TWI493145B - 智慧型空氣過濾系統及其運作方法 - Google Patents

Description

智慧型空氣過濾系統及其運作方法

一種空氣過濾系統，特別是指一種利用可程式化系統邏輯單晶片配合可拓關聯函數演算法，藉以判斷環境人數變化及溫濕度變化，進而達到節能目的之智慧型空氣過濾系統。

基於建築技術的進步，高度氣密式建築如高樓住宅、辦公室、廠房等愈趨增多。然而，在此等高度氣密環境下，不良之環境空氣品質影響人體健康甚鉅，也因此導致空氣過濾系統的盛行。

傳統之空氣過濾系統，其運作原理基本係利用將環境之空氣，引入空氣過濾系統內進行淨化，再將淨化後空氣藉由風扇等設備抽離出而達到淨化環境空氣的效果。空氣過濾系統通常包括若干空氣淨化設備以對引入之空氣進行過濾淨化，例如濾網或負離子產生器等。

此外，近來隨著能源短缺議題備受重視，電器用品的節能化亦日漸趨重要。為達節能目的，傳統空氣過濾 系統做法係監控環境中空氣的變化(如溫濕度)，藉由環境溫濕度變化調整由主機中產生之淨化空氣量，藉此減少供應電源而達到省電效果。然而，環境中空氣之變化與人之進出習習相關，舉凡人數變化以及人員活動產生之溫濕度變化等因素，皆會影響到環境中空氣之變化。傳統之作法未考慮到人數變化造成的影響，無法反應實際之環境空氣變化狀況，也因此無法真正有效達到節能省電的效果。

另有若干前案提及偵測人數的各種方式，然而其系統若非僅能偵測人員有無，即是建置系統設備過於複雜，並不能適用於一般之空氣過濾系統。也因此真正能利用偵測人數配合環境之變化之而達到節能功效之智慧型空氣過濾系統仍未被提出。

本發明提供一種智慧型空氣過濾系統，利用具有邏輯判斷功能的先進可程式化系統邏輯單晶片(PSOC，Programmable System On Chip)，結合光感測器及溫濕度感測器，並配合可拓關聯函數演算法，可有效地判斷人數變化對環境空氣產生之影響，藉此達到節能省電之目的。

本發明之一態樣在提供一種智慧型空氣過濾系統，包含一供電系統、一可程式化系統邏輯單晶片、一空氣淨化設備以及一光感測器。供電系統用以提供系統所需電源。可程式化系統邏輯單晶片與供電系統電性連接，其可接收外界訊息，並判斷調整供電系統之輸出電源功率。 空氣淨化設備與可程式化系統邏輯單晶片電性連接，可程式化系統邏輯單晶片接收外界訊息，並判斷調整空氣淨化設備之淨化時間。光感測器與可程式化系統邏輯單晶片電性連接，其用以偵測空氣淨化設備所在環境中進出之人數變化訊息，並將人數變化訊息傳遞至可程式化系統邏輯單晶片。

上述智慧型空氣過濾系統中，供電系統可包含一充電控制器及一蓄電裝置。充電控制器用以接收外界電源；蓄電裝置與充電控制器電性連接，蓄電裝置用以儲存智慧型空氣過濾系統所需電量。其中，外界電源可由一太陽能電池或由一般家用電源提供。空氣淨化設備可包含一打氣機、一蓄水裝置、至少一風扇、一濾網以及一負離子產生器。打氣機用以將被過濾之空氣引入空氣過濾系統內。蓄水裝置與打氣機連接，蓄水裝置儲存有過濾水，藉以過濾打氣機引入之被過濾空氣。至少一風扇用以抽取被過濾空氣。一濾網用以過濾風扇抽取之被過濾空氣。負離子產生器用以接收經濾網過濾之被過濾空氣後，產生所需之負離子。

智慧型空氣過濾系統更包含一驅動電路及一顯示裝置。驅動電路電性連接可程式化系統邏輯單晶片及空氣淨化設備。顯示裝置與可程式化系統邏輯單晶片電性連接，用以顯示供電系統電量。顯示裝置可為彩色發光二極體燈、液晶顯示器或發出聲響之顯示裝置。

本發明另一態樣在提供一種智慧型空氣過濾系統 的運作方法，包含：光感測器偵測空氣淨化設備所在環境中進出之人數變化訊息；光感測器將人數變化訊息傳遞至可程式化系統邏輯單晶片；可程式化系統邏輯單晶片依人數變化訊息調整空氣淨化設備之淨化時間及供電系統之輸出電源功率。

本發明又一態樣在提供一種智慧型空氣過濾系統，包含一供電系統、一可程式化系統邏輯單晶片、一空氣淨化設備、一光感測器以及一溫濕度感測器。供電系統用以提供所需電源。可程式化系統邏輯單晶片與供電系統電性連接，其可接收外界訊息，並判斷調整供電系統之輸出電源功率。空氣淨化設備與可程式化系統邏輯單晶片電性連接，可程式化系統邏輯單晶片接收外界訊息，並判斷調整空氣淨化設備之淨化時間。光感測器與可程式化系統邏輯單晶片電性連接，光感測器用以偵測空氣淨化設備所在環境中進出之人數變化訊息，並將人數變化訊息傳遞至可程式化系統邏輯單晶片。溫濕度感測器與可程式化系統邏輯單晶片電性連接，溫濕度感測器用以偵測空氣淨化設備所在環境中溫濕度，並將溫濕度變化訊息傳遞至可程式化系統邏輯單晶片。

本發明再一態樣在提供一種智慧型空氣過濾系統的運作方法，包含：光感測器偵測空氣淨化設備所在環境之人數變化訊息；溫濕度感測器擷取空氣淨化設備所在環境之溫濕度變化；可程式化系統邏輯單晶片計算人數與溫濕度關聯度；可程式化系統邏輯單晶片依據關聯度最大值 判斷空氣品質；可程式化系統邏輯單晶片依據空氣品質計算智慧型空氣過濾系統之淨化時間。

上述運作方法中，判斷關聯度之最大值係利用可程式化系統邏輯單晶片配合一可拓關聯函數演算法為之。

100‧‧‧智慧型空氣過濾系統

110‧‧‧供電系統

111‧‧‧太陽能電池單元

112‧‧‧第一直流/直流電流轉換器

113‧‧‧交流/直流電流轉換器

114‧‧‧充電控制器

115‧‧‧蓄電池

116‧‧‧第二直流/直流電流轉換器

120‧‧‧可程式化系統邏輯單晶片

130‧‧‧空氣淨化設備

131‧‧‧水槽

132‧‧‧打氣機

133‧‧‧第一風扇

134‧‧‧濾網

135‧‧‧負離子產生器

136‧‧‧第二風扇

140‧‧‧光感測器

150‧‧‧驅動電路

160‧‧‧彩色發光二極體燈

170‧‧‧溫濕度感測器

第1圖繪示本發明之智慧型空氣過濾系統之一實施例架構圖。

第2圖繪示依據第1圖中智慧型空氣過濾系統之運作流程圖。

第3圖繪示依據第1圖中可程式化系統邏輯單晶片之控制流程示意圖。

第4圖繪示依據第1圖中智慧型空氣過濾系統之另一實施例架構圖。

第5圖繪示可拓關聯函數演算法示意圖。

第6圖繪示依據第4圖中智慧型空氣過濾系統之運作流程圖。

以下將參照隨附之圖式來描述本發明為達成目的所使用的技術手段與功效。

請參照第1圖，第1圖繪示本發明之智慧型空氣過濾系統100之一實施例架構圖。智慧型空氣過濾系統100 包含供電系統110、可程式化系統邏輯單晶片120、空氣淨化設備130、光感測器140以及驅動電路150。供電系統110與可程式化系統邏輯單晶片120電性連接。可程式化系統邏輯單晶片120電性連接於驅動電路150，驅動電路150電性連接於空氣淨化設備130。供電系統110與可程式化系統邏輯單晶片120間互相傳遞訊息，並透過驅動電路150驅動空氣淨化設備130。光感測器140設置於空氣淨化設備130所在之環境中，並電性連接可程式化系統邏輯單晶片120。光感測器140用以偵測環境中人數變化量，並將人數變化量訊息傳遞至可程式化系統邏輯單晶片120。可程式化系統邏輯單晶片120根據人數變化量進行演算，並依據演算結果通知供電系統110調整輸出電源功率，亦通知空氣淨化設備130調整淨化時間，以改變空氣淨化設備130空氣輸出量。藉由上述方式，可以達到節能省電的效果。

供電系統110係作為提供智慧型空氣過濾系統100電源之用，其包含太陽能電池單元111、第一直流/直流電流轉換器112、充電控制器114、蓄電池115以及第二直流/直流電流轉換器116。充電控制器114接收外界電源後，控制蓄電池115儲電。外界電源可以利用太陽能電池單元111，並透過第一直流/直流電流轉換器112將光能轉變為電能後輸出至充電控制器114。在沒有太陽光及蓄電池115電量不足的狀況下，可改以普通家用電源，並透過交流/直流電流轉換器113電性連接至充電控制器114，藉以提供所需電源。

空氣淨化設備130作為淨化環境空氣之用，其包含水槽131、打氣機132、第一風扇133、濾網134、負離子產生器135以及第二風扇136。打氣機132引入外界環境空氣後，先以水槽131進行第一次過濾。第一次過濾之空氣經由第一風扇133抽取至濾網134進行過濾。同時，可經由負離子產生器135產生所需之負離子，再經由第二風扇136之抽取而回到環境中。過濾空氣之輸出量取決於第一風扇133及第二風扇136轉速。為控制第一風扇133及第二風扇136轉速，第一風扇133、第二風扇136以及負離子產生器135皆電性連接至可程式化系統邏輯單晶片120。可程式化系統邏輯單晶片120依據光感測器140所偵測之人數變化量，依特定演算法演算後，控制第一風扇133、第二風扇136以及負離子產生器135因應人數調整風扇轉速或負離子輸出量，藉以降低輸出功耗，達到節能目的。

上述之智慧型空氣過濾系統100中，亦可增設具各種燈光變化之彩色發光二極體燈160。彩色發光二極體燈160電性連接至驅動電路150，可作為顯示蓄電池115電量之用。

請參照第2圖，第2圖繪示依據第1圖中智慧型空氣過濾系統100之運作流程圖。步驟201係利用太陽能電池單元111作為電源來源。步驟202利用第一直流/直流電流轉換器112將光能轉變為電能後輸出至步驟204之充電控制器114。另外一種方式是欠缺太陽光時，利用常用之家用電源通過步驟203之交流/直流電流轉換器113將電力輸 入至步驟204之充電控制器114。步驟205中，蓄電池115藉由充電控制器114開始充電，儲存整個智慧型空氣過濾系統100所需電能。步驟206中，透過第二直流/直流電流轉換器116將蓄電池115儲存之電能輸出至步驟207之可程式化系統邏輯單晶片120。步驟207中，可程式化系統邏輯單晶片120接收步驟209及步驟210中，光感測器140傳回之人數變化訊息後，透過步驟211中之驅動電路150，依據人數變化調整步驟212中之第一風扇133、第二風扇136以及負離子產生器135之輸出量。步驟214中，外界空氣透過步驟215中之打氣機132引入，經過步驟216之水槽131先進行第一層過濾後，透過步驟212中之第一風扇133、第二風扇136以及負離子產生器135之輸出而完成步驟213中之空氣淨化程序。步驟208中，彩色發光二極體燈160亦可連接至可程式化系統邏輯單晶片120以偵測蓄電池115電量。

請參照第3圖，第3圖繪示依據第1圖中可程式化系統邏輯單晶片120之控制流程示意圖。光感測器140係用以偵測人數變化。例如當一人員進入智慧型空氣過濾系統100所在環境後，光感測器140感測到人數增加一人而將此訊息通知可程式化系統邏輯單晶片120；反之亦然。可程式化系統邏輯單晶片120具有先進之功能可偵測實際上複雜之人數變化。另外，亦可判斷蓄電池115電壓而將電力使用狀況藉由彩色發光二極體燈160顯示出來。需知電量表示方法不僅可由彩色發光二極體燈160，亦可由其他形 式，例如彩色顯示螢幕或聲音等方式表現出來。

請參照第4圖，第4圖繪示依據第1圖中智慧型空氣過濾系統100之另一實施例架構圖。於第1圖中，揭示利用光感測器140偵測人數變化，並配合可程式化系統邏輯單晶片120之運算功能，達到使空氣淨化設備130淨化時間可依人數變化調整，進而節省功耗效果。真實情況中，除了人數變化外，環境中尚有溫濕度的變化，此使實際狀況更為複雜。於第4圖中，增設一溫濕度感測器170，其亦與可程式化系統邏輯單晶片120電性連接，並將溫濕度變化訊息傳遞至可程式化系統邏輯單晶片120以供判斷。此時，由於人與溫濕度間具有相互影響的關係，因此可程式化系統邏輯單晶片120必須比對人數與溫濕度關聯度，再控制智慧型空氣過濾系統100之運作，藉此因應實際複雜環境狀況而達到真正節能效果。

上述對人數與溫濕度關聯度的判斷，係以一內建於可程式化系統邏輯單晶片120之可拓關聯函數演算法為之，請參照第5圖，第5圖繪示可拓關聯函數演算法示意圖。可拓關聯函數演算法可計算多個變數間的交互影響關聯度，從而以關聯度找出最大的影響因子。其基本理論如下：物元定義：設事物E的名稱為N，其關於特徵c的量值為v，則描述事物的基本元或物元為：E =(N,c,v) (1)。 依據物元特徵與物元質量之關係v=c(N)，可將式(1)轉化成式(2)所示：E =(N,c,c (N )) (2)。通常一件事物不會只有單具備一項特徵，所以其物元模型R=(N,c,c(N))亦可為多維物元；如式(3)所示為多維物元： 而式(3)中包含物元特徵向量C=[c1,c2,...,ci]T，其相對應之物元特徵量值向量可用V=[v1,v2,...,vi]T表示，則Ej=(N,cj,vj)(j=1,2,...,n)表示為E之j個子物元。將可拓理論中之可拓集合區域分成可拓節域Aj=(w,z)與可拓經典域Ai=(x,y)，則為實數域(-∞,∞)上之兩個區間，區間中之ai係隸屬於區間aj則表示為ai∩aj，若假設a值為實數區域上之一點，其關聯函數定義為式(4)與式(5)所示： 可拓經典域之關聯函數距為式(6)與(7)所示，則可拓之關聯函數距為式(4-7)所示： 式(4-5)中之R(a)為a與Ai區間之關聯程度，若當R(a)≧0時，則可稱a係隸屬於Ai之程度；反之若當R(a)≦0時，則a係不屬於Ai之程度。

依據上述公式，將人數、溫度與濕度間的關係代入，即可以得到關聯度R。下表一中列出數組關聯度R。從關聯度R，可判斷對空氣品質的影響。關聯度R大小與空氣品質相關，關聯度R越高表示空氣品質越差，而關聯度R越低表示空氣品質越好。根據關聯度R大小可設定智慧型空氣過濾系統100啟動之時間長短，例如當關聯度R較高，表示空氣品質較差，則增加啟動系統淨化空氣時間；當關聯度R較低，表示空氣品質較好，則減少啟動系統淨化空氣時間。利用此種操作模式進而控制第一風扇133、第二風扇136及負離子產生器135的輸出(或空氣淨化設備130的淨化時間)，以達到節能效果。

請參照第6圖，第6圖繪示依據第4圖中智慧型空氣過濾系統100之運作流程圖。主要包含下列步驟：步驟311，利用光感測器140偵測人數變化，並將人數變化值傳遞至可程式化系統邏輯單晶片120；步驟312，利用溫濕度感測器170偵測環境中溫濕度變化，並將溫濕度變化值傳遞至可程式化系統邏輯單晶片120；步驟313，可程式化系統邏輯單晶片120依據可拓關聯函數演算法計算關聯度；步驟314，依據最大關聯度判斷空氣品質；步驟315，依據 空氣品質判斷結果計算淨化時間；步驟316，確認是否結束判斷程序，若是，則判斷程序結束；若否，則回到步驟311，重新開始判斷程序。

綜合以上，本發明提供一種智慧型空氣過濾系統及其運作方法。利用具有邏輯判斷功能的先進可程式化系統邏輯單晶片(PSOC，Programmable System On Chip)結合光感測器偵測人數，利用人數變化調整系統所需功耗以達到節能的效果。更進一步地，利用可程式化系統邏輯單晶片配合可拓關聯函數演算法，可因應實際環境的複雜狀況，計算出人數與環境溫濕度相互影響的關聯度，藉此判斷環境變化真正因子，以達到真正節能效果。

100‧‧‧智慧型空氣過濾系統

110‧‧‧供電系統

111‧‧‧太陽能電池單元

112‧‧‧第一直流/直流電流轉換器

113‧‧‧交流/直流電流轉換器

114‧‧‧充電控制器

115‧‧‧蓄電池

116‧‧‧第二直流/直流電流轉換器

120‧‧‧可程式化系統邏輯單晶片

130‧‧‧空氣淨化設備

131‧‧‧水槽

132‧‧‧打氣機

133‧‧‧第一風扇

134‧‧‧濾網

135‧‧‧負離子產生器

136‧‧‧第二風扇

140‧‧‧光感測器

150‧‧‧驅動電路

160‧‧‧彩色發光二極體燈

170‧‧‧溫濕度感測器

Claims (9)

1. 一種智慧型空氣過濾系統，包含：一供電系統，用以提供該智慧型空氣過濾系統所需電源；一可程式化系統邏輯單晶片，與該供電系統電性連接，該可程式化系統邏輯單晶片接收外界訊息，並判斷調整該供電系統之輸出電源功率；一空氣淨化設備，與該可程式化系統邏輯單晶片電性連接，該空氣淨化設備包含：一打氣機，用以將被過濾之空氣引入該空氣過濾系統內；一蓄水裝置，與該打氣機連接，該蓄水裝置儲存有過濾水，藉以過濾該打氣機引入之該被過濾空氣；至少一風扇，用以抽取該被過濾空氣；一濾網，用以過濾該風扇抽取之該被過濾空氣；以及一負離子產生器，用以接收經該濾網過濾之該被過濾空氣後，產生所需之負離子；以及一光感測器，與該可程式化系統邏輯單晶片電性連接，該光感測器用以偵測該空氣淨化設備所在環境中進出之一人數變化訊息，並將該人數變化訊息傳遞至該可程式化系統邏輯單晶片；其中，該可程式化系統邏輯單晶片用以接收外界訊息，並判斷調整該空氣淨化設備之淨化時間；該可程式化系統邏輯單晶片並於接收該人數變化訊息後，依據該人數變化訊息，配合一可拓關聯函數演算法計算該人數變化訊息與該空氣淨化設備所在環境之一關聯性，並依據該關聯性得到一空氣品質，進 而依據該空氣品質控制該至少一風扇之轉速及該負離子產生器之負離子輸出量。
2. 如請求項1之智慧型空氣過濾系統，該供電系統包含：一充電控制器，用以接收外界電源；以及一蓄電裝置，與該充電控制器電性連接，該蓄電裝置係用以儲存該智慧型空氣過濾系統所需電量。
3. 如請求項2之智慧型空氣過濾系統，其中該充電控制器接收之該外界電源由一太陽能電池或由一般家用電源提供。
4. 如請求項1之智慧型空氣過濾系統，更包含：一驅動電路，該驅動電路電性連接該可程式化系統邏輯單晶片及該空氣淨化設備。
5. 如請求項1之智慧型空氣過濾系統，更包含：一顯示裝置，該顯示裝置與該可程式化系統邏輯單晶片電性連接，用以顯示該供電系統電量。
6. 如請求項5之智慧型空氣過濾系統，其中該顯示裝置為彩色發光二極體燈、液晶顯示器或發出聲響之裝置。
7. 一種如請求項1之智慧型空氣過濾系統的運作方法，包含： 該光感測器偵測該空氣淨化設備所在環境中進出之一人數變化訊息；該光感測器將該人數變化訊息傳遞至該可程式化系統邏輯單晶片；以及該可程式化系統邏輯單晶片依該人數變化訊息調整該空氣淨化設備之輸出及該供電系統之輸出電源功率。
8. 一種智慧型空氣過濾系統，包含：一供電系統，用以提供所需電源；一可程式化系統邏輯單晶片，與該供電系統電性連接，該可程式化系統邏輯單晶片接收外界訊息，並判斷調整該供電系統之輸出電源功率；一空氣淨化設備，與該可程式化系統邏輯單晶片電性連接，該空氣淨化設備包含：一打氣機，用以將被過濾之空氣引入該空氣過濾系統內；一蓄水裝置，與該打氣機連接，該蓄水裝置儲存有過濾水，藉以過濾該打氣機引入之該被過濾空氣；至少一風扇，用以抽取該被過濾空氣；一濾網，用以過濾該風扇抽取之該被過濾空氣；以及一負離子產生器，用以接收經該濾網過濾之該被過濾空氣後，產生所需之負離子；一光感測器，與該可程式化系統邏輯單晶片電性連接，該光感測器用以偵測該空氣淨化設備所在環境中進出之一人數變化訊息，並將該人數變化訊息傳遞至該可程式化系統邏輯單晶片；以及 一溫濕度感測器，與該可程式化系統邏輯單晶片電性連接，該溫濕度感測器用以偵測該空氣淨化設備所在環境中溫濕度，並將溫濕度變化訊息傳遞至該可程式化系統邏輯單晶片；其中，該可程式化系統邏輯單晶片用以接收外界訊息，並判斷調整該空氣淨化設備之淨化時間；該可程式化系統邏輯單晶片並於接收該人數變化訊息及該溫濕度變化訊息後，依據該人數變化訊息及該溫濕度變化訊息，配合一可拓關聯函數演算法計算一關聯性，並依據該關聯性得到一空氣品質，進而依據該空氣品質控制該至少一風扇之轉速及該負離子產生器之負離子輸出量。
9. 一種如請求項8之智慧型空氣過濾系統的運作方法，包含：該光感測器偵測該空氣淨化設備所在環境之人數變化訊息；該溫濕度感測器偵測該空氣淨化設備所在環境之溫濕度變化；該可程式化系統邏輯單晶片計算該人數與該溫濕度關聯度；該可程式化系統邏輯單晶片依據該關聯度最大值判斷空氣品質；以及該可程式化系統邏輯單晶片依據該空氣品質計算該智慧型空氣過濾系統之淨化時間。