CN111163570A - 一种基于nb-iot的室内灯具组合调控系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于NB‑IOT的室内灯具组合亮度调控系统及方法，其中系统包括多个图像采集节点多个灯具亮度控制节点、基站和云服务器。多个图像采集节点安装在教室上方不同位置，分多路采集教室内照度分布数据并通过基站将数据传输至云服务器，云服务器融合多路照度分布数据后运算处理输出控制信号并经基站传输至相应的灯具亮度控制节点，每个灯具亮度控制节点对应连接一路灯具，对灯具的亮度进行控制。本发明的每个节点设备可直接通过NB‑IOT通信入网，不需额外的汇聚网关，减少了设备成本，部署方便；同时采用多个图像采集节点协作采集室内照度信息，同时解决了有人场景下的遮挡问题，系统具有更强的鲁棒性，实现智能化管控。

Description

一种基于NB-IOT的室内灯具组合调控系统及方法
技术领域
本发明涉及灯具亮度调控技术领域，尤其涉及一种基于NB-IOT的室内灯具组合亮度调控系统及方法。
背景技术
不合理的室内照明，会对人眼健康造成严重损害，准确获取室内光分布，并对照明灯具进行合理调节是非常有意义的。目前的教室灯具几乎都是采用手动控制的荧光灯或LED灯，不具备联网的功能，更不具备根据环境实时调节亮度的功能。因此一个着眼于学生视觉健康的智能化节能灯控系统是现在所急需的。
相比于传统的Zigbee、蓝牙等短距离通信协议，NB-IOT具有更广覆盖海量连接的能力，更低功耗以及更低的模块成本，其单个模块就具有联入互联网的能力，不需要额外的网关，减少了硬件成本，部署方便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于NB-IOT的室内灯具组合亮度调控系统及方法，解决无人场景中对于室内光数据的准确采集和光照控制，而且在复杂有人场景中也能实现较精确的采集和控制。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于NB-IOT的室内灯具组合亮度调控系统，包括多个图像采集节点、多个灯具亮度控制节点、基站和云服务器，所述多个图像采集节点安装在教室上方不同位置，分多路采集教室内灯具照度分布数据并通过基站传输至云服务器，云服务器融合多路照度分布数据后运算处理并经基站将控制信号传输至对应灯具亮度控制节点，每个灯具亮度控制节点对应连接一路灯具，对灯具的亮度进行控制。
进一步地，多个图像采集节点包括第一主控芯片、DRAM存储模块、第一NB-IOT通信模块、多个成像设备，每个成像设备安装在教室上方不同位置，将拍摄到的场景图像经第一主控芯片的DMA通道传输至DRAM存储模块存储，并读取每幅场景图像的曝光时间数值；第一主控芯片基于物体识别算法确定场景图像中的有效区域并通过成像设备的曝光时间和亮度相应曲线映射得到每个像素点对应的实际亮度值，计算得到实际场景的亮度矩阵，通过实际场景的亮度矩阵确定有效区域工作面的亮度，并根据有效区域物体表面材质的反射特性计算出有效区域工作面的实时照度。
进一步地，多个灯具亮度控制节点包括第二主控芯片、第二NB-IOT通信模块和多个大功率MOS管，第二主控芯片通过第二NB-IOT通信模块接收云服务器的控制信号并将控制信号处理后产生对应频率和脉冲的PWM波，每个大功率MOS管根据PWM波的高低电平控制灯具的直流电，且PWM波频率控制在2000HZ以上。
进一步地，本系统还包括与云服务器通信连接的上位机界面，实时从云服务器获取数据并显示各个图像采集节点和灯具控制节点的状态。
进一步地，所述成像设备选用广角镜头，且设置成自动曝光调节模式。
一种基于NB-IOT的室内灯具组合亮度调控方法，包括如下步骤：
步骤一，采集教室场景图像，并记录每幅场景图像的曝光时间；
步骤二，基于物体识别算法确定场景图像中的有效区域，根据曝光时间和成像设备亮度相应曲线映射得到每幅场景图像中每个像素对应的实际亮度值，计算得到实际场景的亮度矩阵；
步骤三，根据实际场景的亮度矩阵确定有效区域工作面的亮度，并根据有效区域物体表面材质的反射特性计算有效区域工作面的实时照度；
步骤四，根据实时照度分布数据判定是否调节灯具的亮度。
多个图像采集节点安装在教室上方不同位置，分多路采集教室内照度分布数据并通过基站将数据传输至云服务器，云服务器融合多路照度分布数据后运算处理并经基站将控制信号传输至相应灯具亮度控制节点，对灯具的亮度进行控制。
每个图像采集节点根据场景图像单位区域中识别到的有效区域的面积大小作为遮挡指数，并以此遮挡指数作为云服务器进行多个场景图像数据融合的权重。
本发明采用上述技术方案与现有技术相比，具有如下技术效果：
本发明的室内灯具组合调控系统，通信方式更加简洁，每个节点设备可直接通过NB-IOT 通信入网，不需额外的汇聚网关，减少了设备成本，部署方便；
本发明采用多个图像采集节点协作采集室内照度信息，同时解决了有人场景下的遮挡问题，系统具有更强的鲁棒性，实现智能化管控。
附图说明
构成说明书一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同描述一起用于解释本发明的原理，参照附图，可以更加清楚地理解本发明：
图1为本发明基于NB-IOT的室内灯具组合调控系统的结构示意图；
图2为本发明教室空间结构的整体布局图；
图3为本发明图像采集节点的结构示意图；
图4本发明为成像设备的亮度响应曲线图；
图5本发明为灯具控制节点的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
如图1，本发明的一种基于NB-IOT的室内灯具组合亮度调控系统，包括多个图像采集节点多个灯具亮度控制节点、基站和云服务器。多个图像采集节点安装在教室上方不同位置，分多路采集教室内照度分布数据并通过基站将数据传输至云服务器，云服务器融合多路照度分布数据后运算处理输出控制信号并经基站传输至相应的灯具亮度控制节点，每个灯具亮度控制节点对应连接一路灯具，对灯具的亮度进行控制。
如图3所示，多个图像采集节点包括第一主控芯片、DRAM存储模块、第一NB-IOT通信模块、多个成像设备，其中成像设备选用广角镜头，安装在教室上方不同位置且设置成自动曝光调节模式。将拍摄到的场景图像经第一主控芯片的DMA通道存储至DRAM存储模块，并读取每幅场景图像的曝光时间数值；第一主控芯片基于物体识别算法确定场景图像中的有效区域并通过成像设备的曝光时间和亮度相应曲线映射得到每个像素点对应的实际亮度值，计算得到实际场景的亮度矩阵，通过实际场景的亮度矩阵确定有效区域工作面的亮度，并根据有效区域物体表面材质的反射特性计算出有效区域工作面的实时照度。
如图5所示，多个灯具亮度控制节点包括第二主控芯片、第二NB-IOT通信模块、多个大功率MOS管和与每个大功率MOS管电连接的灯具。每个灯具控制节点还包括电源模块，电源模块将市电220V交流转化为5V直流和36V直流，5V直流用于给第二主控芯片以及第二NB-IOT 通信模块供电，36V直流电接在大功率MOS管上，用于给灯具供电。每个灯具控制节点通过 NB-IOT模块接收灯具亮度的控制信号，经第二主控芯片处理后，产生对应频率和脉宽的PWM 波传输至MOS管，MOS管根据PWM波的高低电平对供给灯具的直流电进行通断。基于人眼感知闪烁的频率极限和LED灯具存在的频闪效应、幻影效应，PWM波调光频率应该至少为2000HZ。同时考虑到在改变灯具亮度时，突然的亮度变化会引起人眼的不适，造成视疲劳，在调整灯具亮度时采用软调整方式，即当要提高灯具亮度时通过在一段时间内逐步提高PWM波脉宽的方式达到目标亮度值；当要降低灯具亮度时通过在一段时间内逐步减小PWM波脉宽的方式达到目标亮度值。
本控制系统还包括与云服务器通信连接的上位机界面，实时从云服务器获取数据，显示各个图像采集节点和灯具控制节点的状态，并可实现手动调控。
如图2所示的教室布局符合现有多数中小学教室的情况，每个亮度控制节点安装在灯具旁边，室内每盏灯具都能够实现单独的亮度控制。由于教室空间比较大，用普通视角的镜头往往无法一次性拍摄到整个场景，故采用广角镜头的成像设备获取教室的图像信息。图像采集节点安装在教室天花板边缘，一般情况为东南西北四个方向各安装一个图像采集节点，每个广角镜头均可采集到桌面以及黑板等有效区域的图像信息，当某个方向广角镜头因为遮挡而无法拍摄到某张桌面时，其它方向的广角镜头可以保证拍摄到该张桌面。
在图像采集节点中，第一主控芯片可以通过相应接口设置成像设备的曝光时间、白平衡、增益等参数，广角镜头拍摄每幅场景图像后通过第一主控芯片的DMA通道将场景图像流传输到DRAM存储，随后第一主控芯片开始对这一幅场景图像进行处理，处理得到的结果数据经基站发送至相应亮度控制节点。
一种基于NB-IOT的室内灯具组合亮度调控方法，包括如下步骤：
步骤一，采集教室场景图像，并记录每幅场景图像的曝光时间；
步骤二，基于物体识别算法确定场景图像中的有效区域，根据曝光时间和成像设备亮度相应曲线映射得到每幅场景图像中每个像素对应的实际亮度值，计算得到实际场景的亮度矩阵；
步骤三，根据实际场景的亮度矩阵确定有效区域工作面的亮度，并根据有效区域物体表面材质的反射特性计算有效区域工作面的实时照度；
步骤四，根据实时照度分布数据判定是否调节灯具的亮度。
通过识别算法确定课桌、黑板等关键工作面在图像中的位置，最典型的是基于色度阈值的识别方法将RGB空间图像转化为HSV空间图像，其中H表示色度，S表示颜色饱和度，V表示明度，通过HSV三个量的阈值设定，确定颜色范围内的目标物体。
通过曝光时间和相机亮度响应曲线映射得到每个像素点对应的实际亮度值，即得到实际场景的亮度矩阵。该幅拍摄场景图像的曝光时间可以从成像设备内部相应寄存器中读取，而相机亮度响应曲线则需要通过前期对成像设备做标定工作得到。
如图4所示为某成像设备的亮度响应曲线，横坐标表示像素灰度值，纵坐标表示曝光量，该条曲线是成像设备出厂时的固定曲线。具体地，通过亮度响应曲线和像素灰度值恢复像素实际亮度值可采用如下公式：
Figure BDA0002344041300000041
H＝E×T (2)
式(1)中E为广角镜头光传感器平面照度，L为实际场景的亮度，τ为镜头透射率，Fm为摄像头相对数值孔径的倒数。
式(2)为广角镜头光传感器平面照度E与曝光量H的关系，其中T为曝光时间。根据像素灰度值和亮度相应曲线可以得到实际曝光量H，继而再根据上述两式即可得到实际场景的桌面像素亮度L。
以课桌面为例，通过桌面像素亮度L还原出桌面的实际照度，对于近似完全漫反射材质的表面，其亮度和照度遵循以下公式：
Figure BDA0002344041300000051
Figure BDA0002344041300000052
Ein＝πL/ρ (5)
其中，Ein为表面照度，ρ为材质表面反射率，L为桌面像素亮度。
单个图像采集节点能够较准确地获取室内工作面的照度数据，但是对于实际场景复杂，教室内人员或其它物体对工作面必然存在大量的遮挡，单个摄像头很难采集到室内全部工作面的图像信息。为解决这一问题，需在教室内不同方位安装图像采集节点，每个采集节点上传自己计算得到的照度数据，同时上传遮挡指数作为云服务器进行数据融合的权重。
具体地，根据每幅图像单位区域中识别到的工作面面积大小作为遮挡指数，公式如下：
Figure BDA0002344041300000053
其中，Ei为每个节点上传的照度数据，Li为每个图像采集节点数据的权重，通过遮挡指数计算每个图像采集节点数据的权重。
云服务器根据计算得到的室内照度和人眼视觉健康原则调节相应灯具的亮度，若当前区域照度在合理区间内，则不改变该区域上方灯具的亮度，若区域照度不在合理区间内，则适当提高或降低灯具亮度，直到亮度为0或最大值。灯具亮度经过一次调节后，图像采集节点继续获取当前教室内照度数据，若不符合照度要求则继续调节，往复循环直到教室内照度分布合理为止。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于NB-IOT的室内灯具组合亮度调控系统，其特征在于：包括多个图像采集节点、多个灯具亮度控制节点、基站和云服务器，所述多个图像采集节点安装在教室上方不同位置，分多路采集教室内灯具照度分布数据；每个图像采集节点经基站与云服务器通信连接，所述云服务器经基站与多个灯具亮度控制节点通信连接，每个灯具亮度控制节点对应连接一路灯具，对灯具的亮度进行控制。
2.根据权利要求1所述的基于NB-IOT的室内灯具组合亮度调控系统，其特征在于：多个图像采集节点包括第一主控芯片、DRAM存储模块、第一NB-IOT通信模块、多个成像设备，每个成像设备安装在教室上方不同位置，将拍摄到的场景图像经第一主控芯片的DMA通道传输至DRAM存储模块存储；第一主控芯片通过第一NB-IOT通信模块与云服务器通信连接，用于传输室内照度分布数据。
3.根据权利要求1所述的基于NB-IOT的室内灯具组合亮度调控系统，其特征在于：多个灯具亮度控制节点包括第二主控芯片、第二NB-IOT通信模块和多个大功率MOS管，所述第二主控芯片通过第二NB-IOT通信模块与云服务器通信连接，云服务器将接收的控制信号转换成对应频率和脉冲的PWM波，所述云服务器与多个大功率MOS管电连接，每个大功率MOS管根据PWM波的高低电平控制灯具的直流电。
4.根据权利要求1所述的基于NB-IOT的室内灯具组合亮度调控系统，其特征在于：还包括与云服务器通信连接的上位机界面，实时从云服务器获取数据并显示各个图像采集节点和灯具控制节点的状态。
5.根据权利要求1所述的基于NB-IOT的室内灯具组合亮度调控系统，其特征在于：所述成像设备选用广角镜头，且设置成自动曝光调节模式。
6.一种基于NB-IOT的室内灯具组合亮度调控方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，采集教室场景图像，并记录每幅场景图像的曝光时间；
步骤二，基于物体识别算法确定场景图像中的有效区域，根据曝光时间和成像设备亮度相应曲线映射得到每幅场景图像中每个像素对应的实际亮度值，计算得到实际场景的亮度矩阵；
步骤三，根据实际场景的亮度矩阵确定有效区域工作面的亮度，并根据有效区域物体表面材质的反射特性计算有效区域工作面的实时照度；
步骤四，根据实时照度分布数据判定是否调节灯具的亮度。
7.根据权利要求6所述的基于NB-IOT的室内灯具组合亮度调控方法，其特征在于，多个图像采集节点安装在教室上方不同位置，分多路采集教室内照度分布数据并通过基站将数据传输至云服务器，云服务器融合多路照度分布数据后运算处理并经基站将控制信号传输至相应灯具亮度控制节点，对灯具的亮度进行控制。
8.根据权利要求7所述的基于NB-IOT的室内灯具组合亮度调控方法，其特征在于，每个图像采集节点根据场景图像单位区域中识别到的有效区域的面积大小作为遮挡指数，并以此遮挡指数作为云服务器进行多个场景图像数据融合的权重。
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