CN111491426A - 一种智能灯光控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种智能灯光控制系统及控制方法，用以解决现有技术不能准确判断人员的详细状态，难以实现灯光的精细化控制的技术问题。控制系统包括微处理器、光敏传感器和灯具，微处理器分别与光敏传感器和灯具相连接；所述微处理器分别与毫米波传感器模块、蜂鸣器驱动电路、语音识别模块、音频电路、通信模块相连接，通信模块与移动终端相匹配。本发明采用毫米波传感器检测人体的4D点云数据，获取人员的姿态信息，根据姿态信息自动控制灯具的开关及亮度，实现了灯光的精细化控制；本发明通过毫米波传感器模块、蜂鸣器驱动电路或音频电路相结合实现了人员跌倒检测及报警功能，有助于更好地监护老人及儿童。

Description

一种智能灯光控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及智能灯光控制技术领域，特别是指一种智能灯光控制系统及控制方法。

背景技术

智能灯光控制一直是人类追求的一个目标。在居室内，通常有大灯、廊灯、台灯、夜灯等多种照明设备，为了更加方便地控制这些照明设备，人们发明了双控开关、声控开关等多种控制工具，使得家里的墙面上随处可见灯的开关。有时候离开房间时忘记了关灯，可能使得灯长时间处于亮着的状态，浪费了电能，也减少了灯具的使用寿命。在睡着时，如果灯还开着，不仅浪费电，对人体的休息也是不利的。如果能够设计一种智能的灯光控制系统，可以根据人的需要进行开灯、关灯、调整亮度、切换灯具等功能，不仅能够节电，也可大大改善人的生活品质。

目前，存在许多通过改变电源电路、灯光控制电路等实现智能灯的系统，可是这种系统还存在各种各样的问题。申请号为201510242518.0，名称为一种家用照明灯的自控制方法的发明专利，采用智能手环佩戴在用户手臂上，智能手环监测到用户的地理位置为家庭所在位置时，会对用户上的楼层数进行判断，当用户到达居住的楼层时，服务器控制家庭灯光系统的灯具启动，当用户在家庭中处于活动模式时，智能手环持续的为服务器传输数据，控制家庭灯光系统处于启动状态；智能手环对睡眠模式进行检测，当智能手环监测到用户处于睡眠状态时，将用户处于睡眠模式的数据信号传递给服务器，服务器控制家庭灯光系统的相应灯具熄灭。这种方法需要用户佩戴智能手环，需要经常为智能手环充电，用户体验较差。

申请号为201611011490.0，名称为一种智能感应节能灯的发明专利，采用红外热成像模块判断人体是否出现，从而控制LED节能灯的开关。该专利只是采用红外热成像模块判断有无人员出现，并没能进一步判断人员的状态（站立、坐姿、睡眠），且红外热成像模块受周围环境温度变化影响较大，稳定性不高。

申请号为201010275058.9，名称为智能灯光控制系统及其控制方法的发明专利，采用基于摄像头的智能灯光控制系统及其方法，通过利用摄像头拍摄屋内的图像，然后对图像进行分析，根据分析的结果确定屋内需要的灯光信息，利用此信息对灯光控制系统进行配置，调整屋内的灯光，达到智能控制灯光的目的；但是这种方法需要复杂的软件处理，受光线亮度、阴影、遮挡等环境影响较大，容易引起错误检测，此外可能会引发隐私泄露问题，尤其是用于浴室、更衣室、酒店客房这类场合时。

申请号为201810504355.2，名称为一种多普勒毫米波雷达检测人体跌倒的方法、装置和雷达系统的发明专利，提供一种基于毫米波传感器的跌倒监测方法，该方法提取被监护对象在活动空间的高度位移变化和时间变化判断人体是否跌倒。但该发明仅仅根据高度位移变化和时间变化判断人体是否跌倒，误报率较高。

申请号为201910855110.9，名称为一种智能家电灯光控制方法、设备以及存储介质的发明专利，采用雷达传感器检测人员是睡眠（平躺）状态还是站立状态，根据用户活动信息生成灯光控制指令，从而实现家电能够自主调节灯光模式。但该专利并未将测量的人员呼吸频率和心跳频率数据做记录并用于医学诊断，也未利用雷达传感器进行人员跌倒检测。

此外现有技术方案还有采用超声波传感器、红外线二极管、30GHz以下的雷达模块等传感器探测人体，但这些传感器难以准确判断人员的详细状态（站立、坐姿、睡眠），从而难以实现灯光的精细化控制。

发明内容

针对现有灯光控制方法不能准确判断人员的详细状态，难以实现灯光的精细化控制的技术问题，本发明提出了一种智能灯光控制系统及控制方法，采用毫米波传感器检测人体的4D点云数据，获取人员的姿态信息，根据姿态信息自动控制灯具的开关及亮度，实现了灯光的精细化控制。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种智能灯光控制系统，包括微处理器、光敏传感器和灯具，微处理器分别与光敏传感器和灯具相连接；所述微处理器分别与毫米波传感器模块、蜂鸣器驱动电路、语音识别模块、音频电路、通信模块相连接，通信模块与移动终端相匹配。

所述通信模块包括蓝牙模块、WIFI模块、Zigbee模块，蓝牙模块、WIFI模块、Zigbee模块均与移动终端相匹配。

一种智能灯光控制系统的控制方法，其步骤如下：

S1、利用毫米波传感器模块检测用户的4D点云数据，同时利用光敏传感器检测环境的亮度信息，并将4D点云数据和亮度信息发送至微处理器；

S2、微处理器根据4D点云数据确定用户的活动信息，再根据亮度信息生成灯光控制指令；

S3、微处理器根据灯光控制指令控制灯具的灯光或者微处理器根据语音识别模块检测到的语音信息控制灯具的开关。

所述微处理器根据4D点云数据确定用户的活动信息的方法为：

S21、利用姿态检测算法对4D点云数据进行处理，得到目标的顶部高度H、维度X、Y、Z和时间间隔，其中，维度X表示长度尺寸，维度Y表示宽度尺寸，维度Z表示高度尺寸；

S22、判断顶部高度H的相对变化值△h是否大于阈值Thr1，若是，执行步骤S23，否则，返回步骤S21；

S23、判断高度尺寸Z是否大于k*X，若是，执行步骤S24，否则，执行步骤S25，其中，k为系数；

S24、判断高度尺寸Z是否大于k*Y，若是，当前用户状态为站立姿态，否则，执行步骤S25；

S25、判断长度尺寸X是否大于k*Z或者宽度尺寸Y是否大于k*Z，若是，执行步骤S26，否则，当前用户状态为坐姿状态；

S26、判断时间间隔△t是否小于时间门限Thrt，若是，当前用户发生跌倒，否则，当前用户状态为平躺姿态。

所述目标的维度X、Y、Z的计算方法为：在与目标相关的点之间搜索维数最大值和最小值，将维数最大值减去最小值的结果存储在圆形缓冲区中，对圆形缓冲区的值进行平均值滤波处理得到高度尺寸、长度尺寸或宽度尺寸。

所述顶部高度H的计算方法为：设置圆形缓冲器的大小，每隔一段时间重新填充一次圆形缓冲器；通过对与目标相关的点云搜索最高点，并将最高点的高度存储在圆形缓冲区中；对圆形缓冲区的值做平均值滤波处理得到顶部高度的数值。

本技术方案能产生的有益效果：

（1）本发明采用毫米波传感器检测人体的4D点云数据，根据4D点云数据中所包含的高度、时间、形状的变化判断人员是否跌倒，降低了误报率，提高了跌倒检测准确度；毫米波传感器可提供高性能感应，对雨水、雾气、烟雾、温度、环境照明具有环境稳健性，由于没有相机或光学镜头，能够更好地保护用户的隐私；

（2）本发明通过语言识别模块具有语音识别功能，能够根据语音信息控制灯具的开关和亮度，方便老年人或残疾人控制灯光；

（3）本发明通过蜂鸣器驱动电路具有报警功能，当检测到人员跌倒时，可发出声音报警信号，也可通过无线通信模块向亲人或护理人员的手机发送报警信息；

（4）本发明使用移动终端可以实时显示和控制灯具的工作状态，通过移动终端可以设置灯具的工作参数如：软起动、定时开关灯、亮度阈值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明的姿态检测流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种智能灯光控制系统，包括微处理器、光敏传感器和灯具，光敏传感器用于测量环境的亮度，微处理器分别与光敏传感器和灯具相连接，通过光敏传感器测量的亮度控制灯具的开关。所述微处理器分别与毫米波传感器模块、蜂鸣器驱动电路、语音识别模块、音频电路、通信模块相连接，毫米波传感器模块采用TI公司的IWR6843或者IWR6843AOP，毫米波传感器模块用于检测房间内人员的数量、人员的姿态（站立、坐姿、睡眠、跌倒）和生理信息（呼吸频率和心跳频率），语音识别模块用于检测人员的语音信息，通过声音控制灯具的开关、亮度参数。蜂鸣器驱动电路用于驱动蜂鸣器发出声音报警信号，音频电路用于发出声音报警信号、音乐、新闻等音频信息，实现了智能音响的功能。

当白天亮度较明亮时，即使毫米波传感器模块检测到人员走动时也不会点亮灯具；当夜晚来临，亮度较暗时，毫米波传感器模块检测到人员处于站姿或坐姿时，自动点亮灯具（亮度是通过光敏传感器测量的，本发明采用了两种方案：方案1——采用光敏电阻或光敏二极管与固定电阻串联分压，将分压值送至微处理器内部的ADC电路，经ADC电路转化为数字信号，即可得到亮度值；该方案的硬件成本较低，测量精度也较低。方案2——直接采用光敏集成电路，例如：BH1750FVI-TR、OPT3001DNPR等环境光传感器芯片，这类芯片通过串行总线将测量的亮度值送至微处理器；该方案的硬件成本较高，精度也较高）；当人员处于睡眠状态（平躺姿态）时，自动关闭灯具；当毫米波传感器模块检测到用户发生跌倒事件或生理信息（呼吸频率和心跳频率）异常时，蜂鸣器驱动电路驱动蜂鸣器发出声音报警信号或音频电路发出声音报警信号，同时通过通信模块向亲人或护理人员发送报警信息。所述通信模块包括蓝牙模块、WIFI模块、Zigbee模块，蓝牙模块、WIFI模块、Zigbee模块均与移动终端相匹配，实现灯具与移动终端的交互，移动终端为手机、电脑或Zigbee数据采集总控制器，通过手机、电脑等可以控制灯具的工作。蓝牙模块、WIFI模块均可实现灯具与手机的交互，通过手机可以控制灯具的开关、亮度参数、定时开关控制；根据毫米波传感器检测人体的4D点云数据判断人员的形态大小，根据形态大小可标定房间中的人员身份，将毫米波传感器测量出的生理信息（呼吸频率、心跳频率和睡眠状况）和用户身份信息绑定，记录用户的生理信息并保存至本地或云服务器的存储空间，为医疗服务提供参考信息；用户的亲人或护理人员也可通过手机查看保存至本机的用户的生理信息（呼吸频率、心跳频率和睡眠状况）曲线，了解人员的身体健康情况。

毫米波传感器模块可安装在酒店客房中，并通过Zigbee模块与Zigbee数据采集总控制器相连接，既能保护客户的隐私，又能判断酒店客房的实际居住人数与登记人数是否一致。

如图2所示，一种智能灯光控制系统的控制方法，具体步骤如下：

S1、利用毫米波传感器模块检测用户的4D点云数据，同时利用光敏传感器检测环境的亮度信息，并将4D点云数据和亮度信息发送至微处理器；毫米波传感器能够提供4D点云数据——X、Y、Z和速度位置，在许多情况下，使用毫米波传感器检测一个人的姿势很有价值。例如，在老人护理场景中，毫米波传感器可以检测到姿态，并检测诸如跌倒之类的危险事件，而不会影响个人隐私。

S2、微处理器根据4D点云数据确定用户的活动信息，再根据亮度信息生成灯光控制指令；首先分析基于人的姿态在4D点云数据上的差异：

（1）当一个人处于站姿的时候，4D点云数据中出现一个又长又薄的簇。当人非常静止时，腿附近的一些点消失了，然而点云的高度大致保持不变。当一个人行走时，4D点云数据中为一个长而薄的簇，在簇的底部，可以看到由于腿移动而导致的宽度变化。

（2）当一个人处于坐姿时，4D点云数据中出现一个圆形的簇。相比一个人处于站姿，簇会显得比较低。

（3）当一个人处于平躺状态时，4D点云数据中出现一个低而宽的簇，就像站姿的簇旋转90度，此时的高度相对低于站姿和坐姿时的簇。

（4）当一个人跌倒时，4D点云数据从一个长而薄的簇变成一个低而宽的簇。在典型的情况下，这种簇将比站立的簇低得多。

点云的顶部高度H取决于毫米波传感器的安装高度。当毫米波传感器安装较低时，点云出现较高。这意味着，根据点云的绝对高度判断姿态的方法不可取，因为在实际工程中，毫米波传感器的安装高度是不确定的。无论毫米波传感器的安装高度如何，当一个人坐下来（从站立姿态）或跌倒时，高度的相对变化是一致的，因此可以根据高度的相对变化量判断姿态。

如果只使用高度信息进行姿态检测，在有些情况下可能会识别错误。例如，如果一个人躺在沙发上或躺在床上，那么身高可能类似于一个人坐在地板上，在这种情况下，仅根据高度的相对变化量进行判断的算法可能显示坐着或躺着。因此，目标的尺寸也可以用来确定姿态。在实验中发现，毫米波传感器测量的数据显示，静止目标的尺寸通常小于运动目标的尺寸。因此，维度应该只在转换事件期间考虑。用Z表示目标的高度方向的维度，也即高度尺寸，X、Y表示宽度方向的维度，也即长度尺寸和宽度尺寸。对于一个姿态改变事件：

1、如果（Z大于X和Y），目标是站姿（长而薄的点云）。

2、如果（Z、X和Y大致相等），目标是坐姿（球状点云）。

3、如果（X或Y远大于Z），目标是平躺状态（宽和平坦的点云）。

S21、利用姿态检测算法对4D点云数据进行处理，得到目标的顶部高度H、维度X、Y、Z和时间间隔；

所述目标的维度X、Y、Z的计算方法为：在与目标相关的点之间搜索维数最大值和最小值，将维数最大值减去最小值的结果存储在圆形缓冲区中，对圆形缓冲区的值进行平均值滤波处理得到高度尺寸、长度尺寸或宽度尺寸。所述顶部高度H的计算方法为：设置圆形缓冲器的大小，每隔一段时间重新填充一次圆形缓冲器；通过对与目标相关的点云搜索最高点，并将最高点的高度存储在圆形缓冲区中；对圆形缓冲区的值做平均值滤波处理得到顶部高度的数值。

使用目标的相对高度变化量与目标的维度相结合，可以帮助消除由于某些极端情况而导致的错误，提高姿态检测的准确性。实验中系数k取值为1.8，时间门限Thrt取值为1秒，此时，获得很好的检测效果。

S22、判断顶部高度H的相对变化值△h是否大于阈值Thr1=0.15*H，若是，执行步骤S23，否则，返回步骤S21；

S23、判断高度尺寸Z是否大于k*X，若是，执行步骤S24，否则，执行步骤S25；

S24、判断高度尺寸Z是否大于k*Y，若是，当前用户状态为站立姿态，否则，执行步骤S25；

S25、判断长度尺寸X是否大于k*Z或者宽度尺寸Y是否大于k*Z，若是，执行步骤S26，否则，当前用户状态为坐姿状态；

S26、判断时间间隔△t是否小于时间门限Thrt，若是，当前用户发生跌倒，否则，当前用户状态为平躺姿态。

S3、微处理器根据灯光控制指令控制灯具的灯光或者微处理器根据语音识别模块检测到的语音信息控制灯具的开关。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种智能灯光控制系统，包括微处理器、光敏传感器和灯具，微处理器分别与光敏传感器和灯具相连接；其特征在于，所述微处理器分别与毫米波传感器模块、蜂鸣器驱动电路、语音识别模块、音频电路、通信模块相连接，通信模块与移动终端相匹配。

2.根据权利要求1所述的智能灯光控制系统，其特征在于，所述通信模块包括蓝牙模块、WIFI模块、Zigbee模块，蓝牙模块、WIFI模块、Zigbee模块均与移动终端相匹配。

3.根据权利要求1或2所述的智能灯光控制系统的控制方法，其特征在于，其步骤如下：

S1、利用毫米波传感器模块检测用户的4D点云数据，同时利用光敏传感器检测环境的亮度信息，并将4D点云数据和亮度信息发送至微处理器；

S2、微处理器根据4D点云数据确定用户的活动信息，再根据亮度信息生成灯光控制指令；

S3、微处理器根据灯光控制指令控制灯具的灯光或者微处理器根据语音识别模块检测到的语音信息控制灯具的开关。

4.根据权利要求3所述的智能灯光控制系统的控制方法，其特征在于，所述微处理器根据4D点云数据确定用户的活动信息的方法为：

S21、利用姿态检测算法对4D点云数据进行处理，得到目标的顶部高度H、维度X、Y、Z和时间间隔，其中，维度X表示长度尺寸，维度Y表示宽度尺寸，维度Z表示高度尺寸；

S22、判断顶部高度H的相对变化值△h是否大于阈值Thr1，若是，执行步骤S23，否则，返回步骤S21；

S23、判断高度尺寸Z是否大于k*X，若是，执行步骤S24，否则，执行步骤S25，其中，k为系数；

S24、判断高度尺寸Z是否大于k*Y，若是，当前用户状态为站立姿态，否则，执行步骤S25；

S25、判断长度尺寸X是否大于k*Z或者宽度尺寸Y是否大于k*Z，若是，执行步骤S26，否则，当前用户状态为坐姿状态；

S26、判断时间间隔△t是否小于时间门限Thrt，若是，当前用户发生跌倒，否则，当前用户状态为平躺姿态。

5.根据权利要求4所述的智能灯光控制系统的控制方法，其特征在于，所述目标的维度X、Y、Z的计算方法为：在与目标相关的点之间搜索维数最大值和最小值，将维数最大值减去最小值的结果存储在圆形缓冲区中，对圆形缓冲区的值进行平均值滤波处理得到高度尺寸、长度尺寸或宽度尺寸。

6.根据权利要求4所述的智能灯光控制系统的控制方法，其特征在于，所述顶部高度H的计算方法为：设置圆形缓冲器的大小，每隔一段时间重新填充一次圆形缓冲器；通过对与目标相关的点云搜索最高点，并将最高点的高度存储在圆形缓冲区中；对圆形缓冲区的值做平均值滤波处理得到顶部高度的数值。

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