一种基于环境自适应的智能宠物箱温控系统的制作方法

本发明涉及温度调控，特别涉及一种基于环境自适应的智能宠物箱温控系统。

背景技术：

1、目前，传统的宠物箱在运输或日常使用过程中，其内部温度通常依赖自然通风或简易的加热/制冷贴片进行调节，现有的一些智能宠物箱虽引入了温度控制功能，但大多采用以下方式：设置一个固定的目标温度，通过温度传感器检测箱内环境温度，当环境温度低于目标温度时启动加热元件，高于目标温度时启动制冷元件；

2、然而，实际使用中发现，宠物在不同代谢状态（如睡眠、静卧、走动、兴奋等）下，其体表温度与产热量存在显著差异，对舒适温度的需求并非恒定值，现有系统无法根据宠物实时的代谢活动动态调整目标温度，导致加热或制冷过度或不足，此外，现有温控系统仅依赖箱内环境温度与固定目标温度的偏差进行控制，未考虑外部环境温度对箱内温度变化的物理辅助或阻碍作用，导致控制输出功率与实际情况不匹配，大大降低了对智能宠物箱内温度的调控效果；

3、因此，为了克服上述缺陷，本发明提供了一种基于环境自适应的智能宠物箱温控系统。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于环境自适应的智能宠物箱温控系统，显著提升了温度调节的响应速度与精度，有效保障宠物在不同活动状态下的舒适性，并降低能耗，实现了智能化、个性化、节能化的温控管理。

2、为达到上述目的，本发明第一方面提出了一种基于环境自适应的智能宠物箱温控系统，包括：

3、数据采集模块，用于采集智能宠物箱的内部环境温度和外部环境温度，同时，采集智能宠物箱内宠物的体表温度、运动加速度、实时心率数据及实时呼吸频率数据；

4、温差确定模块，用于基于内部环境温度和外部环境温度确定环境温差，并确定体表温度与预设舒适温度之间体表温差，所述预设舒适温度为宠物感到舒适的固定体表温度参考值；

5、温控决策模块，用于当体表温差的绝对值大于预设温差阈值时，基于运动加速度、实时心率数据及实时呼吸频率数据确定宠物的当前代谢状态，并基于当前代谢状态对预设舒适温度进行修正，得到动态目标温度，同时，基于体表温度与动态目标温度的偏差生成升温指令或降温指令；

6、温控执行模块，用于基于升温指令或降温指令，结合环境温差的正负方向对智能宠物箱的加热元件或制冷元件的输出功率的占空比进行动态调控。

7、基于该种可能的实现方式，通过采集内外环境温度、宠物体表温度及运动加速度，能够综合环境温差与宠物实时代谢状态进行智能温控，当体表温度偏离预设舒适温度且超过阈值时，根据运动加速度判断宠物当前代谢水平，动态修正目标温度，避免因固定目标值导致的加热或制冷过度或不足，同时，结合环境温差的正负方向调控加热或制冷元件的输出功率占空比，充分利用外部环境对箱内温度的物理辅助或抑制作用，使调控功率与实际需求相匹配，显著提升了温度调节的响应速度与精度，有效保障宠物在不同活动状态下的舒适性，并降低能耗，实现了智能化、个性化、节能化的温控管理。

8、在一种可能的实现方式中，数据采集模块，包括：

9、环境温度采集单元，用于基于预设采样频率对智能宠物箱内部的第一温度传感器进行启动，采集内部环境温度，同步对智能宠物箱外部的第二温度传感器进行启动，采集外部环境温度；

10、体表温度采集单元，用于基于对内部环境温度和外部环境温度的采集结果触发对智能宠物箱内宠物体表温度的非接触式红外传感器供电，并基于触发结果采集宠物体表温度；

11、运动加速度采集单元，用于在非接触式红外传感器采集体表温度的同时，启动加速度传感器采集宠物的运动加速度；

12、生理数据采集单元，用于在采集运动加速度的同时，对宠物身上的携带式生理监测传感器进行启动，并基于启动结果采集宠物的实时心率数据及实时呼吸频率数据。

13、基于该种可能的实现方式，实现了多源数据的按需启动与时间对齐，既降低了传感器整体功耗，又保证了体表温度与运动状态在时序上的一致性，为后续精准温控提供了可靠的数据基础。

14、在一种可能的实现方式中，温差确定模块，包括：

15、环境温差确定单元，用于获取智能宠物箱的内部环境温度和外部环境温度，并将内部环境温度和外部环境温度进行作差，得到环境温差；

16、体表温差确定单元，用于获取宠物体表温度和预设舒适温度，并将宠物体表温度和预设舒适温度进行作差，得到体表温差。

17、基于该种可能的实现方式，通过分别计算箱内外环境温差以及体表温度与预设舒适温度的体表温差，明确了环境对温控的物理影响方向和当前宠物的实际温度偏离程度，为后续是否启动代谢修正以及占空比调控提供了直接、清晰的判断依据，提高了温控系统的响应针对性。

18、在一种可能的实现方式中，温控决策模块，包括：

19、运动加速度解析单元，用于：

20、获取采集到的运动加速度，其中，运动加速度为三轴加速度传感器在连续采样时刻输出的离散时间序列，且每个采样时刻对应一个三轴加速度向量；

21、对每个采样时刻的三轴加速度向量进行矢量幅值计算，得到幅值序列；

22、基于预设时间窗口长度和预设重叠比例对幅值序列进行窗口划分，其中相邻窗口之间共享预设重叠比例的数据区域，得到n个连续的幅值窗口，并确定每个幅值窗口的多维度加速度特征，其中，多维度加速度特征包括幅值均值、幅值标准差、幅值零穿越率、幅值峰值与均值的比值以及幅值序列的自相关系数；

23、代谢状态确定单元，用于：

24、将同一幅值窗口内的多维度加速度特征进行特征组合，得到特征向量，并基于卷积神经网络对特征向量进行解析，输出宠物处于低代谢状态、中代谢状态和高代谢状态各自的概率值；

25、将概率值最大值对应的代谢状态作为当前初始代谢状态；

26、同时，获取宠物的实时心率数据及实时呼吸频率数据，并基于实时心率数据及实时呼吸频率数据分别对当前初始代谢状态进行修正，得到宠物最终的当前代谢状态。

27、基于该种可能的实现方式，能够有效避免因窗口边界截断导致的事件丢失以及单一运动信号带来的误判，显著提高了对宠物低、中、高代谢状态识别的准确性与鲁棒性，从而为动态调整目标温度提供更可靠的生理依据，使温控更加贴合宠物真实需求。

28、在一种可能的实现方式中，温控决策模块，包括：

29、修正量确定单元，用于获取得到的当前代谢状态，并基于当前代谢状态确定对应的温度修正量，其中，高代谢状态对应负向温度修正量，中代谢状态对应零温度修正量，低代谢状态对应正向温度修正量；

30、温度修正单元，用于：

31、将预设舒适温度与温度修正量进行相加，得到动态目标温度，其中，负向温度修正量使预设舒适温度降低，正向温度修正量使预设舒适温度升高，零温度修正量使预设舒适温度保持不变。

32、基于该种可能的实现方式，实现了面向宠物真实热需求的个性化温控，既提升了舒适性，又减少了不必要的加热或制冷能耗。

33、在一种可能的实现方式中，温控决策模块，包括：

34、指令生成单元，用于：

35、将体表温度与动态目标温度进行作差，得到温度偏差，并确定温度偏差的正负符号；

36、当温度偏差为正时，判定体表温度高于动态目标温度，并基于判定结果生成待定降温指令，否则，判定体表温度低于动态目标温度，并生成待定升温指令；

37、确定温度偏差的绝对值，并将温度偏差的绝对值与预设死区阈值进行比较，所述预设死区阈值为预先设定的一个正温度值，用于判断体表温度与动态目标温度的偏差是否达到需要输出升温指令或降温指令的参考值；

38、当温度偏差的绝对值大于预设死区阈值时，将待定升温指令或待定降温指令判定为最终的升温指令或降温指令；当温度偏差的绝对值小于或等于预设死区阈值时，不输出指令。

39、基于该种可能的实现方式，有效避免了温控元件的频繁启停，降低了开关损耗与能耗，同时保证了宠物体表温度的稳定，避免了过度调节。

40、在一种可能的实现方式中，温控执行模块，包括：

41、调节方向确定单元，用于：

42、获取环境温差的正负方向，当环境温差为正时，内部温度高于外部温度，环境温差为负时，内部温度低于外部温度；

43、若接收到的指令为升温指令时，对加热元件进行启动，并基于环境温差的正负方向确定对加热元件输出功率的占空比的调节方向；

44、若接收到的指令为降温指令时，对制冷元件进行启动，并基于环境温差的正负方向确定对制冷元件输出功率的占空比的调节方向；

45、占空比调节单元，用于基于确定的调节方向，将当前加热元件输出功率的占空比或制冷元件输出功率的占空比与预设步进增量进行累加或累减运算，得到临时占空比；

46、温度控制单元，用于将临时占空比约束至预设最小占空比与预设最大占空比区间，得到最终占空比，并基于最终占空比生成对加热元件或制冷元件输出功率的占空比的调控信号，且基于调控信号对加热元件或制冷元件的输出功率的占空比进行控制。

47、基于该种可能的实现方式，根据环境温差的正负方向智能决定加热或制冷占空比的调节方向，使温控执行与物理实际相适配，避免了反向无效调节，通过步进累加或累减方式平滑调整占空比，并将结果约束在安全区间内，既防止了超调和过冲，又保证了加热或制冷元件的工作稳定性，显著提升了温控过程的响应平稳性与系统安全性。

48、在一种可能的实现方式中，温度控制单元，包括：

49、数据重采子单元，用于当在每次输出最终输出占空比并经过一个控制周期后，重新采集宠物当前的体表温度，并基于同一动态目标温度重新计算宠物当前的体表温度与动态目标温度之间存在的新温度偏差；

50、温度跟踪子单元，用于：

51、将新温度偏差与上一控制周期的温度偏差进行比较，得到偏差变化量，同时，将当前控制周期内输出的最终输出占空比与上一控制周期的最终输出占空比进行比较，得到占空比变化量；

52、将偏差变化量作为误差信号输入预设比例积分控制器进行修正分析，得到占空比修正量，并将占空比修正量叠加至当前控制周期的最终输出占空比，得到更新后的输出占空比；

53、基于更新后的输出占空比替代当前控制周期的最终输出占空比，并向加热元件或制冷元件输出调控信号，且进行迭代更新，直至温度偏差的绝对值小于或等于预设死区阈值。

54、基于该种可能的实现方式，实现了闭环迭代优化，直至偏差收敛至死区阈值内，有效消除了稳态误差，加快了温度响应速度，避免了超调与振荡，显著提升了温控系统的跟踪精度与稳定性。

55、在一种可能的实现方式中，温度控制单元，包括：

56、环境作用系数确定子单元，用于获取环境温差的正负方向及确定的加热元件或制冷元件输出功率的占空比的调节方向，同时，对预设环境物理作用参数表进行访问，并基于环境温差的正负方向及加热元件或制冷元件输出功率的占空比的调节方向从预设环境物理作用参数表中调取当前时刻对应的环境物理辅助作用补偿系数，所述预设环境物理作用参数表为二维查找表，其中，行对应指令类型，列对应环境温差的正负方向，表中每个单元格存储对应的环境物理辅助作用补偿系数数值，用于在外部环境对智能宠物箱内温度造成影响时，为修正临时占空比提供补偿系数参考值；

57、占空比修正子单元，用于基于环境物理辅助作用补偿系数对临时占空比进行修正，并将修正结果约束至预设最小占空比与预设最大占空比区间，得到最终占空比。

58、基于该种可能的实现方式，通过引入环境物理辅助作用补偿系数，根据内外温差方向与占空比调节方向动态修正临时占空比，使加热或制冷功率能够充分利用外部环境的热传递效应（正向辅助或反向阻碍），并将结果约束在安全区间内，从而提升了能量利用效率与调控精准度，避免了盲目调节造成的能耗浪费和温度过冲。

59、在一种可能的实现方式中，温控执行模块，还包括：

60、环境监测单元，用于在升温指令或降温指令生成之前，连续采集外部环境温度的时间序列数据，并对外部环境温度的时间序列数据进行拟合，得到外部环境温度的变化斜率；

61、预调控单元，用于：

62、当变化斜率的绝对值大于预设斜率阈值，且变化斜率的正负方向使得外部环境温度向内部环境温度趋近时，在体表温差的绝对值未超过预设温差阈值之前，输出预调节指令；

63、基于预调节指令以低于在当前体表温差条件下正常指令所对应占空比的预设比例值的预调节占空比驱动加热元件或制冷元件，完成对智能宠物箱内温度的预调控。

64、基于该种可能的实现方式，提前感知外部环境温度的变化趋势，在温度偏差超限前主动以低功率进行预调节，有效抑制了环境突变对箱内温度的冲击，实现了平滑过渡，减少了主调控的响应延迟与能耗。

65、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在本技术文件中所特别指出的结构来实现和获得。

66、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。