CN107479388A - 一种教室中央空调与照明的节能控制系统及控制方法 - Google Patents
一种教室中央空调与照明的节能控制系统及控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于节能控制技术领域，公开了一种中央空调与照明的节能控制系统及控制方法，所述控制方法包括：教师区域划分，采集图像，区域化分的教室采集的背景图片和目标图片得到背景相减之后进行二值化图像处理；对于判定有人的区域，空调和照明会自动开启，若判定无人，则空调和照明会自动关闭；得到模糊控制规则，当采样得到的偏差作为模糊控制器的输入，得到相应的空置量，使用模糊控制算法实现教室温度的节能控制。控制系统包括：视频监控采集模块、温湿度采集模块、中控室上位机。经过实际项目运行测试，达到了预期的设计效果，对实现建筑的智能化控制具有一定的理论意义和实用价值。
Description
技术领域
本发明属于节能控制技术领域，尤其涉及一种中央空调与照明的节能控制系统及控制方法。
背景技术
近年来随着高校规模的不断扩大，学生人数、教职员工人数急剧增多，各高校校园建筑面积都比过去有了大幅度的提高，特别是建筑能耗费用成倍增长，造成学生培养成本加大，学校资金紧张。高校现已成为重要的能源消耗大户，按照日本和中国的能源单位分类标准，基本上都处于一类能源管理单位(即年能耗折耗电1200万Kw.h以上)，使用能源费用支出过大，严重影响高校教学和科研。虽然高校已认识到建筑节能的重要性，开展了一系列建筑节能工作，节能效果不佳，大部分仍然是高能耗建筑。目前我国大部分高校都依赖人工进行教室中央空调和灯光的管理，常出现教室空无一人却灯火辉煌、空调全开的情况，只有两三个人却开几十盏灯打开所有中央空调，或者白天光线足够强却依然开灯，天气舒适依然开着空调。管理员因教室数量巨大而无法及时对所有的教室都实施有效的控制，造成了不必要的电能浪费和经济损失。
综上所述，现有技术存在的问题是：目前高校建筑能耗高，能源浪费严重。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种中央空调与照明的节能控制系统及控制方法。
本发明是这样实现的，一种中央空调与照明的节能控制方法，所述中央空调与照明的节能控制方法包括以下步骤：
步骤一，教师区域划分，采集图像，区域化分的教室采集的背景图片和目标图片得到背景相减之后进行二值化图像处理；对于判定有人的区域，空调和照明会自动开启，若判定无人，则空调和照明会自动关闭；
步骤二，得到模糊控制规则，当采样得到的偏差作为模糊控制器的输入，得到相应的空置量，使用模糊控制算法实现教室温度的节能控制。
进一步，采集一张教室内无人的图像作为背景图片，在教室有人的情况下采集一张图片作为目标图片；将两张图片进行处理；采集的背景图片和目标图片得到背景相减之后的二值化图像处理；存在人物的区域为白色，判断教室内是否有人存在。
进一步，所述区域划分教室的长为2a，宽为2b；教室图片的中点为O'点；得到在XOY坐标系中点A的坐标(g,f)，点O'的坐标为(a,b)；以X'O'Y'建立新的坐标系，通过坐标移动，得到点A在X'O'Y'坐标系中的坐标(g',f')，其中g'＝g-a,f'＝f-b，得到：
进一步，所述经过区域化分的教室二值化图片中各个区域的像素点进行统计：
A：区域中为1的像素点个数；
B：区域中总的像素点个数；
C：误差调整参数，取值(-1,1)；
X：比例值，精确到小数点后2位。
进一步，在各个区域中，判别是否有人的X取值：
进一步，所述模糊控制规则：
R1:if E＝NB then U＝PB；
R2:if E＝NM then U＝PM；
R3:if E＝NS then U＝PS；
R4:if E＝Z then U＝Z；
R5:if E＝PS then U＝NS；
R6:if E＝PM then U＝NM；
R7:if E＝PB then U＝NB；
归纳为E×U的模糊关系R：
进一步，所述得到系统模糊控制规则R后，当采样得到的偏差E作为模糊控制器的输入，就能得到相应的空置量U：
E＝PS＝[0 0 0.2 0.5 1 0.5 0.2]；
用Zadeh的表示方法：
本发明的另一目的在于提供一种使用所述中央空调与照明的节能控制方法的中央空调与照明的节能控制系统，所述中央空调与照明的节能控制系统包括：
视频监控采集模块，用于对教室进行图像的采集，得到教室内人员分布情况；
温湿度采集模块，用于通过温湿度传感器进行教室内温度和湿度的采集；
中控室上位机，通过有线或无线与视频监控采集模块和温湿度采集模块连接，用于根据视频监控采集模块和温湿度采集模块采集的数据进行预处理，并根据预先设置的阈值对教室内的空调、风机盘管设备和照明设备的启停。
本发明的另一目的在于提供一种使用所述中央空调与照明的节能控制方法的高效教室。
本发明的优点及积极效果为：为了克服传统教室人工控制照成的浪费问题，本发明采用视觉检测技术识别光线强弱，和人数多少，用温温湿度传感器加上独有的教室温湿度控制的控制算法，实现每个教室的空调和灯光实时监控。本发明杜绝了教室各区域在无人时不关空调和关灯的现象，实现了对教室中央空调和照明系统的科学自动化、智能管理，达到了较好的节能降耗效果。本发明选取了11月和3月(气候环境和课程安排情况都非常接近)的用电数据作为对比，来对系统的节能效果进行分析。一周内的用电情况如图7所示。一个月内的用电情况如图8所示；系统运行之后，可以节约14.14％的电能，达到了节能的要求。经过实际项目运行测试，达到了预期的设计效果，对实现建筑的智能化控制具有一定的理论意义和实用价值。
附图说明
图1是本发明实施例提供的中央空调与照明的节能控制系统结构示意图；
图中：1、视频监控采集模块；2、温湿度采集模块；3、中控室上位机；4、教室。
图2是本发明实施例提供的中央空调与照明的节能控制方法流程图；
图3是本发明实施例提供的理论上区域划分示意图。
图4是本发明实施例提供的区域坐标划分示意图。
图5是本发明实施例提供的区域划分的二值化图像示意图。
图6是本发明实施例提供的控制结构示意图。
图7是本发明实施例提供的一周内用电情况示意图。
图8是本发明实施例提供的一月内用电情况示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的高校教室中央空调与照明智能节能系统，有利于加快在高等院校建筑中全面推进建筑节能，是节约能源、保护环境、改善建筑功能、降低学校经费开支的重要措施，对建设“节能型”高校具有十分重要的意义。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的中央空调与照明的节能控制系统包括：
视频监控采集模块1，用于对教室进行图像的采集，得到教室内人员分布情况；
温湿度采集模块2，用于通过温湿度传感器进行教室内温度和湿度的采集；
中控室上位机3，通过有线或无线与视频监控采集模块1和温湿度采集模块2连接，用于根据视频监控采集模块和温湿度采集模块采集的数据进行预处理，并根据预先设置的阈值对教室3内的空调、风机盘管设备和照明设备的启停。
如图2所示，本发明实施例提供的中央空调与照明的节能控制方法包括以下步骤：
S201：教师区域划分，采集图像，区域化分的教室采集的背景图片和目标图片得到背景相减之后进行二值化图像处理；对于判定有人的区域，空调和照明会自动开启，若判定无人，则空调和照明会自动关闭；
S202：得到模糊控制规则，当采样得到的偏差作为模糊控制器的输入，得到相应的空置量，使用模糊控制算法实现教室温度的节能控制。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述
1、人物识别与定位，教室内人员采用图像技术对摄像机上传的图片进行处理，从而得到教室内人员的分布情况。
1.1人物识别，对教室内的人物识别，采用了背景减除；根据背景模型与当前采集图像的对比，找到有差异的像素归为前景目标，没有差异的像素归类为背景，即是背景减除；摄像头采集一张教室内无人的图像作为背景图片，然后在教室有人的情况下采集一张图片作为目标图片；将两张图片进行处理；采集的背景图片和目标图片得到背景相减之后的二值化图像处理；存在人物的区域为白色，由此可以知道教室内是否有人存在。
1.2区域定位
根据中央空调的风机盘管安装位置，把教室分成了4个区域，也就是说每个风机盘管负责着教室一个区域的空调效果。理想化的区域划分如图3所示，为了通过识别相应区域中是否存在人物，来开启或关闭区域中的风机盘管设备。区域划分的坐标图如图4所示。教室的长为2a，宽为2b，设定教室图片的中点为O'点。首先可以得到在XOY坐标系中点A的坐标(g,f)，点O'的坐标为(a,b)。其次以X'O'Y'建立新的坐标系，通过坐标移动，可以得到点A在X'O'Y'坐标系中的坐标(g',f')，其中g'＝g-a,f'＝f-b。那么，可以由此得到公式(1)：
经过区域化分的教室二值化图片如图5所示：
由图中可以看出，一个人物是会跨区域存在的，并且，在实际操作中，凳子移动对区域的定位的干扰是巨大的。为了减少这些干扰，本文对二值化图片中各个区域的像素点进行了统计，通过公式(2)来计算：
A：区域中为1的像素点个数。
B：区域中总的像素点个数。
C：误差调整参数，取值(-1,1)。
X：比例值，精确到小数点后2位。
A和B的取值可以通过上位机运算得到。由于各个教室环境的不同，C的值是通过实际的调试而设置的，用于比例值的修正。
通过工程项目的实际调试，在各个区域中，判别是否有人的X取值见公式(3)：
对于判定有人的区域，空调和照明会自动开启，若判定无人，则空调和照明会自动关闭。
2智能节能温度控制方法
2.1控制方法选择，采用模糊控制方法来实现空调的温度控制。
2.2模糊控制的实现，采用单输入单输出的方式；控制结构图如图6所示。
设定温度T0＝24℃，T为教室内实测温度，E＝T0-T为温度误差，空调的模糊控制区为18℃～30℃，温差范围±6℃，温度采样分辨率为1℃，采样周期30s，温度控制增量U＝±6℃，空调面板温度控制范围16℃～30℃。
把E的论域量化为7级{-3，-2，-1,0,+1,+2,+3}，每级相差3℃，E的模糊语言分为如下7档{PB,PM,PS,Z,NS,NM,NB}，得到E的隶属度赋值见表1。
表1 E的隶属度
把U的论域量化为7级{-3,-2,-1,0,+1,+2,+3}，每级相差2℃，E的模糊语言分为如下7档{PB,PM,PS,Z,NS,NM,NB}，得到U的隶属度赋值见表2。
表2 U的隶属度
得到以下控制规则：
R1:if E＝NB then U＝PB；
R2:if E＝NM then U＝PM；
R3:if E＝NS then U＝PS；
R4:if E＝Z then U＝Z；
R5:if E＝PS then U＝NS；
R6:if E＝PM then U＝NM；
R7:if E＝PB then U＝NB；
归纳为E×U的模糊关系R，见公式(4)：
R＝R1∪R2∪R3∪R4∪R5∪R6∪R7 (4)
求Ri(i＝1,2,3…,7)的运算按下式进行，见公式(5)：
得到：
得到系统模糊控制规则R后，当采样得到的偏差E作为模糊控制器的输入，就能得到相应的空置量U，见公式(6)：
E＝PS＝[0 0 0.2 0.5 1 0.5 0.2]；
用Zadeh的表示方法：
按最大隶属度法，应选取控制量-1级。
按上述运算方法，依次代入计算，求出控制表见表3。
表3控制表
把控制表存入网络控制器的储存芯片，通过程序以查询功能实现控制。空调启动时，初始设定为16℃，全力制冷；室内温度到30℃，进入模糊控制区域，面板设定温度自动调整为18℃。以此类推，实现模糊控制。
下面结合节能效果对本发明的应用效果作详细的描述。
实际应用共覆盖教室59间，本发明选取了11月和3月(气候环境和课程安排情况都非常接近)的用电数据作为对比，来对系统的节能效果进行分析。一周内的用电情况如图7所示。一个月内的用电情况如图8所示；系统运行之后，可以节约14.14％的电能，达到了节能的要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种中央空调与照明的节能控制方法，其特征在于，所述中央空调与照明的节能控制方法包括以下步骤：
步骤一，教师区域划分，采集图像，区域化分的教室采集的背景图片和目标图片得到背景相减之后进行二值化图像处理；对于判定有人的区域，空调和照明会自动开启，若判定无人，则空调和照明会自动关闭；
步骤二，得到模糊控制规则，当采样得到的偏差作为模糊控制器的输入，得到相应的空置量，使用模糊控制算法实现教室温度的节能控制。
2.如权利要求1所述的中央空调与照明的节能控制方法，其特征在于，采集一张教室内无人的图像作为背景图片，在教室有人的情况下采集一张图片作为目标图片；将两张图片进行处理；采集的背景图片和目标图片得到背景相减之后的二值化图像处理；存在人物的区域为白色，判断教室内是否有人存在。
3.如权利要求1所述的中央空调与照明的节能控制方法，其特征在于，所述区域划分教室的长为2a，宽为2b；教室图片的中点为O'点；得到在XOY坐标系中点A的坐标(g,f)，点O'的坐标为(a,b)；以X'O'Y'建立新的坐标系，通过坐标移动，得到点A在X'O'Y'坐标系中的坐标(g',f')，其中g'＝g-a,f'＝f-b，得到：
4.如权利要求1所述的中央空调与照明的节能控制方法，其特征在于，所述经过区域化分的教室二值化图片中各个区域的像素点进行统计：
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<mi>C</mi>
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</mrow>
A：区域中为1的像素点个数；
B：区域中总的像素点个数；
C：误差调整参数，取值(-1,1)；
X：比例值，精确到小数点后2位。
5.如权利要求1所述的中央空调与照明的节能控制方法，其特征在于，在各个区域中，判别是否有人的X取值：
6.如权利要求1所述的中央空调与照明的节能控制方法，其特征在于，所述模糊控制规则：
R1:if E＝NB then U＝PB；
R2:if E＝NM then U＝PM；
R3:if E＝NS then U＝PS；
R4:if E＝Z then U＝Z；
R5:if E＝PS then U＝NS；
R6:if E＝PM then U＝NM；
R7:if E＝PB then U＝NB；
归纳为E×U的模糊关系R：
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7.如权利要求1所述的中央空调与照明的节能控制方法，其特征在于，所述得到系统模糊控制规则R后，当采样得到的偏差E作为模糊控制器的输入，就能得到相应的空置量U：
E＝PS＝[0 0 0.2 0.5 1 0.5 0.2]；
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用Zadeh的表示方法：
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8.一种使用权利要求1～7任意一项所述中央空调与照明的节能控制方法的中央空调与照明的节能控制系统，其特征在于，所述中央空调与照明的节能控制系统包括：
视频监控采集模块，用于对教室进行图像的采集，得到教室内人员分布情况；
温湿度采集模块，用于通过温湿度传感器进行教室内温度和湿度的采集；
中控室上位机，通过有线或无线与视频监控采集模块和温湿度采集模块连接，用于根据视频监控采集模块和温湿度采集模块采集的数据进行预处理，并根据预先设置的阈值对教室内的空调、风机盘管设备和照明设备的启停。
9.一种使用权利要求1～7任意一项所述中央空调与照明的节能控制方法的高效教室。
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