輸數(shù)據(jù)，安卓手機穿衣助手App接收數(shù)據(jù)并計算體感溫度，再由體感溫度查詢衣服數(shù)據(jù)庫，最后顯示室內(nèi)環(huán)境下適合穿著的衣服。另外，App通過網(wǎng)絡(luò)爬蟲獲取了室外的天氣信息，并通過相同的方法得到室外環(huán)境下適合穿著的衣服。

2 硬件設(shè)計

2.1 低功耗藍(lán)牙片上系統(tǒng)nRF51822

    nRF51822是Nordic半導(dǎo)體公司開發(fā)的低功耗藍(lán)牙片上系統(tǒng)，片內(nèi)包含支持BLE協(xié)議的2.4 GHz射頻收發(fā)器。單芯片即可完成主控制以及藍(lán)牙通信功能，體積小巧，功耗極低，適合作為本系統(tǒng)的控制器和信號發(fā)射器。

2.2 溫濕度傳感器DHT11

    DHT11數(shù)字溫濕度傳感器模塊能同時測量空氣溫度和相對濕度，它輸出的是已校準(zhǔn)的數(shù)字信號，硬件搭建簡單，產(chǎn)品價格低廉，且測量范圍和測量精度（如表1所示）均滿足室內(nèi)溫濕度的測量需求，因此采用DHT11溫濕度模塊作為系統(tǒng)的傳感器部分。

3 軟件部分設(shè)計

3.1 室外體感溫度獲取

    中央氣象臺官方網(wǎng)站提供了豐富的天氣信息，使用網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)可以抓取本系統(tǒng)所需的氣象數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)爬蟲是一種能自動訪問互聯(lián)網(wǎng)并抓取特定數(shù)據(jù)的程序，它一般由URL管理器、網(wǎng)頁下載器和網(wǎng)頁解析器等構(gòu)成，運行流程如圖2所示。在本系統(tǒng)中，App首先通過GPS定位獲取當(dāng)前所在城市，得到當(dāng)?shù)貧庀蟛樵兊木W(wǎng)頁鏈接URL，然后啟動爬蟲程序傳入URL，URL管理器判定該URL未訪問過，于是將其傳入網(wǎng)頁下載器進行網(wǎng)頁的自動訪問和下載，網(wǎng)頁解析器再對下載到本地的網(wǎng)頁進行分析，提取當(dāng)前氣溫、相對濕度、體感溫度等目標(biāo)信息，最后App將這些數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來。

3.2 藍(lán)牙通信編程

    室內(nèi)溫濕度采集設(shè)備采集到溫濕度數(shù)據(jù)后，使用藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)前，需要先在通信雙方建立藍(lán)牙連接。室內(nèi)溫濕度采集系統(tǒng)是發(fā)送端，穿衣助手App是接收端。發(fā)送端打開廣播，接收端開始掃描，藍(lán)牙成功配對后，發(fā)送端進入循環(huán)發(fā)送模式，每隔5 s發(fā)送一次溫濕度數(shù)據(jù)。接收端循環(huán)接收數(shù)據(jù)，每次數(shù)據(jù)更新后都會調(diào)用體感溫度計算函數(shù)。室內(nèi)溫濕度采集設(shè)備的程序流程圖如圖3所示。

3.3 室內(nèi)體感溫度與穿衣指數(shù)算法

    室內(nèi)的體感溫度主要取決于空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速和室內(nèi)平均輻射溫度這4種環(huán)境因素^[2]。氣溫是最主要影響因素，在外界氣溫變化下，人體通過散熱或產(chǎn)生熱量維持自身體溫恒定，從而產(chǎn)生冷熱感受^[3]。低濕度對體感溫度的影響不大，但是濕度較高時，溫度越高（越低），體感溫度增加（減少）也越明顯，即高溫悶熱，低溫濕冷^[4]。風(fēng)速可以加快人體與周圍環(huán)境的熱交換，氣溫不變時，風(fēng)速越大，降溫效果越明顯，體感溫度越低^[3]。

    體感溫度的計算方法有很多。朱學(xué)玲等提出的計算公式形式簡單^[3]，但是方程系數(shù)是根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蚣叭巳旱奶攸c制定的，不具有普適性。Fanger教授提出的PMV指標(biāo)綜合考慮了熱環(huán)境主要參數(shù)與人體的熱感覺，是目前最通用的室內(nèi)熱環(huán)境評價指標(biāo)^[5]，但是計算公式中的變量繁多，計算復(fù)雜且難以實際測量，不利于本系統(tǒng)實現(xiàn)。而由馬盼等人提出的體感溫度計算方法及相應(yīng)舒適度劃分^[6]，考慮了各地的緯度、月份等氣候差異，普適性強，而且公式簡潔，參量易于測量，因此本系統(tǒng)采用此模型來計算室內(nèi)的體感溫度。計算方法如下^[6]：

    先計算“最佳舒適溫度”Ts：

式中T_a為空氣溫度(℃)，RH為相對濕度(%)，RHs為最適相對濕度(%)，室內(nèi)環(huán)境下認(rèn)為RHs=50%，V為風(fēng)速（m/s）。C_i(i=1，2，3，4)為常數(shù)，當(dāng)T_a≥T_s時，C₁=1，C₂=0.05，C₃=-1，C₄=-0.03；當(dāng)T_a<T_s時，C₁=-1，C₂=-0.013，C₃=1，C₄=0.01。

    在本系統(tǒng)中，緯度可由安卓手機GPS定位得到，空氣溫度T_a、相對濕度RH由溫濕度傳感器DHT11采集得到。把風(fēng)速V作為人為調(diào)整項處理，因為室內(nèi)環(huán)境下風(fēng)速一般趨于零，在電風(fēng)扇或空調(diào)開啟時風(fēng)速會發(fā)生顯著變化，這屬于人為調(diào)控帶來的影響，也不便于傳感器的測量，因此在App中風(fēng)速檔位W由用戶自主選擇，0～3一共4檔分別對應(yīng)了0、2、4、6（m/s）4種風(fēng)速V。

    冷暖度以及適合穿著的衣服都可以從體感溫度得到。把冷暖度劃為11個等級，取變量D_t=22.7-T_s表示當(dāng)?shù)刈钸m溫度與理論最適溫度的偏差，用來微調(diào)冷暖度的劃分^[6]。設(shè)穿衣指數(shù)為i(0≤i≤100)，代表適合穿著的衣服的保暖度，i=100表示最保暖的衣服，i=0是最涼爽衣服，把穿衣指數(shù)i平均分為11段，即可與馬盼等人提出的11個舒適度(這里表述為冷暖度)等級形成一一對應(yīng)，對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

3.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

    最后只要把計算得到的體感溫度和穿衣指數(shù)與錄入數(shù)據(jù)庫中的衣服指數(shù)作匹配，即可查找到適合當(dāng)前環(huán)境穿著的衣服以及對應(yīng)的照片。采用SQLite數(shù)據(jù)庫作為衣服數(shù)據(jù)的存儲方式。SQLite是一個輕量級的、嵌入式的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，可以方便地使用SQL語句實現(xiàn)數(shù)據(jù)的增加、修改、刪除、查詢、事務(wù)控制等操作，而且所有數(shù)據(jù)被集中保存到一個數(shù)據(jù)庫文件中，方便對衣服數(shù)據(jù)集中管理。

    穿衣助手App程序流程圖如圖4所示。

4 實驗結(jié)果與分析

    在一間3人學(xué)生宿舍中由兩名實驗人員進行實驗，考慮環(huán)境溫度、濕度以及風(fēng)速對體感溫度的影響。實驗者A坐在空調(diào)的出風(fēng)口下，正好能吹到風(fēng)；實驗者B通過調(diào)整空調(diào)溫度、風(fēng)速，在空調(diào)出風(fēng)口位置加水等方式改變環(huán)境的溫濕度和風(fēng)速，每次調(diào)整后待空調(diào)指示的室內(nèi)溫度穩(wěn)定再記錄App顯示的溫濕度數(shù)據(jù)、體感溫度、冷暖度以及穿衣推薦，同時通知實驗者B記錄自身的冷暖感受。兩位實驗者保持相對獨立，不能交換數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果如表3所示。

    從表中的第1組與第2組、第4組與第5組數(shù)據(jù)可以看出，風(fēng)速增大會降低濕度，同時人體感覺更冷。從第1組與第4組數(shù)據(jù)看出，濕度、風(fēng)速不變下，溫度升高，人體感覺變熱，證明上述觀測數(shù)據(jù)與前文分析的環(huán)境因素對人體冷暖感受的影響大致相符。從實驗者冷暖感受與App的計算結(jié)果看出，本系統(tǒng)采用的體感溫度的計算方法在高溫段與低溫段均能較準(zhǔn)確地反映人體的冷暖感受。但是在第3組數(shù)據(jù)中，冷暖度判斷出現(xiàn)了較大差異，說明對于空氣溫度T_a接近于最適溫度T_s的情況，模型需要做出適當(dāng)修正。

    圖5是兩張App截圖，其中室內(nèi)數(shù)據(jù)對應(yīng)的是表3中的第5組實驗數(shù)據(jù)。由圖可見，室外實時氣溫是12.4 ℃，濕度較高（69%），人體感覺濕冷，因此體感溫度較低，只有11.6 ℃，系統(tǒng)指出冷暖度為涼，推薦穿薄棉衣，與人體判斷大致相符。室內(nèi)由于開了空調(diào)且進行了加濕，溫度為26 ℃，濕度為70%，人體感覺悶熱，因此體感溫度比氣溫要高（26.6 ℃），系統(tǒng)推薦穿薄襯衣或薄外套等春秋裝，比人體判斷稍微偏厚。

5 結(jié)束語

    本文設(shè)計的體感溫度評價與穿衣指引系統(tǒng)能提供室外和室內(nèi)的冷暖度和穿衣參考。系統(tǒng)在硬件部分采用了低功耗藍(lán)牙技術(shù)、成本低廉的溫濕度傳感器以及廣泛使用的安卓手機，軟件部分使用了高效準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)和簡化的體感溫度計算模型。整個系統(tǒng)在實現(xiàn)簡單的同時不失較好的效果，能廣泛應(yīng)用于各種一般測量精度需求的環(huán)境。體感溫度計算的準(zhǔn)確性依賴于傳感器精度和體感溫度模型，而后者是關(guān)鍵，需要對大量實驗數(shù)據(jù)進行分析，進一步修正體感溫度計算公式，從而提高冷暖度評價的準(zhǔn)確性。

參考文獻

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作者信息：

李  翀1，許武軍1，2，范  紅1，2

（1.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海201620；2.數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心，上海201620）