CN105972782B - 一种基于云计算技术的教室环境智能控制方法 - Google Patents

一种基于云计算技术的教室环境智能控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于云计算技术的教室环境智能控制系统及方法，包括云计算平台、中央控制系统、室内可控设备、灯光控制模块、室内环境信息采集模块、室外环境信息采集模块，各模块之间协同运作，共同实现对教室环境的智能控制。本发明所述的基于云计算技术的教室智能控制系统是通过收集室内、室外环境采集模块的信息，经由云计算平台和中央控制系统的分析计算之后对教室环境实施智能化的改善和调整，使教室保持良好的空气质量，为学生提供健康舒适的学习环境。同时，系统自适应地对灯光和室内可控设备的控制达到了有效节能的目的。

Description

一种基于云计算技术的教室环境智能控制方法
技术领域：
本发明涉及一种基于云计算技术的教室环境智能控制系统及方法，具体涉及云计算、物联网技术领域。
背景技术：
当今社会正在大力推行建设节约型、生态型、绿色环保型校园，政府和社会在这方面都加大了投资力度。
一方面，由于学校的特殊性质，学生在教学期间绝大多数时间都是在教室里度过且教室人员集中密集等问题，容易造成教室内二氧化碳浓度过高、在夏季温度高、室内闷热，冬天温度过低、外界空气污染等现象。这些都可能成为影响老师同学上课效果、身体健康的因素，因此，如何为学生提供一个舒适良好的学习环境并且减少外界的干扰和伤害是非常关键和重要的。
另一方面，每所学校都有大量的教学区域和办公区域，在很多时候都存在着忘记关灯，只有少数人却灯火通明的现象。除此之外，光线的强弱也无法调控，容易对同学造成近视等不良后果。所以，如何有效调节照明，节约能源，减少浪费也是当今关注的重点之一。
发明内容：
本发明为了克服现有技术中的不足，解决教学环境存在的问题，设计了一种基于云计算技术的教室智能控制系统及方法，本发明的技术方案如下：
一种基于云计算技术的教室环境智能控制系统，包括云计算平台、中央控制系统、室内环境信息采集模块、室外环境信息采集模块、室内可控设备模块、灯光控制模块；
所述的云计算平台是计算和数据存储处理兼顾的综合云计算平台，能够通过对收集的数据进行处理并存储记录等操作，对当前教室的环境状况提出合理有效的处理方案，并将操作指示发送给中央控制系统。
所述的中央控制系统负责收集汇总各模块采集的信息，并将数据发送给云计算平台，之后再从云计算平台接收操作指示，对室内可控设备发出命令以调节室内环境。同时，也负责对室内灯光的调控以达到节能的目的。
所述的室内环境信息采集模块包括室内PM2.5传感器，室内O2、CO2浓度传感器，室内温湿度传感器。室内PM2.5传感器负责检测教室内的PM2.5 含量，并将数据记录下来；室内O2、CO2浓度传感器负责检测教室内O2、CO2的浓度，并将数据记录下来；室内温湿度传感器负责检测教室内的温度及湿度，并将数据记录下来。此模块将三个传感器所记录的数据传送至中央控制系统。
所述的室外环境信息采集模块需要考虑更多的因素，包括室外PM2.5传感器，光照传感器，声音传感器，室外温湿度传感器，风雨传感器，室外 O2、CO2浓度传感器六个部分。室外PM2.5传感器负责检测室外空气中PM2.5 的含量，记录数据；光照传感器负责检测室外光线的强度，记录数据；声音传感器负责检测室外噪音的强度，记录数据；室外温湿度传感器负责检测室外的温度及湿度，记录数据；风雨传感器负责检测室外的风力和降雨量，记录数据；室外O2、CO2浓度传感器负责检测室外的O2及CO2的浓度，记录数据。此模块将六个传感器所记录的数据传送至中央控制系统进行处理。
所述的室内可控设备模块用于对门窗、空气净化器、加湿器、空调的控制。本模块需要接收中央控制系统的命令指示来进行调控，以达到最佳的环境指标。
所述的灯光控制模块包括人体传感器、光照传感器和照明灯光组。人体传感器负责检测相应区域内是否有人；光照传感器负责检测区域内的光强；照明灯光组有提供光照及补充照明的作用。
上述的云计算平台利用云计算技术对数据信息进行分析处理，能够有效节约时间和资源并迅速得出处理方案。
上述的中央控制系统作为本系统的核心，从室内外环境信息采集模块以及灯光控制模块中获取信息，传送至云计算平台，又从云计算平台中获得处理结果，对室内可控设备及灯光进行调控。
上述的室内、室外环境信息采集模块利用传感器进行信息数据的检测和收集工作。传感器能被较灵活地放置在室内外环境中；传感器具有一定的传输可靠性和抗干扰能力；传感器采用低功耗的设计方法，无需频繁更换。
上述的灯光控制模块能通过人体传感器和光照传感器反馈的数据，为使用者提供足够且舒适的光强，同时在无人或不需要的区域能够保持节能状态。
本发明还提供一种基于云计算技术的教室环境智能控制方法，基于以上所述的教室环境智能控制系统，其步骤如下：
整个系统会在设定的时间自动启动，启动之后分两条路径进行工作。
(1)、第一路径：对室内环境进行调控：
(1a)、云计算平台综合季节信息和数据库信息发布今日环境达标参数值和恶劣参数值，并将其发送给中央控制系统。
(1b)、中央控制系统综合室内外信息采集模块所传送的各项环境指标并计算当前的环境质量参数值，与云计算平台传送的数据进行比较，判断当前室内环境质量参数是否达标：若达标，对当前环境质量参数进行更新，并再次进行判断；若未达标，中央控制系统综合各项数据信息进行改善操作。
(1c)、室内环境改善措施如下：首先判断当前室外环境是否恶劣，若恶劣，启动室内新风系统，使当前环境质量参数趋于达标；若室外环境良好，中央控制系统则通过环境质量调节算法对室内可控设备进行有效控制使当前环境质量参数趋于达标，在一定的时间段后再次检测，若未达标，执行相同的操作。
(1d)、室内电子屏显示当前室内的环境状态和信息。
(2)、第二路径：对室内的光照系统进行调控
人体传感器检测相关区域是否有人，若有人，则判断室内投影设备是否启动，在投影设备启动的情况下光照传感器检测当前光照是否合适，若不合适则由中央控制系统通过灯光调节算法综合自然光照调节室内照明灯光组至适宜状态；在无人或当前光照合适的情况下，自动进入节能模式。
上述步骤(1c)中，在室外环境恶劣的情况下，启动室内新风系统，新风系统是一种新型室内通风排气设备，属于开放式的循环系统，让学生在封闭的室内也可以呼吸到新鲜、高品质的空气。
上述步骤(1a)中引入环境质量调节算法。参数P来表示当前环境质量参数值，参数λ和δ表示当日环境质量达标值和恶劣值，参数K表示当前环境质量状态，则K的表达式为：
同时，参数P的计算公式为：
其中参数n表示相应室内或室外信息采集模块的传感器数量，参数Ci表示模块内第i个传感器采集的环境质量指标，Di为对应指标的标准值。根据公式(1)和公式(2)，云计算平台可以对当前的环境质量状态进行有效的判定，从而发出正确的操作指令。
上述步骤(2)中的灯光调节算法为：
参数u(t)表示照明灯光组的光照强度，e(t)表示当前室内光照强度与适宜的光照强度之差，则
其中，Kp表示比例系数，TI为积分时间，TD为积分时间，u0为控制常量。根据灯光调节算法，可以有效控制照明灯光组的光照强度，迅速提供一个适宜光照的教室环境。
有益效果：本发明提供的教室环境智能控制系统，能够通过中央控制系统的调控，将室内外环境信息采集模块、灯光控制模块所收集的数据信息与云计算平台所分析的参数指标进行比对，从而对室内可控设备及照明灯光组进行控制，最终达到一个舒适的环境标准。同时，能够有效利用资源，节约能源。
附图说明
图1是一种基于云计算技术的教室环境智能控制系统的结构图；
图2是一种基于云计算技术的教室环境智能控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示一种基于云计算技术的教室环境智能控制系统，包括云计算平台、中央控制系统、室内环境信息采集模块、室外环境信息采集模块、室内可控设备模块、灯光控制模块；
所述的云计算平台是计算和数据存储处理兼顾的综合云计算平台，能够通过对收集的数据进行处理并存储记录等操作，对当前教室的环境状况提出合理有效的处理方案，并将操作指示发送给中央控制系统。
所述的中央控制系统负责收集汇总各模块采集的信息，并将数据发送给云计算平台，之后再从云计算平台接收操作指示，对室内可控设备发出命令以调节室内环境。同时，也负责对室内灯光的调控以达到节能的目的。
所述的室内环境信息采集模块包括室内PM2.5传感器，室内O2、CO2浓度传感器，室内温湿度传感器。室内PM2.5传感器负责检测教室内的PM2.5 含量，并将数据记录下来；室内O2、CO2浓度传感器负责检测教室内O2、CO2的浓度，并将数据记录下来；室内温湿度传感器负责检测教室内的温度及湿度，并将数据记录下来。此模块将三个传感器所记录的数据传送至中央控制系统。
所述的室外环境信息采集模块需要考虑更多的因素，包括室外PM2.5传感器，光照传感器，声音传感器，室外温湿度传感器，风雨传感器，室外O 2、CO2浓度传感器。室外PM2.5传感器负责检测室外空气中PM2.5的含量，记录数据；光照传感器负责检测室外光线的强度，记录数据；声音传感器负责检测室外噪音的强度，记录数据；室外温湿度传感器负责检测室外的温度及湿度，记录数据；风雨传感器负责检测室外的风力和降雨量，记录数据；室外O2、CO2浓度传感器负责检测室外的O2及CO2的浓度，记录数据。此模块将六个传感器所记录的数据传送至中央控制系统进行处理。
所述的室内可控设备模块用于包括对门窗、空气净化器、加湿器、空调的控制。本模块需要接收中央控制系统的命令指示来进行调控，以达到最佳的环境指标。
所述的灯光控制模块包括人体传感器、光照传感器和照明灯光组。人体传感器负责检测相应区域内是否有人；光照传感器负责检测区域内的光强；照明灯光组有提供光照及补充照明的作用。
上述的云计算平台利用云计算技术对数据信息进行分析处理，能够有效节约时间和资源并迅速得出处理方案。
上述的中央控制系统作为本系统的核心，从室内外环境信息采集模块以及灯光控制模块中获取信息，传送至云计算平台，又从云计算平台中获得处理结果，对室内可控设备及灯光进行调控。
上述的室内、室外环境信息采集模块利用传感器进行信息数据的检测和收集工作。传感器能被较灵活地放置在室内外环境中；传感器具有一定的传输可靠性和抗干扰能力；传感器采用低功耗的设计方法，无需频繁更换。
上述的灯光控制模块能通过人体传感器和光照传感器反馈的数据，为使用者提供足够且舒适的光强，同时在无人或不需要的区域能够保持节能状态。
如图2所示，一种基于云计算技术的教室环境智能控制方法，基于以上教室环境智能控制方法，其步骤如下：整个系统会在设定的时间自动启动，启动之后分两条路径进行工作。
(1)、第一路径：对室内环境进行调控：
(a)、云计算平台综合季节信息和数据库信息发布今日环境达标参数值和恶劣参数值，并将其发送给中央控制系统。
(b)、中央控制系统综合室内外信息采集模块所传送的各项环境指标并计算当前的环境质量参数值，与云计算平台传送的数据进行比较，判断当前室内环境质量参数是否达标：若达标，15分钟后对当前环境质量参数进行更新，并再次进行判断；若未达标，中央控制系统综合各项数据信息进行改善操作。
(c)、室内环境改善措施如下：首先判断当前室外环境是否恶劣，若恶劣，启动室内新风系统，使当前环境质量参数趋于达标；若室外环境良好，中央控制系统则通过环境质量调节算法对室内可控设备进行有效控制使当前环境质量参数趋于达标。在一定的时间段后再次检测，若未达标，执行相同的操作。
(d)、室内电子屏显示当前室内的环境状态和信息。
(2)、第二路径：对室内的光照系统进行调控：
人体传感器检测相关区域是否有人，若有人，则判断室内投影设备是否启动，在投影设备启动的情况下光照传感器检测当前光照是否合适，若不合适则由中央控制系统通过灯光调节算法综合自然光照调节室内照明灯光组至适宜状态；在无人或当前光照合适的情况下，自动进入节能模式。
上述步骤(c)中，在室外环境恶劣的情况下，启动室内新风系统，新风系统是一种新型室内通风排气设备，属于开放式的循环系统，让学生在封闭的室内也可以呼吸到新鲜、高品质的空气。
上述步骤(a)中引入环境质量调节算法。参数P来表示当前环境质量参数值，参数λ和δ表示当日环境质量达标值和恶劣值，参数K表示当前环境质量状态，则K的表达式为：
同时，参数P的计算公式为:
其中参数n表示相应室内或室外信息采集模块的传感器数量，参数Ci表示模块内第i个传感器采集的环境质量指标，Di为对应指标的标准值。根据公式(1)和公式(2)，云计算平台可以对当前的环境质量状态进行有效的判定，从而发出正确的操作指令。
上述步骤(2)中引入灯光调节算法，参数u(t)表示照明灯光组的光照强度，e(t)表示当前室内光照强度与适宜的光照强度之差，则
其中，Kp表示比例系数，TI为积分时间，TD为积分时间，u0为控制常量。根据灯光调节算法，可以有效控制照明灯光组的光照强度，迅速提供一个适宜光照的教室环境。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于云计算技术的教室环境智能控制方法，利用一种基于云计算技术的教室环境智能控制系统，包括云计算平台、中央控制系统、室内环境信息采集模块、室外环境信息采集模块、室内可控设备模块、灯光控制模块；
所述的中央控制系统用于收集汇总室内环境信息采集模块和室外环境信息采集模块采集的信息，并将数据发送给云计算平台，之后再从云计算平台接收操作指示，分别将控制命令发送至室内可控设备模块和灯光控制模块，用于调节室内环境和对室内灯光进行调控，
其步骤如下：整个系统会在设定的时间自动启动，启动之后分两条路径进行工作；
(1)、第一路径：对室内环境进行调控
(1a)、云计算平台综合季节信息和数据库信息发布今日环境达标参数值和恶劣参数值，并将其发送给中央控制系统；
(1b)、中央控制系统综合室内外信息采集模块所传送的各项环境指标并计算当前的环境质量参数值，与云计算平台传送的数据进行比较，判断当前室内环境质量参数是否达标：若达标，对当前环境质量参数进行更新，并再次进行判断；若未达标，中央控制系统综合各项数据信息进行改善操作；
(1c)、室内环境改善措施如下：
首先判断当前室外环境是否恶劣，若恶劣，启动室内新风系统，使当前环境质量参数趋于达标；若室外环境良好，中央控制系统则通过环境质量调节算法对室内可控设备进行有效控制使当前环境质量参数趋于达标，在一定的时间段后再次检测，若未达标，执行相同的操作；
(1d)、室内电子屏显示当前室内的环境状态和信息；
(2)、第二路径：对室内的光照系统进行调控
人体传感器检测相关区域是否有人，若有人，则判断室内投影设备是否启动，在投影设备启动的情况下光照传感器检测当前光照是否合适，若不合适则由中央控制系统通过灯光调节算法综合自然光照调节室内照明灯光组至适宜状态；在无人或当前光照合适的情况下，自动进入节能模式；
所述步骤(1a)中的环境达标参数值和恶劣参数值引入环境质量调节算法；
参数P来表示当前环境质量参数值，参数λ和δ表示当日环境质量达标值和恶劣值，参数K表示当前环境质量状态，则K的表达式为：
同时，参数P的计算公式为:
其中参数n表示相应室内或室外信息采集模块的传感器数量，参数Ci表示模块内第i个传感器采集的环境质量指标，Di为对应指标的标准值；根据公式(1)和公式(2)，云计算平台对当前的环境质量状态进行有效的判定，从而发出正确的操作指令。
2.根据权利要求1所述的一种基于云计算技术的教室环境智能控制方法，其特征在于所述步骤(2)中的灯光调节算法如下：
参数u(t)表示照明灯光组的光照强度，e(t)表示当前室内光照强度与适宜的光照强度之差，则
其中，Kp表示比例系数，TI为积分时间，TD为积分时间，u0为控制常量，根据灯光调节算法，可以有效控制照明灯光组的光照强度，迅速提供一个适宜光照的教室环境。
3.根据权利要求1所述的一种基于云计算技术的教室环境智能控制方法，其特征在于：所述的室内环境信息采集模块包括室内PM2.5传感器，室内O2、CO2浓度传感器，室内温湿度传感器；所述室内PM2.5传感器用于检测教室内的PM2.5含量并记录数据；所述室内O2、CO2浓度传感器负责检测教室内O2、CO2的浓度并记录数据；所述室内温湿度传感器负责检测教室内的温度及湿度并记录数据。
4.根据权利要求1所述的一种基于云计算技术的教室环境智能控制方法，其特征在于：所述的室外环境信息采集模块包括室外PM2.5传感器，光照传感器，声音传感器，室外温湿度传感器，风雨传感器，室外O2、CO2浓度传感器；所述室外PM2.5传感器用于检测教室外的PM2.5含量并记录数据；所述光照传感器用于检测室外光线的强度并记录数据；声音传感器用于检测室外噪音的强度并记录数据；所述室外温湿度传感器用于检测室外的温度及湿度并记录数据；所述风雨传感器负责检测室外的风力和降雨量并记录数据；所述室外O2、CO2浓度传感器用于检测室外的O2及CO2的浓度并记录数据。
5.根据权利要求1所述的一种基于云计算技术的教室环境智能控制方法，其特征在于：所述的室内可控设备模块用于包括对门窗、空气净化器、加湿器、空调的控制。
6.根据权利要求1所述的一种基于云计算技术的教室环境智能控制方法，其特征在于：所述的灯光控制模块包括人体传感器、光照传感器和照明灯光组；所述人体传感器用于检测相应区域内是否有人；所述光照传感器用于检测区域内的光强；所述照明灯光组用于提供光照及补充照明的作用。
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