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(shí)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(shí)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?yàn)榇┮虏划?dāng)而引發(fā)疾病。本文介紹了一套體感溫度評價(jià)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(jì)

    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(jī)穿衣助手App接收數(shù)據(jù)并計(jì)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(jì)

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(shí)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(jià)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(jì)

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(yùn)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U(xiǎn)RL，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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jì)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(shí)，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(shí)，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(jì)算方法有很多。朱學(xué)玲等提出的計(jì)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(diǎn)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(jià)指標(biāo)^[5]，但是計(jì)算公式中的變量繁多，計(jì)算復(fù)雜且難以實(shí)際測量，不利于本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。而由馬盼等人提出的體感溫度計(jì)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(qiáng)，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(jì)算室內(nèi)的體感溫度。計(jì)算方法如下^[6]：

    先計(jì)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(shí)，C₁=1，C₂=0.05，C₃=-1，C₄=-0.03；當(dāng)T_a<T_s時(shí)，C₁=-1，C₂=-0.013，C₃=1，C₄=0.01。

    在本系統(tǒng)中，緯度可由安卓手機(jī)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(xiàng)處理，因?yàn)槭覂?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(shí)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(jì)

    最后只要把計(jì)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(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

    在一間3人學(xué)生宿舍中由兩名實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，考慮環(huán)境溫度、濕度以及風(fēng)速對體感溫度的影響。實(shí)驗(yàn)者A坐在空調(diào)的出風(fēng)口下，正好能吹到風(fēng)；實(shí)驗(yàn)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(shí)通知實(shí)驗(yàn)者B記錄自身的冷暖感受。兩位實(shí)驗(yàn)者保持相對獨(dú)立，不能交換數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)者冷暖感受與App的計(jì)算結(jié)果看出，本系統(tǒng)采用的體感溫度的計(jì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由圖可見，室外實(shí)時(shí)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(jìn)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(jì)的體感溫度評價(jià)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(jī)，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(jì)算模型。整個系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)簡單的同時(shí)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(jì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)一步修正體感溫度計(jì)算公式，從而提高冷暖度評價(jià)的準(zhǔn)確性。

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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）