CN105934051B - 互动式教室灯光智能控制系统及控制方法 - Google Patents
互动式教室灯光智能控制系统及控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
互动式教室灯光智能控制系统及控制方法，涉及教室灯光智能控制技术。本发明是为了解决高校教室灯光照明智能化控制程度低，造成照明资源浪费的问题。本发明开发了一种教室灯光智能控制系统，系统由红外传感器、光照度传感器、摄像头组成，通过对教室摄像头所拍摄教室图片进行处理，提取教室各区域的人数信息，综合教室内的传感器采集回的信息，自主决定区域的亮灯状况。同时，本发明通过搭建服务器，将教室亮灯信息及人员分布进行实时上传，用户可以通过手机App或关注微信公众号获取某教室的亮灯信息、自习人数，以实现智能灯控系统与学生的实时互动，减少开灯资源浪费的同时提高自习教室的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及教室灯光智能控制技术。
背景技术
根据2015年教育部公布的高等学校名单，我国普通高等学校及成人高等学校总量为2845所，在校师生人数近3000万，占全国城镇总人口的5％左右。高校已经成为资源占有和能源消耗大户，由于各高校在硬件设施、管理条件和手段等方面存在差异，以及学生学习、生活区域的特殊性，高校中的资源浪费现象普遍存在，我国高校校园建筑灯光能耗总体上表现出两大特点：总量大，节能潜力大。现有教室灯光智能控制系统主要采用红外人数统计或者射频识别人数统计，其问题包括：
1、使用红外探测器统计教室人数，需要安装大量探测器件，这将造成系统成本的提高，也不利于系统的简化与后期维护；
2、射频识别技术要求每人携带射频识别卡，将大大提高系统的成本。同时，如果进入教室的同学忘记携带识别卡，将造成人数统计结果的错误，影响系统的准确性。
发明内容
本发明是为了解决高校教室灯光照明智能化控制程度低，造成照明资源浪费的问题，从而提供一种互动式教室灯光智能控制系统。
互动式教室灯光智能控制系统，它包括M×N个灯，它还包括MCU(1)、摄像头(2)、LCD(3)、红外探测器(5)、光敏电阻(6)和W5100网络模块(6)；
将教室分成N个区，每个区内设置有M个灯；
所述摄像头(2)用于拍摄教室的图像；所述摄像头(2)的图像信号输出端与MCU(1)的图像信号输入端连接；
红外探测器(5)的红外探测信号输出端与MCU(1)的红外信号输入端连接；
光敏电阻(6)的光照度信号输出端与MCU(1)的光照度信号输入端连接；
W5100网络模块(6)的网络端与MCU(1)的网络端连接；
LCD(3)的显示信号输入端与MCU(1)的显示信号输出端连接。
基于上述装置的互动式教室灯光智能控制方法，它包括以下步骤：
步骤一、采用摄像头(2)拍摄教室内的图像，并发给MCU(1)；
步骤二、MCU(1)将拍摄的教室内图像通过W5100网络模块(6)上传至网络服务器；
步骤三、外部服务器对拍摄的教室内图像进行处理，获得各区的总人数和亮灯状态，并下传到MCU(1)上；
步骤四、采用光敏电阻(6)探测教室内的光照度，采用红外探测器(5)探测教室内的人员进出情况，并按下列方式控制教室内的M个灯：
步骤四一、判断教室内的光照度是否大于10lux，如果判断结果为是，则执行步骤四一一；如果判断结果为否，则执行步骤四二一；
步骤四一一、判断教室内的光照度是否大于300lux，如果判断结果为是，则执行步骤四一二；如果判断结果为否，则执行步骤四一三；
步骤四一二、检测各区的人数，并逐一判断各区人数是否大于预设阈值；如果判断结果为是，则打开该区的M个灯，并执行步骤四；如果判断结果为否，则打开该区的M个灯中的Z个，并执行步骤四；Z为正整数；
步骤四一三、延迟X秒后关闭该区的M个灯，并返回执行步骤四；
步骤四二一、检测各区的人数，并逐一判断各区是否有人，如果判断结果为是，则执行步骤四二二；如果判断结果为否，则执行步骤四二六；
步骤四二二、打开该区的M个灯中的K个，K为整数；
步骤四二三、判断该区人数是否大于预设的阈值，如果判断结果为是，则执行步骤四二四；如果判断结果为否，则执行步骤四二五；
步骤四二四、找开该区的全部M个灯，并返回执行步骤四；
步骤四二五、返回执行步骤四二三；
步骤四二六、延迟X秒后关闭该区的M个灯，并返回执行步骤四。
第二种互动式教室灯光智能控制系统，它包括M×N个灯，其特征是：它还包括MCU(1)、摄像头(2)、LCD(3)、红外探测器(5)、光敏电阻(6)、计算机(7)和服务器(8)；
将教室分成N个区，每个区内设置有M个灯；
所述摄像头(2)用于拍摄教室的图像；所述摄像头(2)的图像信号输出端与计算机(7)的图像信号输入端连接；
红外探测器(5)的红外探测信号输出端与MCU(1)的红外信号输入端连接；
光敏电阻(6)的光照度信号输出端与MCU(1)的光照度信号输入端连接；
MCU(1)与计算机(7)进行数据交互；计算机(7)与服务器(8)进行数据交互；
LCD(3)的显示信号输入端与MCU(1)的显示信号输出端连接。
基于上述第二种装置的互动式教室灯光智能控制方法，它包括以下步骤：
步骤一、采用摄像头(2)拍摄教室内的图像，并发给计算机(7)；
步骤二、计算机(7)将拍摄的教室内图像进行处理，获得各区的总人数和亮灯状态；
步骤三、计算机(7)将各区的总人数和亮灯状态下传到MCU(1)上，并上传至网络服务器；
步骤四、采用光敏电阻(6)探测教室内的光照度，采用红外探测器(5)探测教室内的人员进出情况，并按下列方式控制教室内的M个灯：
步骤四一、判断教室内的光照度是否大于10lux，如果判断结果为是，则执行步骤四一一；如果判断结果为否，则执行步骤四二一；
步骤四一一、判断教室内的光照度是否大于300lux，如果判断结果为是，则执行步骤四一二；如果判断结果为否，则执行步骤四一三；
步骤四一二、检测各区的人数，并逐一判断各区人数是否大于预设阈值；如果判断结果为是，则打开该区的M个灯，并执行步骤四；如果判断结果为否，则打开该区的M个灯中的Z个，并执行步骤四；Z为正整数；
步骤四一三、延迟X秒后关闭该区的M个灯，并返回执行步骤四；
步骤四二一、检测各区的人数，并逐一判断各区是否有人，如果判断结果为是，则执行步骤四二二；如果判断结果为否，则执行步骤四二六；
步骤四二二、打开该区的M个灯中的K个，K为整数；
步骤四二三、判断该区人数是否大于预设的阈值，如果判断结果为是，则执行步骤四二四；如果判断结果为否，则执行步骤四二五；
步骤四二四、找开该区的全部M个灯，并返回执行步骤四；
步骤四二五、返回执行步骤四二三；
步骤四二六、延迟X秒后关闭该区的M个灯，并返回执行步骤四。
本发明利用图像处理技术，大大简化了系统布线和传感器安装上的问题，更适合大范围用在各大学校的教室中。通过搭建服务器和微信平台(手机App)实现了校方与学生的互动，权限管理也很好地实现了教室资源的充分利用，大大节省了能源。本发明所开发的灯光智能控制系统实现了教室灯光的自主开闭，解决了目前高校教室存在的灯光浪费问题。
附图说明
图1是本发明的第一种互动式教室灯光智能控制系统的结构示意图；
图2是本发明的第一种互动式教室灯光智能控制方法的流程示意图；
图3是本发明的第二种互动式教室灯光智能控制系统的结构示意图；
图4是本发明的第二种互动式教室灯光智能控制方法的流程示意图；
图5是具体实施方式一中具体硬件控制流程示意图；
图6是具体实施方式一中教室分区示意图；
具体实施方式
具体实施方式一、互动式教室灯光智能控制系统，它包括M×N个灯，它还包括MCU(1)、摄像头(2)、LCD(3)、红外探测器(5)、光敏电阻(6)和W5100网络模块(6)；
将教室分成N个区，每个区内设置有M个灯；
所述摄像头(2)用于拍摄教室的图像；所述摄像头(2)的图像信号输出端与MCU(1)的图像信号输入端连接；
红外探测器(5)的红外探测信号输出端与MCU(1)的红外信号输入端连接；
光敏电阻(6)的光照度信号输出端与MCU(1)的光照度信号输入端连接；
W5100网络模块(6)的网络端与MCU(1)的网络端连接；
LCD(3)的显示信号输入端与MCU(1)的显示信号输出端连接。
本发明的系统由红外传感器、光照度传感器、摄像头组成，通过对教室摄像头所拍摄教室图片进行处理，提取教室各区域的人数信息，综合教室内的传感器(光照度传感器、红外传感器)采集回的信息，自主决定区域的亮灯状况。同时，本发明通过搭建服务器，将教室亮灯信息及人员分布进行实时上传，用户可以通过手机App或关注微信公众号获取某教室的亮灯信息、自习人数，以实现智能灯控系统与学生的实时互动，减少开灯资源浪费的同时提高自习教室的利用率。
本发明开发的灯光控制系统分为分白天模式和晚上模式，具体控制策略如图5所示；
首先，将教室划分为四个区域，每个区域控制两盏灯(可加)。如图6所示，注：圆圈代表座位，实线小矩形为桌子，虚线矩形为四个分区，实矩形为荧光灯。
在教室两面相对的墙上安置四个光照度传感器(光敏电阻)，检测光照度，以黄昏室内光照度10lux为标准，判断出教室所处于白天模式还是晚上模式。在白天模式下，由于光照充足，一般不需要开灯。当教室光照度小于300lux(达到《建筑照明设计标准》要求的标准值)，打开对应区域的一个灯，当人数还达到了一定阈值，开启第二个灯，以此类推；当教室光照度大于300lux，延迟五分钟关闭该区域的灯。在晚上模式下，只要检测到有人即打开对应区域的一个灯，循环检测，当人数大于区域阈值时，打开对应区域第二个灯。当该区域没有人且灯亮时，关灯节电。
关于每个区域的阈值人数，可以按以下规则规定(线性均分)。若每个区域的灯数为n，则可以设n-1个阈值，形成n级控制。设区域满座人数为a，区域当前人数为x。
阈值分别为a/n,2a/n,3a/n,…,(n-1)a/n；
当0≦x≦a/n时，打开一个区域灯；
当0≦x≦2a/n时，打开两个区域灯；
当0≦x≦(n-1)a/n时，打开n-1个区域灯；
当0≦x≦a时，打开n个区域灯；
关于各区域人数统计，采用Hog特征和SVM分类器进行教室人头框定，我们需要采集教室不同时段的视频录像，将帧图片的人头部分提取作为正样本，非人头部分(背景)作为负样本，正负样本应尽可能覆盖实际应用中可能发生的各种情况。
正样本数3000个，负样本数5000个。之后提取所有样本的Hog特征，再进行SVM机器训练，框定出人头，提取出人数，并绘制人员分布图，实时传送至服务器。
本发明还搭建了微信公众号平台和开发了手机App，用户可以实时查阅校内的“已获得开灯权限的教室”，以及相应教室的人员分布图，预约可以自习的教室。系统会根据教室内人数的饱和度，适当增加几个获得权限的教室。
本实施方式的结构如1图所示，将红外传感器、光敏电阻、W5100网络模块、LCD、摄像头分别接到单片机(MCU)的I/O引脚上，其中W5100网络模块与单片机使用SPI通信协议，LCD使用I2C协议，摄像头使用UART串口协议。由单片机(MCU)采集数据，摄像头通过串口向单片机传图片数据，W5100网络模块通过无线网络将图片传给服务器。服务器上运行OpenCV相关程序，提取出图片上各分区的人数。用户通过微信或手机App的方式访问服务器，获得最新教室信息。
将光敏电阻的模拟值由A/DC转换为数字量，经过零点标定后处理后，得出相应的光照度值，并在LCD上显示；同时，通过红外传感器感知是否有人进出。
得到所需数据后，具体的硬件控制如图2和5所示。
具体实施方式二、基于具体实施方式一的互动式教室灯光智能控制方法，它包括以下步骤：
步骤一、采用摄像头(2)拍摄教室内的图像，并发给MCU(1)；
步骤二、MCU(1)将拍摄的教室内图像通过W5100网络模块(6)上传至网络服务器；
步骤三、外部服务器对拍摄的教室内图像进行处理，获得各区的总人数和亮灯状态，并下传到MCU(1)上；
步骤四、采用光敏电阻(6)探测教室内的光照度，采用红外探测器(5)探测教室内的人员进出情况，并按下列方式控制教室内的M个灯：
步骤四一、判断教室内的光照度是否大于10lux，如果判断结果为是，则执行步骤四一一；如果判断结果为否，则执行步骤四二一；
步骤四一一、判断教室内的光照度是否大于300lux，如果判断结果为是，则执行步骤四一二；如果判断结果为否，则执行步骤四一三；
步骤四一二、检测各区的人数，并逐一判断各区人数是否大于预设阈值；如果判断结果为是，则打开该区的M个灯，并执行步骤四；如果判断结果为否，则打开该区的M个灯中的Z个，并执行步骤四；Z为正整数；
步骤四一三、延迟X秒后关闭该区的M个灯，并返回执行步骤四；
步骤四二一、检测各区的人数，并逐一判断各区是否有人，如果判断结果为是，则执行步骤四二二；如果判断结果为否，则执行步骤四二六；
步骤四二二、打开该区的M个灯中的K个，K为整数；
步骤四二三、判断该区人数是否大于预设的阈值，如果判断结果为是，则执行步骤四二四；如果判断结果为否，则执行步骤四二五；
步骤四二四、找开该区的全部M个灯，并返回执行步骤四；
步骤四二五、返回执行步骤四二三；
步骤四二六、延迟X秒后关闭该区的M个灯，并返回执行步骤四。
用户能够通过微信或手机App的方式访问网络服务器，获得当前教室信息。
本实施方式中，N＝4；M＝2；Z＝1；K＝1。X＝300。
具体实施方式三、互动式教室灯光智能控制系统，它包括M×N个灯，它还包括MCU(1)、摄像头(2)、LCD(3)、红外探测器(5)、光敏电阻(6)、计算机(7)和服务器(8)；
将教室分成N个区，每个区内设置有M个灯；
所述摄像头(2)用于拍摄教室的图像；所述摄像头(2)的图像信号输出端与计算机(7)的图像信号输入端连接；
红外探测器(5)的红外探测信号输出端与MCU(1)的红外信号输入端连接；
光敏电阻(6)的光照度信号输出端与MCU(1)的光照度信号输入端连接；
MCU(1)与计算机(7)进行数据交互；计算机(7)与服务器(8)进行数据交互；
LCD(3)的显示信号输入端与MCU(1)的显示信号输出端连接。
具体实施方式四、基于具体实施方式三的互动式教室灯光智能控制方法，它包括以下步骤：
步骤一、采用摄像头(2)拍摄教室内的图像，并发给计算机(7)；
步骤二、计算机(7)将拍摄的教室内图像进行处理，获得各区的总人数和亮灯状态；
步骤三、计算机(7)将各区的总人数和亮灯状态下传到MCU(1)上，并上传至网络服务器；
步骤四、采用光敏电阻(6)探测教室内的光照度，采用红外探测器(5)探测教室内的人员进出情况，并按下列方式控制教室内的M个灯：
步骤四一、判断教室内的光照度是否大于10lux，如果判断结果为是，则执行步骤四一一；如果判断结果为否，则执行步骤四二一；
步骤四一一、判断教室内的光照度是否大于300lux，如果判断结果为是，则执行步骤四一二；如果判断结果为否，则执行步骤四一三；
步骤四一二、检测各区的人数，并逐一判断各区人数是否大于预设阈值；如果判断结果为是，则打开该区的M个灯，并执行步骤四；如果判断结果为否，则打开该区的M个灯中的Z个，并执行步骤四；Z为正整数；
步骤四一三、延迟X秒后关闭该区的M个灯，并返回执行步骤四；
步骤四二一、检测各区的人数，并逐一判断各区是否有人，如果判断结果为是，则执行步骤四二二；如果判断结果为否，则执行步骤四二六；
步骤四二二、打开该区的M个灯中的K个，K为整数；
步骤四二三、判断该区人数是否大于预设的阈值，如果判断结果为是，则执行步骤四二四；如果判断结果为否，则执行步骤四二五；
步骤四二四、找开该区的全部M个灯，并返回执行步骤四；
步骤四二五、返回执行步骤四二三；
步骤四二六、延迟X秒后关闭该区的M个灯，并返回执行步骤四。
本实施方式中，N＝4；M＝2；Z＝1；K＝1。X＝300。
用户能够通过微信或手机App的方式访问网络服务器，获得当前教室信息。
连接图如图3所示，使用USB摄像头连接到电脑上，单片机(MCU)通过串口连接到PC上。LCD模块，红外检测模块，光敏电阻均接到单片机的引脚上。
摄像头采集视频信息通过USB传给计算机，计算机本地进行图像处理，分析出各区域的总人数和亮灯状况，并将绘制简易的分布图(包含处理所得人数、亮灯信息)上传到服务器，并将此信息下传到单片机(MCU)上，单片机再把由红外探测器的高低电平，光敏电阻的光照度值，以及计算机处理所得的各分区人数综合处理。
控制流程如图4和5所示。
Claims (8)
1.互动式教室灯光智能控制方法，包括M×N个灯，还包括MCU(1)、摄像头(2)、LCD(3)、红外探测器(5)、光敏电阻(6)和W5100网络模块；
将教室分成N个区，每个区内设置有M个灯；
所述摄像头(2)用于拍摄教室的图像；所述摄像头(2)的图像信号输出端与MCU(1)的图像信号输入端连接；
红外探测器(5)的红外探测信号输出端与MCU(1)的红外信号输入端连接；
光敏电阻(6)的光照度信号输出端与MCU(1)的光照度信号输入端连接；
W5100网络模块的网络端与MCU(1)的网络端连接；
LCD(3)的显示信号输入端与MCU(1)的显示信号输出端连接；其特征是：它包括以下步骤：
步骤一、采用摄像头(2)拍摄教室内的图像，并发给MCU(1)；
步骤二、MCU(1)将拍摄的教室内图像通过W5100网络模块上传至网络服务器；
步骤三、外部服务器对拍摄的教室内图像进行处理，获得各区的总人数和亮灯状态，并下传到MCU(1)上；
步骤四、采用光敏电阻(6)探测教室内的光照度，采用红外探测器(5)探测教室内的人员进出情况，并按下列方式控制教室内的M个灯：
步骤四一、判断教室内的光照度是否大于10lux，如果判断结果为是，则执行步骤四一一；如果判断结果为否，则执行步骤四二一；
步骤四一一、判断教室内的光照度是否小于300lux，如果判断结果为是，则执行步骤四一二；如果判断结果为否，则执行步骤四一三；
步骤四一二、检测各区的人数，并逐一判断各区人数是否大于预设阈值；如果判断结果为是，则打开该区的M个灯，并执行步骤四；如果判断结果为否，则打开该区的M个灯中的Z个，并执行步骤四；Z为正整数；
步骤四一三、延迟X秒后关闭该区的M个灯，并返回执行步骤四；
步骤四二一、检测各区的人数，并逐一判断各区是否有人，如果判断结果为是，则执行步骤四二二；如果判断结果为否，则执行步骤四二六；
步骤四二二、打开该区的M个灯中的K个，K为整数；
步骤四二三、判断该区人数是否大于预设的阈值，如果判断结果为是，则执行步骤四二四；如果判断结果为否，则执行步骤四二五；
步骤四二四、找开该区的全部M个灯，并返回执行步骤四；
步骤四二五、返回执行步骤四二三；
步骤四二六、延迟X秒后关闭该区的M个灯，并返回执行步骤四。
2.根据权利要求1所述的互动式教室灯光智能控制方法，其特征在于N＝4；M＝2；Z＝1；K＝1。
3.根据权利要求1所述的互动式教室灯光智能控制方法，其特征在于X＝300。
4.根据权利要求1所述的互动式教室灯光智能控制方法，其特征在于，用户能够通过微信或手机App的方式访问网络服务器，获得当前教室信息。
5.互动式教室灯光智能控制方法，包括M×N个灯，还包括MCU(1)、摄像头(2)、LCD(3)、红外探测器(5)、光敏电阻(6)、计算机(7)和服务器(8)；
将教室分成N个区，每个区内设置有M个灯；
所述摄像头(2)用于拍摄教室的图像；所述摄像头(2)的图像信号输出端与计算机(7)的图像信号输入端连接；
红外探测器(5)的红外探测信号输出端与MCU(1)的红外信号输入端连接；
光敏电阻(6)的光照度信号输出端与MCU(1)的光照度信号输入端连接；
MCU(1)与计算机(7)进行数据交互；计算机(7)与服务器(8)进行数据交互；
LCD(3)的显示信号输入端与MCU(1)的显示信号输出端连接；其特征是：它包括以下步骤：
步骤一、采用摄像头(2)拍摄教室内的图像，并发给计算机(7)；
步骤二、计算机(7)将拍摄的教室内图像进行处理，获得各区的总人数和亮灯状态；
步骤三、计算机(7)将各区的总人数和亮灯状态下传到MCU(1)上，并上传至网络服务器；
步骤四、采用光敏电阻(6)探测教室内的光照度，采用红外探测器(5)探测教室内的人员进出情况，并按下列方式控制教室内的M个灯：
步骤四一、判断教室内的光照度是否大于10lux，如果判断结果为是，则执行步骤四一一；如果判断结果为否，则执行步骤四二一；
步骤四一一、判断教室内的光照度是否小于300lux，如果判断结果为是，则执行步骤四一二；如果判断结果为否，则执行步骤四一三；
步骤四一二、检测各区的人数，并逐一判断各区人数是否大于预设阈值；如果判断结果为是，则打开该区的M个灯，并执行步骤四；如果判断结果为否，则打开该区的M个灯中的Z个，并执行步骤四；Z为正整数；
步骤四一三、延迟X秒后关闭该区的M个灯，并返回执行步骤四；
步骤四二一、检测各区的人数，并逐一判断各区是否有人，如果判断结果为是，则执行步骤四二二；如果判断结果为否，则执行步骤四二六；
步骤四二二、打开该区的M个灯中的K个，K为整数；
步骤四二三、判断该区人数是否大于预设的阈值，如果判断结果为是，则执行步骤四二四；如果判断结果为否，则执行步骤四二五；
步骤四二四、找开该区的全部M个灯，并返回执行步骤四；
步骤四二五、返回执行步骤四二三；
步骤四二六、延迟X秒后关闭该区的M个灯，并返回执行步骤四。
6.根据权利要求5所述的互动式教室灯光智能控制方法，其特征在于N＝4；M＝2；Z＝1；K＝1。
7.根据权利要求5所述的互动式教室灯光智能控制方法，其特征在于X＝300。
8.根据权利要求5所述的互动式教室灯光智能控制方法，其特征在于，用户能够通过微信或手机App的方式访问网络服务器，获得当前教室信息。
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