CN107849891B - 智能检测的夜间卧室窗户开度操作平台 - Google Patents

Abstract

一种基于红外检测的夜间卧室窗户开度操作平台，包括红外成像设备(1)、红外室内图像处理设备(2)、窗户开度控制设备(3)和AT89C51单片机(4)，所述红外成像设备(1)用于对卧室室内拍摄以获得红外室内图像，所述红外室内图像处理设备(2)与所述红外成像设备(1)连接，用于对所述红外室内图像进行图像处理，所述AT89C51单片机(4)与所述红外室内图像处理设备(2)连接，用于基于所述红外室内图像处理设备(2)的图像处理结果控制所述窗户开度控制设备(3)对卧室窗户的开启模式。通过本技术方案，能够在夜间根据卧室人体出汗情况和室外风速自动控制卧室窗户的打开状态。

Description

智能检测的夜间卧室窗户开度操作平台

技术领域

本发明涉及环境检测领域，尤其涉及一种智能检测的夜间卧室窗户开度操作平台。

背景技术

现有技术中，在夜间，当卧室人们进入睡眠时，卧室窗户处于失控状态，所谓的失控指的是，卧室窗户只能保持之前的打开或关闭状态，以及在打开状态时，卧室窗户只能随风晃动或被固定在某一位置，无法根据室内人员情况和室外风速灵活进行卧室窗户的控制，极易给卧室人员带来不舒适的感觉。

为此，本发明提出了一种基于红外检测的夜间卧室窗户开度操作平台，能够在夜间实时检测卧室人员的流汗情况以及检测外部风速和室内毒气浓度含量，以建立适宜人员体感和室内健康环境的通风机制，保证室内人员的身心健康。

发明内容

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种基于红外检测的夜间卧室窗户开度操作平台，采用有毒气体检测设备和风速检测设备对室内外通风参数进行检测，采用具有自适应图像阈值分割机制和多重有效图像预处理技术的图像识别设备对室内人员汗水进行检测，从而自动控制夜间卧室窗户的开启和关闭以及自动控制卧室窗户的打开度。

根据本发明的一方面，提供了一种基于红外检测的夜间卧室窗户开度操作平台，所述操作平台包括红外成像设备、红外室内图像处理设备、窗户开度控制设备和AT89C51单片机，所述红外成像设备用于对卧室室内拍摄以获得红外室内图像，所述红外室内图像处理设备与所述红外成像设备连接，用于对所述红外室内图像进行图像处理，所述AT89C51单片机与所述红外室内图像处理设备连接，用于基于所述红外室内图像处理设备的图像处理结果控制所述窗户开度控制设备对卧室窗户的开启模式。

更具体地，在所述基于红外检测的夜间卧室窗户开度操作平台中，还包括：有毒气体检测设备，与所述AT89C51单片机连接，用于检测卧室内是否存在有毒气体，并在检测到存在有毒气体时，将有毒气体含量发送到所述AT89C51单片机；风速检测设备，设置在卧室外部的外墙上，用于检测并输出卧室外部的实时风速；供电设备，设置在卧室外部的外墙上，包括太阳能供电器件、市电接口、切换开关和电压转换器，所述切换开关与所述太阳能供电器件和所述市电接口分别连接，根据市电接口处的市电电压大小决定是否切换到所述太阳能供电器件以由所述太阳能供电器件供电，所述电压转换器与所述切换开关连接，以将通过切换开关输入的5V电压转换为3.3V电压；移动硬盘，用于预先存储人体灰度阈值范围和预设像素数量阈值，还用于预先存储基准汗水图像，所述基准汗水图像为对基准汗水进行拍摄而获得的只包括汗水像素的图像；所述红外室内图像处理设备设置在卧室内部的内墙上，与所述红外成像设备连接，用于接收红外室内图像；所述红外室内图像处理设备包括对比度增强子设备、维纳滤波子设备、中值滤波子设备、均值滤波子设备、图像膨胀子设备、图像腐蚀子设备、灰度化处理子设备、阈值选择子设备、人体分割子设备和汗水提取子设备；所述对比度增强子设备、所述维纳滤波子设备、所述中值滤波子设备、所述均值滤波子设备、所述图像膨胀子设备、所述图像腐蚀子设备、所述灰度化处理子设备对所述红外室内图像依次执行对比度增强、维纳滤波、中值滤波、均值滤波、图像膨胀、图像腐蚀和灰度化处理，以获得灰度化图像；所述阈值选择子设备与所述移动硬盘和所述灰度化处理子设备分别连接，用于依次从所述人体灰度阈值范围中选择一个值作为预选灰度阈值，采用预选灰度阈值将灰度化图像划分为预选背景区域和预选目标区域，计算预选背景区域占据灰度化图像的面积比例作为第一面积比，计算预选背景区域的像素平均灰度值作为第一平均灰度值，计算预选目标区域占据灰度化图像的面积比例作为第二面积比，计算预选目标区域的像素平均灰度值作为第二平均灰度值，将第一平均灰度值减去第二平均灰度值，获得的差的平方乘以第一面积比和第二面积比，获得的乘积作为阈值乘积，选择阈值乘积最大的预选灰度阈值作为目标灰度阈值；所述人体分割子设备与所述阈值选择子设备连接，用于采用目标灰度阈值将灰度化图像划分为背景图像和人体图像；所述汗水提取子设备与所述人体分割子设备和所述移动硬盘分别连接，从人体图像中提取与基准汗水图像匹配的各个汗水子图像，累计各个汗水子图像中的像素总和，当得到的像素总和大于预设像素数量阈值时，判断人体存在汗水并输出存在汗水信号，当得到的像素总和小于等于预设像素数量阈值时，判断人体不存在汗水并输出不存在汗水信号；所述AT89C51单片机与所述红外成像设备、所述风速检测设备、所述移动硬盘、所述红外室内图像处理设备和所述窗户开度控制设备分别连接，在接收到不存在汗水信号，控制所述窗户开度控制设备以关闭卧室窗户，在接收到存在汗水信号，打开卧室窗户，并根据接收到的实时风速确定所述窗户开度控制设备的开启策略；其中，所述AT89C51单片机确定的开启策略具体包括：所述AT89C51单片机基于风速开度对照表控制所述窗户开度控制设备，使得所述窗户开度控制设备控制卧室窗户的开度与实时风速成反比；其中，所述风速开度对照表被预先存储在所述移动硬盘预先中，所述风速开度对照表给出了每一个风速范围与窗户开度的映射关系，所述AT89C51单片机根据所述风速开度对照表使得所述窗户开度控制设备控制窗户的开度与实时风速成反比；所述对比度增强子设备、所述维纳滤波子设备、所述中值滤波子设备、所述均值滤波子设备、所述图像膨胀子设备、所述图像腐蚀子设备、所述灰度化处理子设备、所述阈值选择子设备、所述人体分割子设备和所述汗水提取子设备分别采用不同型号的FPGA芯片来实现。

更具体地，在所述基于红外检测的夜间卧室窗户开度操作平台中：替换地，所述对比度增强子设备、所述维纳滤波子设备、所述中值滤波子设备、所述均值滤波子设备、所述图像膨胀子设备、所述图像腐蚀子设备、所述灰度化处理子设备、所述阈值选择子设备、所述人体分割子设备和所述汗水提取子设备被集成在一块FPGA芯片内。

更具体地，在所述基于红外检测的夜间卧室窗户开度操作平台中，所述操作平台还包括：用户输入设备，用于在用户的操作下，输入所述人体灰度阈值范围和所述预设像素数量阈值。

更具体地，在所述基于红外检测的夜间卧室窗户开度操作平台中：所述用户输入设备为键盘。

更具体地，在所述基于红外检测的夜间卧室窗户开度操作平台中，所述操作平台还包括：声光报警设备，与所述AT89C51单片机连接，用于在所述AT89C51单片机连接的控制下进行声光报警。

更具体地，在所述基于红外检测的夜间卧室窗户开度操作平台中：所述AT89C51单片机在接收到的有毒气体含量大于等于预设含量阈值时，向所述声光报警设备发送声光报警信号。

更具体地，在所述基于红外检测的夜间卧室窗户开度操作平台中：所述预设含量阈值被预先存储在所述移动硬盘中。

附图说明

以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中：

图1为根据本发明实施方案示出的基于红外检测的夜间卧室窗户开度操作平台的结构方框图。

附图标记：1红外成像设备；2红外室内图像处理设备；3窗户开度控制设备；4AT89C51单片机

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的基于红外检测的夜间卧室窗户开度操作平台的实施方案进行详细说明。

现有技术中，并不存在夜间卧室人员熟睡时根据室内毒气情况、室外风速和室内人员流汗程度对卧室窗户进行智能化开启控制的方案，这样很容易导致室内人员流汗着凉或中暑，以及导致不能根据室外风速自动控制窗户的开启程度。

为了克服上述不足，本发明搭建了一种基于红外检测的夜间卧室窗户开度操作平台，采用红外图像采集技术对夜间卧室人员图像进行数据采集，通过有针对性的各种图像处理设备识别卧室人员出汗情况，并根据出汗情况和室内外通风状况灵活控制窗口的开启状态。

图1为根据本发明实施方案示出的基于红外检测的夜间卧室窗户开度操作平台的结构方框图，所述操作平台包括红外成像设备、红外室内图像处理设备、窗户开度控制设备和AT89C51单片机，所述红外成像设备用于对卧室室内拍摄以获得红外室内图像，所述红外室内图像处理设备与所述红外成像设备连接，用于对所述红外室内图像进行图像处理，所述AT89C51单片机与所述红外室内图像处理设备连接，用于基于所述红外室内图像处理设备的图像处理结果控制所述窗户开度控制设备对卧室窗户的开启模式。

接着，继续对本发明的基于红外检测的夜间卧室窗户开度操作平台的具体结构进行进一步的说明。

所述操作平台还包括：有毒气体检测设备，与所述AT89C51单片机连接，用于检测卧室内是否存在有毒气体，并在检测到存在有毒气体时，将有毒气体含量发送到所述AT89C51单片机。

所述操作平台还包括：风速检测设备，设置在卧室外部的外墙上，用于检测并输出卧室外部的实时风速。

所述操作平台还包括：供电设备，设置在卧室外部的外墙上，包括太阳能供电器件、市电接口、切换开关和电压转换器，所述切换开关与所述太阳能供电器件和所述市电接口分别连接，根据市电接口处的市电电压大小决定是否切换到所述太阳能供电器件以由所述太阳能供电器件供电，所述电压转换器与所述切换开关连接，以将通过切换开关输入的5V电压转换为3.3V电压。

所述操作平台还包括：移动硬盘，用于预先存储人体灰度阈值范围和预设像素数量阈值，还用于预先存储基准汗水图像，所述基准汗水图像为对基准汗水进行拍摄而获得的只包括汗水像素的图像。

所述红外室内图像处理设备设置在卧室内部的内墙上，与所述红外成像设备连接，用于接收红外室内图像；所述红外室内图像处理设备包括对比度增强子设备、维纳滤波子设备、中值滤波子设备、均值滤波子设备、图像膨胀子设备、图像腐蚀子设备、灰度化处理子设备、阈值选择子设备、人体分割子设备和汗水提取子设备。

所述对比度增强子设备、所述维纳滤波子设备、所述中值滤波子设备、所述均值滤波子设备、所述图像膨胀子设备、所述图像腐蚀子设备、所述灰度化处理子设备对所述红外室内图像依次执行对比度增强、维纳滤波、中值滤波、均值滤波、图像膨胀、图像腐蚀和灰度化处理，以获得灰度化图像。

所述阈值选择子设备与所述移动硬盘和所述灰度化处理子设备分别连接，用于依次从所述人体灰度阈值范围中选择一个值作为预选灰度阈值，采用预选灰度阈值将灰度化图像划分为预选背景区域和预选目标区域，计算预选背景区域占据灰度化图像的面积比例作为第一面积比，计算预选背景区域的像素平均灰度值作为第一平均灰度值，计算预选目标区域占据灰度化图像的面积比例作为第二面积比，计算预选目标区域的像素平均灰度值作为第二平均灰度值，将第一平均灰度值减去第二平均灰度值，获得的差的平方乘以第一面积比和第二面积比，获得的乘积作为阈值乘积，选择阈值乘积最大的预选灰度阈值作为目标灰度阈值。

所述人体分割子设备与所述阈值选择子设备连接，用于采用目标灰度阈值将灰度化图像划分为背景图像和人体图像。

所述汗水提取子设备与所述人体分割子设备和所述移动硬盘分别连接，从人体图像中提取与基准汗水图像匹配的各个汗水子图像，累计各个汗水子图像中的像素总和，当得到的像素总和大于预设像素数量阈值时，判断人体存在汗水并输出存在汗水信号，当得到的像素总和小于等于预设像素数量阈值时，判断人体不存在汗水并输出不存在汗水信号。

所述AT89C51单片机与所述红外成像设备、所述风速检测设备、所述移动硬盘、所述红外室内图像处理设备和所述窗户开度控制设备分别连接，在接收到不存在汗水信号，控制所述窗户开度控制设备以关闭卧室窗户，在接收到存在汗水信号，打开卧室窗户，并根据接收到的实时风速确定所述窗户开度控制设备的开启策略。

其中，所述AT89C51单片机确定的开启策略具体包括：所述AT89C51单片机基于风速开度对照表控制所述窗户开度控制设备，使得所述窗户开度控制设备控制卧室窗户的开度与实时风速成反比。所述风速开度对照表被预先存储在所述移动硬盘预先中，所述风速开度对照表给出了每一个风速范围与窗户开度的映射关系，所述AT89C51单片机根据所述风速开度对照表使得所述窗户开度控制设备控制窗户的开度与实时风速成反比。

所述对比度增强子设备、所述维纳滤波子设备、所述中值滤波子设备、所述均值滤波子设备、所述图像膨胀子设备、所述图像腐蚀子设备、所述灰度化处理子设备、所述阈值选择子设备、所述人体分割子设备和所述汗水提取子设备分别采用不同型号的FPGA芯片来实现。

可选地，在所述操作平台中：替换地，所述对比度增强子设备、所述维纳滤波子设备、所述中值滤波子设备、所述均值滤波子设备、所述图像膨胀子设备、所述图像腐蚀子设备、所述灰度化处理子设备、所述阈值选择子设备、所述人体分割子设备和所述汗水提取子设备被集成在一块FPGA芯片内；在所述基于红外检测的夜间卧室窗户开度操作平台中，所述操作平台还包括：用户输入设备，用于在用户的操作下，输入所述人体灰度阈值范围和所述预设像素数量阈值；所述用户输入设备为键盘；所述操作平台还包括：声光报警设备，与所述AT89C51单片机连接，用于在所述AT89C51单片机连接的控制下进行声光报警；所述AT89C51单片机在接收到的有毒气体含量大于等于预设含量阈值时，向所述声光报警设备发送声光报警信号；所述预设含量阈值被预先存储在所述移动硬盘中。

另外，FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，他是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。他是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

以硬件描述语言(Verilog或VHDL)所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至FPGA上进行测试，是现代IC设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路(比如AND、OR、XOR、NOT)或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器(Flip-flop)或者其他更加完整的记忆块。系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。

FPGA一般来说比ASIC(专用集成电路)的速度要慢，实现同样的功能比ASIC电路面积要大。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。另外一种方法是用CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)。FPGA的开发相对于传统PC、单片机的开发有很大不同。FPGA以并行运算为主，以硬件描述语言来实现；相比于PC或单片机(无论是冯诺依曼结构还是哈佛结构)的顺序操作有很大区别。

早在1980年代中期，FPGA已经在PLD设备中扎根。CPLD和FPGA包括了一些相对大数量的可编辑逻辑单元。CPLD逻辑门的密度在几千到几万个逻辑单元之间，而FPGA通常是在几万到几百万。CPLD和FPGA的主要区别是他们的系统结构。CPLD是一个有点限制性的结构。这个结构由一个或者多个可编辑的结果之和的逻辑组列和一些相对少量的锁定的寄存器组成。这样的结果是缺乏编辑灵活性，但是却有可以预计的延迟时间和逻辑单元对连接单元高比率的优点。而FPGA却是有很多的连接单元，这样虽然让他可以更加灵活的编辑，但是结构却复杂的多。

采用本发明的基于红外检测的夜间卧室窗户开度操作平台，针对现有技术中夜间卧室窗户难以自动控制的技术问题，采用多种传感技术和有针对性的图像识别技术，对卧室人员汗水数据进行采集，以及对室内气体和室外风速进行采集，在此基础上，灵活控制卧室窗户的关闭、开启以及打开程度。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (3)

1.一种基于红外检测的夜间卧室窗户开度操作平台，其特征在于：所述操作平台 包括红外成像设备、红外室内图像处理设备、窗户开度控制设备和 AT89C51单片机，所述红外成像设备用于对卧室室内拍摄以获得红外室内图像，所述红外室内图像处理设备与所述红外成像设备连接，用于对所述 红外室内图像进行图像处理，所述AT89C51单片机与所述红外室内图像处理设备连接，用于基于所述红外室内图像处理设备的图像处理结果控制所述窗户开度控制设备对卧室窗户的开启模式；

所述红外室内图像处理设备包括对比度增强子设备、维纳滤波子设备、中值滤波子设备、均值滤波子设备、图像膨胀子设备、图像腐蚀子设备、灰度化处理子设备、阈值选择子设备、人体分割子设备和汗水提取子设备；所述对比度增强子设备、所述维纳滤波子设备、所述中值滤波子设备、所述均值滤波子设备、所述图像膨胀子设备、所述图像腐蚀子设备、所述灰度化处理子设备对所述红外室内图像依次执行对比度增强、维纳滤波、中值滤波、均值滤波、图像膨胀、图像腐蚀和灰度化处理，以获得灰度化图像；所述阈值选择子设备与移动硬盘和所述灰度化处理子设备分别连接，用于依次从人体灰度阈值范 围中选择一个值作为预选灰度阈值，采用预选灰度阈值将灰度化图像划分为预选背景区域和预选目标区域，计算预选背景区域占据灰度化图像的面积比例作为第一面积比，计算预选背景区域的像素平均灰度值作为第一平均灰度值，计算预选目标区域占据灰度化图像的面积比例作为第二面积比，计算预选目标区域的像素平均灰度值作为第二平均灰度值，将第一平均灰度值减去第二平均灰度值，获得的差的平方乘以第一面积比和第二面积比，获得的乘积作为阈值乘积，选择阈值乘积最大的预选灰度阈值作为目标灰度阈值；所述人体分割子设备与所述阈值选择子设备连接，用于采用目标灰度阈值将灰度化图像划分为背景图像和人体图像；所述汗水提取子设备与所述人体分割子设备和移动硬盘分别连接，从人体图像中提取与基准汗水图像匹配的各个汗水子图像，累计各个汗水子图像中的像素总和，当得到的像素总和大于预设像素数量阈值时，判断人体存在汗水并输出存在汗水信号，当得到的像素总和小于等于预设像素数量阈值时，判断人体不存在汗水并输出不存在汗水信号；

所述操作平台还包括：

有毒气体检测设备，与所述AT89C51单片机连接，用于检测卧室内是 否存在有毒气体，并在检测到存在有毒气体时，将有毒气体含量发送到所述AT89C51单片机；

风速检测设备，设置在卧室外部的外墙上，用于检测并输出卧室外部 的实时风速；

供电设备，设置在卧室外部的外墙上，包括太阳能供电器件、市电接 口、切换开关和电压转换器，所述切换开关与所述太阳能供电器件和所述 市电接口分别连接，根据市电接口处的市电电压大小决定是否切换到所述 太阳能供电器件以由所述太阳能供电器件供电，所述电压转换器与所述切 换开关连接，以将通过切换开关输入的5V电压转换为3.3V电压；

移动硬盘，用于预先存储人体灰度阈值范围和预设像素数量阈值，还 用于预先存储基准汗水图像，所述基准汗水图像为对基准汗水进行拍摄而 获得的只包括汗水像素的图像；

所述红外室内图像处理设备设置在卧室内部的内墙上，与所述红外成像设备连接，用于接收红外室内图像；

所述AT89C51单片机与所述红外成像设备、所述风速检测设备、所述移动硬盘、所述红外室内图像处理设备和所述窗户开度控制设备分别连接，在接收到不存在汗水信号，控制所述窗户开度控制设备以关闭卧室窗户，在接收到存在汗水信号，打开卧室窗户，并根据接收到的实时风速确定所述窗户开度控制设备的开启策略；

其中，所述AT89C51单片机确定的开启策略具体包括：所述AT89C51 单片机基于风速开度对照表控制所述窗户开度控制设备，使得所述窗户开 度控制设备控制卧室窗户的开度与实时风速成反比；

其中，所述风速开度对照表被预先存储在所述移动硬盘预先中，所述 风速开度对照表给出了每一个风速范围与窗户开度的映射关系，所述 AT89C51单片机根据所述风速开度对照表使得所述窗户开度控制设备控 制窗户的开度与实时风速成反比；

其中，所述对比度增强子设备、所述维纳滤波子设备、所述中值滤波 子设备、所述均值滤波子设备、所述图像膨胀子设备、所述图像腐蚀子设备、所述灰度化处理子设备、所述阈值选择子设备、所述人体分割子设备 和所述汗水提取子设备分别采用不同型号的FPGA芯片来实现；

替换地，所述对比度增强子设备、所述维纳滤波子设备、所述中值滤波子设备、所述均值滤波子设备、所述图像膨胀子设备、所述图像腐蚀子设备、 所述灰度化处理子设备、所述阈值选择子设备、所述人体分割子设备和所 述汗水提取子设备被集成在一块FPGA芯片内；

所述操作平台还包括：声光报警设备，与所述AT89C51单片机连接，用于在 所述AT89C51单片机连接的控制下进行声光报警，所述AT89C51单片机在接收到的有毒气体含量大于等于预设含量阈值时，向所述声光报警设备发送声光报警信号，所述预设含量阈值被预先存储在所述移动硬盘中。

2.根据权利要求1所述的基于红外检测的夜间卧室窗户开度操作平台，其特征在于，所述操作平台还包括：用户输入设备，用于在用户的操作下，输入所述人体 灰度阈值范围和所述预设像素数量阈值。

3.根据权利要求2所述的基于红外检测的夜间卧室窗户开度操作平台，其特征在于，所述用户输入设备为键盘。