基于主动红外入侵探测的在室人数测试方法.pdf

第 46 卷第 6 期2023 年 6 月重庆大学学报Journal of Chongqing UniversityVol.46 No.6Jun.2023 基于主动红外入侵探测的在室人数测试方法徐文璐，刘猛，刘欢（重庆大学 a.土木工程学院；b.国家级低碳绿色建筑国际联合研究中心；c.绿色建筑与人居环境营造国际合作联合实验室；d.风工程及风资源利用重庆市重点实验室，重庆 400045）摘要：在室人数与建筑用能系统紧密相关，实时在室人数的监测是建筑用能行为方向的热点问题之一。红外传感是现有研究方法中应用较广泛的方法，其测试精度与安装高度、人员通过速度及人员体型等因素有关，选取主动红外入侵探测器，依据建筑室内人员活动情况，研究了安装高度、通过速度及人员体型对在室人数测试精度的影响。研究结果表明，考虑各种人员体型及通过速度时，测试精度随安装高度的降低先升高后降低。通过速度越慢，测试精度越高，当 v1.4 m/s时，测试精度低于 60%；当 1.0 m/sv1.4 m/s时，测试精度为 70%81%；当 v1.0 m/s时，测试精度高于 95%，当v0.8 m/s时，测试精度达到 100%等。被测人员的身高和体重指数（BMI）均与测试精度呈强正线性相关。通过不同工况分析，提出了应用于实际场景的综合精度估算方法。关键词：主动红外入侵探测；在室人数；安装高度；通过速度；人员体型；精度中图分类号：TU831 文献标志码：A 文章编号：1000-582X(2023)06-051-10A measurement method of occupancy based on active infrared intrusion detectionXU Wenlu,LIU Meng,LIU Huan（a.School of Civil Engineering;b.National Center for International Research of Low-carbon and Green Building;c.Joint International Research Laboratory of Green Building and Built Environment;d.Chongqing Key Laboratory of Wind Engineering and Wind Energy Utilization,Chongqing University,Chongqing 400045,P.R.China）Abstract:Occupancy is closely related to the building energy consumption system and real-time monitoring occupancy is one of the hot issues in the study of building energy consumption behavior.Infrared sensing is a widely used method in existing research methods.Its measurement precision is related to installation height,personnel passing speed,personnel somatotype and other factors.In this study,the active infrared intrusion detector was selected to investigate the effects of installation height,passing speed and personnel somatotype on the measurement precision of occupancy according to the indoor occupants activities.The results show that the measurement precision first increased and then decreased with the decrease of the installation height when considering various personnel somatotype and passing speed.The slower the passing speed,the higher the doi：10.11835/j.issn.1000-582X.2022.256收稿日期：2021-12-14 网络出版日期：2022-03-08基金项目：国家重点研发计划（2018YFD1100704）。Supported by the National Key R&D Program of China（2018YFD1100704）.作者简介：徐文璐（1997），女，硕士研究生，主要研究方向为暖通空调理论与技术，（E-mail）。通信作者：刘猛，男，教授，博士生导师，（E-mail）。重 庆 大 学 学 报第 46 卷measurement precision.When v1.4 m/s,the precision was less than 60%;when 1.0 m/sv1.4 m/s,the precision was 70%81%;when v1.0 m/s,the precision was higher than 95%;When v0.8 m/s,the precision was 100%.The height and body mass index(BMI)of the tested people were positively correlated with the measurement precision.Through the analysis of different operating conditions,an estimation method of comprehensive precision applied to actual scenes was proposed.Keywords:active infrared intrusion detection;occupancy;installation height;passing speed;personnel somatotype;precision近年来，由于能源的日益枯竭，节能问题引起了可持续发展的高度关注。建筑能耗占全球能源消耗总量的 30%以上1。建筑节能的关键是只在需要的时间和地点提供所需数量的建筑服务2，而人员是建筑服务的主要对象，因此实时在室人数的获取是实现更有效的控制和管理策略以节约能源这一目标的关键问题。由于居住者行为的随机性、室内现有条件及测量工具的局限性，特定时间特定空间的在室人数的动态数据获取仍然是一个繁琐、易错且昂贵的过程3。获取在室人数最基本的方法是实地调研和问卷45，但是这种方法通常需要耗费较多人力成本，人工数据录入和处理存在不便，同时调查结果易受被访问者的主观因素影响6。近年来，随着传感、通信及计算机技术的飞快发展，利用传感器收集人员在室信息成为挖掘室内人员移动行为规律的有效手段7。现有在室人数监测方法可分为直接法和间接法，直接法主要包括视频监控、红外线、无线信号及接触传感等，而间接法主要包括环境传感器、能耗计量仪器等。视频监控可以获取非常全面的人员信息，但是由于其数据存储量大、费用高昂、涉及隐私和人员相关信息提取技术对非专业人士来说比较困难89等问题，视频监控在人员在室的研究应用中受到了极大的限制。无线信号感知一般通过 WIFI1011、射频识别12及 Zigbee无线13等技术来实现在室人数的探测，但是由于存在用户携带移动设备但 WIFI未开启、用户未携带移动设备及一位用户携带多部设备的现象，所以无线信号感知的方法存在一定误差。也有研究2,1415通过在人员座椅上安装压力传感器来估计在室人数，利用安装在鼠标和键盘上的传感器来感应是否有人员在使用电脑办公，从而判断人员在室的时间段和人员数量，但这种方法无法判断人员在室内却不在座位上或不使用电脑的情况。近年来，有研究推荐使用环境参数3,1618，比如光、温度、湿度和 CO2浓度来估计室内人数，此方法不涉及隐私问题，但门窗位置、新风量、传感器响应时间，以及人员与传感器的距离等都会给估计带来误差19。而基于能耗计量仪器（智能电表20、功率表21等）的在室人数监测方法也只能识别到使用特定设备时的人员活动22。综上，由于工作原理的不同，不同传感器评估和监测在室人数时有着各自的特性和局限性8。因此，需要为读者提供清晰且详尽的在室人数测试方法。1研究方法1.1基本原理相比于现有的其他在室人数监测技术，主动红外入侵探测器有体积小、寿命长、灵敏度高、安装方便、价格低廉且不涉及隐私等优势23。主动红外入侵探测器主要包括投光器和受光器两部分，在电源的驱动下，投光器中的发光二极管发射红外光束，红外光束通过光学系统被聚焦成细长的平行光束发送给受光器，受光器经光学系统接收红外光束之后，光信号通过光电传感器后转换为电信号，当光束被遮挡，控制器通过对信号适当处理之后进行计数23。而主动红外入侵探测器的测试精度主要由红外光束被遮挡的持续时间决定24，当被遮挡的持续时间超过某一值时，探测器就会进行计数，当被遮挡的持续时间低于某一值时，探测器就不会进行计数。其中，红外光束被遮挡的持续时间主要由遮挡物体的厚度以及运动速度决定2526。对于遮挡物体为人体的应用场景，将主动红外入侵探测器安装在外门的不同高度，对应的则是人52徐文璐，等：基于主动红外入侵探测的在室人数测试方法第 6 期体不同厚度的身体部位对红外光束进行遮挡。所以主动红外入侵探测器的安装高度、被测人员的通过速度以及体型都将成为影响探测器测试精度的因素，而现有研究并没有对影响主动红外入侵探测器的测试精度的因素进行详细分析，因此这便成为了本研究的重点。1.2实测情况选取主动红外入侵探测器作为实验仪器，该探测器可对进出房间的人员实现方向自动识别与自动计数，适合人员依次进出或人流密度不大的场所使用，例如普通住宅、小型办公室、宿舍等。探测器在房间出入口处形成由两束平行红外线组成的无形屏障，并对人员进入或离开房间时造成的每一次遮挡进行计数，可以实现以 5 min为时间间隔对数据进行记录。考虑探测器的安装高度、被测人员的通过速度及体型为工况参数。其中，在对被测人员体型进行筛选时主要考虑身高和体重这 2 个参数，由于单纯地对比不同身高的人之间的体重是没有意义的，因此选取BMI（body mass index,体重指数）来表征人员身体的厚度27，BMI（kg/m2）可以根据人员的身高（h/m）和体重（m/kg）通过公式BMI=m/h2计算得出。根据 BMI中国标准划分，BMI18.5 kg/m2为偏瘦，18.523.9 kg/m2为正常，24.027.9 kg/m2为超重，BMI28.0 kg/m2为肥胖28。本次测试一共选取了 10 位被测人员进行反复测试，他们的体型信息见表 1。测试时将探测器安装在房间外门上，外门尺寸（宽高）为 0.9 m2.0 m，安装时需注意将探测器安装牢固且投光器和受光器必须对齐。本次测试通过在门框的 6种高度处逐一安装探测器，观察人员通过红外光束时，探测器的指示灯是否闪烁来判断探测器是否探测到人员的进出，指示灯闪烁代表探测到人员通过，记为 1，指示灯不闪烁代表没有探测到人员通过，记为 0。值得说明的是本研究中人员的行走速度值是根据人员匀速行走 6 m 所需的时间计算出来的。使用秒表来测量行走速度的方法仍然在临床环境中广泛应用，因为这种由秒表进行的测量快捷、重复性好、价格便宜、可行，而且不需要专业培训29。如图 1所示，本次测试