CN115685844A - 一种教室集散节能控制系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种教室集散节能控制系统与方法，涉及节能控制技术领域，包括图像采集模块、状态检测模块、处理模块与控制模块。图像采集模块采集教室内图像，状态检测模块采集教室内的状态，处理模块对图像及状态信息进行分析处理，检测教室内人员及目标定位区域的人员数，将人员数及区域信息下发至控制模块，通过控制模块实现对教室区域内电气设备电源的通断，调节教室内亮度、温度与湿度。本发明通过人体检测，实现电气设备的自动开断，同时利用目标定位算法，将电气设备的开断精确到每一个区域，使电力资源的利用率达到最大。

Description

一种教室集散节能控制系统与方法

技术领域

本发明涉及节能控制技术领域，尤其涉及一种教室集散节能控制系统与方法。

背景技术

在日常生活中，对于学校教室的电气设备的管理存在一定的缺失，通常教室的电风扇，电灯等电气设备只能通过人为开启和关闭，因此，当学生上完课和自习后，可能存在忘记关闭电气设备从而导致电力资源浪费的情况。

一般电风扇的功率大约为70-100瓦，电灯的功率一般为30-50瓦，额定使用寿命为3000-5000小时。根据调查发现，学校每个教室平均下来大致有一台电风扇和一台电灯未关闭，按每天二十四小时，每小时一台电风扇和一盏灯来算，每个教室每天至少有1度电的浪费，每层楼每天至少有20度电的浪费。通过换算，如果及时关闭电灯和电风扇进行，一栋楼每天至少能节约120度电。如果教室里存在空调等大功率设备，所节约的电能将会更多。

此外，在传统的教室电力系统中，教室分布广泛，每间教室和各个楼层相对独立，因此管理人员只能依次检查各个楼层和教室的电气设备运行情况。这种低效的管理方式不仅需要耗费大量的时间和精力，更造成了极大的人力资源的浪费。

发明内容

本发明提供了一种教室集散节能控制系统与方法，目的是为了解决现有技术中存在的缺点。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种教室集散节能控制系统，包括：

图像采集模块，用于采集教室内图像；

状态检测模块，用于采集教室内的状态，包括温湿度信息与光照强度信息；

人体识别数据库，通过YOLO模型对多个人体目标训练得到；

处理模块，用于将图像采集模块采集的图像信息与人体识别数据库对比分析，判断教室内是否存在人员，并以人体为检测框划分区域，进行目标定位，统计区域内人员人数；

控制模块，与所述处理模块电连接，用于根据处理模块的检测结果控制电气设备的通断，并在接收到目标定位的区域信息后，接收光照强度信息与温湿度信息，对教室中该区域的亮度、温度与湿度进行调节。

优选的，所述图像采集模块采用摄像头。

优选的，所述处理模块包括人体识别数据库，通过所述人体识别数据库与检测图像进行对比分析，判断教室内是否存在人员。

优选的，所述控制模块包括单片机、温度调节单元、光度调节单元与湿度调节单元；

所述单片机用于接收处理模块处理信息与状态检测模块采集的信息；

所述温度调节单元包括风扇及空调，用于通过单片机控制风扇或空调启动或停止；

所述光度调节单元包括电灯，用于通过单片机控制电灯进行亮度调节；

所述湿度调节单元包括加湿器，用于通过单片机控制加湿器启动或停止。

优选的，所述监控调节模块包括：

上位机，通过总线与下位机通信连接；

三级控制台，包括一级控制子模块、二级控制子模块与三级控制子模块，其之间通过总线连接，一级控制子模块用于对每栋楼的电气设备进行监控及控制，二级控制子模块用于对每层楼的电气设备进行监控及控制，三级控制子模块用于对每间教室内的电气设备进行监控及控制。

优选的，在下位机电连接线路的进线端加入继电器与电流传感器，用于对教室内电气设备的监控。

优选的，所述下位机还用于对通过继电器控制各电气设备电源的通断。

优选的，所述目标定位为对所述照片中人体进行框选，利用像素点的位置，计算出被检测目标框的中心点，以此作为检测目标的位置判定并对人数进行一定的统计，再通过教室区域的划分，自行判定此时检测目标所处的区域位置；将教室根据电气设备的分布位置进行划分和编号，并根据各区域的坐标建立查询标识。

一种教室集散节能控制系统的控制方法，包括如下步骤：

通过图像采集模块定时采集教室内照片信息，并与人体识别数据库进行对比和分析，进行人体识别；

判断教室内是否存在人员，存在则使电气设备处于待机状态，并对人员位置进行目标定位，并对有人区域进行节能控制，若不存在人员则切断电气设备的电源；

所述节能控制包括：

若温度低于22摄氏度，则不开风扇，温度位于23到28摄氏度时，则打开有人区域的风扇，并根据温度高低控制PWM波调节风扇转速，温度高于28摄氏度时，开启空调；

若光度传感器检测到室内存在人时，若光照强度低于300lx，通过控制滑动变阻器，自动调节人所在区域的电灯的亮度，进行自动补光；

若湿度传感器检测到室内存在人且湿度低于阈值时，则打开加湿器。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、通过人体检测，实现电气设备的自动开断，同时利用目标定位算法，将电气设备的开断精确到每一个区域，使电力资源的利用率达到最大。

2、通过温湿度传感器和环境光度传感器检测室内环境，利用算法对环境的温湿度及光度进行调节和监控，营造良好的学习环境。

3、通过上位机自动监控和控制电气设备，实现总控制台、层控制台和教室内控制台三层逐级控制系统，进行人机交互。

附图说明

图1为本发明提供系统总体构架图。

图2为本发明提供的人体识别主要流程图。

图3为本发明提供的节能控制流程图。

图4为本发明提供的三级控制系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施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。

为了理解和说明，下面详细说明本发明实施例提供的一种教室集散节能控制系统与方法。

通过对本校教室的实际调查，发现很多教室存在室内无人但电风扇、空调或电灯仍然运行的问题。该调查主要通过对学校致远楼在无人员状态下进行每六个小时的电气设备，电灯/电风扇的状态情况进行调查，致远楼六层的情况绘制出的调查表如下表1所示：

表1致远楼调查表

注：以上的数据全部为除于每层楼20个教室所得的平均数盏/时。其中1:30～7:30这段时间是在早上七点观察所得，其他三个时间段为10:30、16:30和23:30所得。

一般电风扇的功率大约为70-100瓦，电灯的功率一般为30-50瓦，额定使用寿命为3000-5000小时。根据上述的调查结果表可以发现，平均下来每个教室大致有一台电风扇和一台电灯未及时关闭，按每天二十四小时，每小时一台电风扇和一盏灯来算，每个教室每天至少有1度电的浪费，每层楼每天至少有20度电的浪费。通过换算，如果及时关闭电灯和电风扇进行，一栋楼每天至少能节约120度电。如果教室里存在空调等大功率设备，所节约的电能将会更多。

为解决上述传统教室存在电力浪费及管理繁杂的问题，由此设计了一种基于视觉识别、上位机控制和逐级控制的智能系统。该智能系统主要通过总控制台、楼层分控制台和教室内控制台三层控制对教室内的电气设备进行控制，利用和位置定位实现相应区域电气设备的自动开关，以及能通过上位机对电气设备进行手动操作。其中，本发明中总线一律采用RS 485通信总线。

YOLO作为目标检测经典算法之一，该算法全称you only look once，主要是采用一种卷积神经网络对不同的目标类别和位置进行预测，提供端对端的预测，其速度快，实时性好。该算法也采用了非极大值抑制算法，能够解决一个目标被重复检测的问题，重复检测时，会进行阈值峰判断，剔除重合度过高的框，最终保留最好的一个位置框。

本发明采用YOLO3对系统模型进行训练，YOLO3是一种改进的算法，相对于最初的算法，它能够提供更快的速度和更高的小目标检测精度。

本发明的系统总体构架图如图1所示，下面对本发明的提出的一种教室集散节能控制系统进行详细说明。

如图1所示，一种教室集散节能控制系统包括图像采集模块、状态检测模块、处理模块与控制模块。

其中，图像采集模块采用摄像头为采集工具，用于采集教室内图像；状态检测模块，用于采集和检测教室内的状态，状态信息包括温湿度信息与光照强度信息。

其中，对图像识别定位时需要对人体进行检测，本发明采用YOLO3进行模型训练，建立人体识别的大数据库，在一定的时间内，本发明中采用10分钟检测一次，利用摄像头对教室进行拍照并截取此时图片，运用总线进行通讯，将检测的信息与人体识别数据库进行对比和分析，最终判断室内是否存在人。

搭建YOLO3深度学习模型所需要的环境Windows10+python3.7+anaconda3，在环境中运用YOLO3建立人脸识别模型，VS Code编译器进行程序设计，最后将程序代码移植到嵌入式系统中，判断教室内是否有人存在，以便于进行电气设备的开启和关闭。

处理模块分别与图像采集模块、状态检测模块通信连接，处理模块包括人体识别数据库，通过所述人体识别数据库与检测图像信息进行对比分析，判断教室内是否存在人员，并以人体为检测框划分区域，进行目标定位，统计区域内人员人数；

控制模块与处理模块电连接，用于根据处理模块的检测结果控制电气设备的通断，控制模块包括单片机、温度调节单元、光度调节单元与湿度调节单元。其中，单片机用于接收处理模块处理信息与状态检测模块采集的信息，用于对教室内电气设备电源的切断或开启；其中温度调节单元包括风扇及空调，光度调节单元包括电灯，湿度调节单元包括加湿器。在第二控制子模块得到目标定位信号后，接收光照强度信息与温湿度信息，运用光度传感器，对室内环境光照强度进行检测，当光照强度低于学习适宜强度时，自动开启有人所在区域的电灯，进行补光，通过环境温湿度传感器，检测环境温湿度，将参数信息发送给下位机进行控制。当温度适宜时，关闭风扇，空调电源，温度较高时，启动人所在区域的电风扇，温度过高时，开启风扇或者空调迅速降温，对教室区域内的亮度、温度与湿度调节。

其中，将教室的电风扇和电灯依据四个方位位置，即左上、左下、右上、右下进行分类和编号，根据设备的坐标位置，将教室等转化为相同编号的区域，当计算出人的精准位置后，按区域打开相应的电气设备。

对检测到的人体进行框选，通过图像识别程序对框选的中心点进行计算并判断该检测者处于哪一区域内，实现检测目标位置的大致判定和所处区域的精准判别。

还包括监控调节模块，监控调节模块包括上位机、下位机与三级控制台。其中，上位机通过RS 485总线与下位机通信连接，电气设备传递信息给屏幕显示各种参数，下位机传递信息给各个电气设备实现手动控制，服务中心控制各个电器的开关和调节，实现总控制台到层控制台到教室控制台到电气设备的逐级控制。在下位机电连接线路的进线端加入继电器与电流传感器，用于对教室内电气设备的监控，其中下位机采用单片机构成，单片机用于对通过继电器控制各电气设备电源的通断；三级控制台包括一级控制子模块、二级控制子模块与三级控制子模块，三级控制台之间通过RS 485总线连接，一级控制子模块用于对每栋楼的电气设备进行监控及控制，二级控制子模块用于对每层楼的电气设备进行监控及控制，三级控制子模块用于对每间教室内的电气设备进行监控及控制。

监控调节模块需要对电路进行改造，在原有的电路中，将所有进线，即火线上进行设计和改造，将继电器和电流传感器接入电路中，实现对教室内电气设备的监控。且在上位机控制时，通过RS 485总线对上位机服务中心和下位机单片机进行通讯，下位机通过继电器控制各电气设备电源的通断。当人手动通过上位机给下位机发送命令后，下位机接收命令并进行控制。各传感器能将当前的测量信号反馈回上位机进行显示，实现对各电气设备的监控。

如图4所示，三级控制台系统结构通过RS 485总线设计具有三层结构的控制台，管理人员可以分别对每间教室、每层楼、每栋楼的电气设备进行监控及控制。采用每栋楼的上位机控制每层楼的上位机，每层楼的上位机控制教室内的上位机，形成总控制台到层控制台到教室控制台的三级控制。

如图2所示，传统的图像识别通过对输入的图片进行图像预处理、特征点提取、人体识别三个步骤实现人体识别。此方法主要使用于简单的场景和特定的人体。

图像预处理步骤中，为了更加精准的得到获得图像的特征信息，会对输入的图像进行几何归一化和灰度归一化的处理，灰度归一化主要是通过光照补偿等方法解决光照变化对人体检测的影响。

特征点提取是将预处理过后的图片进行特征点的提取。常用的方法有颜色特征、纹理特征、形状特征、空间关系特征四种方法。其中，模型法是通过大量的图像，构造模型，采用模型的参数作为纹理特征。

人体识别通过对比人体数据库，当比对的相似度大于某一阈值时，则判定为人体。

在目标定位中，YOLO3提出了one-stage，将物体分类和物体定位在一个步骤中完成。YOLO3直接在输出层回归bounding box的位置和bounding box所属类别，从而实现one-stage。通过这种方式，YOLO3可实现45帧每秒的运算速度，完全能满足实时性要求。该结构主要采用20层Google inceptionV1网络进行特征提取，再经过4个卷积层和2个全连接层，最后生成7x7x30的输出。

如图3-4所示，本发明提出了一种教室集散节能控制系统的控制方法，包括如下步骤：

通过图像采集模块定时采集教室内照片图像信息，并与人体识别数据库进行对比和分析，进行人体识别。

判断教室内是否存在人员，存在则使电气设备处于待机状态，并对人员位置进行目标定位，并对有人区域进行节能控制，若不存在人员则切断电气设备的电源。

所述节能控制包括：

若温度低于22摄氏度，则不开风扇，温度位于23到28摄氏度时，则打开有人区域的风扇，并根据温度高低控制PWM波调节风扇转速，温度高于28摄氏度时，开启空调。

若光度传感器检测到室内存在人时，若光照强度低于300lx，通过控制滑动变阻器，自动调节人所在区域的电灯的亮度，进行自动补光。

若湿度传感器检测到室内存在人且湿度低于阈值，则打开加湿器。

其中，目标定位过程包括对所述照片中人体进行框选，利用像素点的位置，计算出被检测目标框的中心点，以此作为检测目标的位置判定并对人数进行一定的统计；通过教室区域的划分，自行判定此时检测目标所处的区域位置；将教室根据电气设备的分布位置进行划分和编号，并根据各区域的坐标建立查询标识，当查询到当前区域有人并大于5人时，打开对应区域电气设备的电源，实现区域精准的电源控制。

本发明通过总线通讯实现对教室设备的层级控制。

(1)通过总线通讯，对每栋楼、每层楼和每间教室的电气设备进行控制和监控，有效的增强对电气设备控制的时效性，方便管理人员对教室电气设备的管理，减少电力资源浪费的可能性，实现对传统教室电力系统结构合理性和规范性的完善。

(2)图像识别技术实现对区域电气设备的自动控制。

通过人体检测，实现电气设备的自动开断，同时利用目标定位算法，将电气设备的开断精确到每一个区域，使电力资源的利用率达到最大。

(3)传感检测技术实现对室内温湿度和光度的调节。

通过温湿度传感器和环境光度传感器检测室内环境，利用算法对环境的温湿度及光度进行调节和监控，营造良好的学习环境。

采用人体识别技术，相比于红外温度传感器检测人体体温的方式，将图像识别技术融入到传统的教室系统中能够准确判断室内是否有人存在，可有效的避免天气过热而导致红外温度传感器误判的情况。在识别区域上，运用一个摄像头，通过图像定位人所在的大致位置，相比于其他的人体传感器，不但可以有效的减少器件的使用数量以实现对教室内电气设备的精准开启和关闭，减少不必要区域电灯开启和器件自身损耗而导致电力资源浪费的问题，而且能与人体识别进行二次判断，提高检测的准确度和可靠性。

采用三层控制，分别实现对教室内，一个楼层及一栋楼电气设备的控制。利用工业上可靠的层级控制及智能传感检测技术，设计集中控制系统，通过三层控制，可有效的降低学校电气设备的管理难度。实现所有电气设备的快速开启和关闭，防止因管理繁杂而导致的不必要的电力浪费，有效的利用时间差达到客观的节能效果。此外，通过两种控制方式即自动控制和手动控制，能够在教室控制中增加用电的灵活度并减少电力的浪费，实现节能的功能。

以高性能单片机作为主控芯片，实现摄像头的人体精准识别和目标准确定位。通过传感器检测实时环境对教室光度、温度和湿度进行调节，实现教室的智能控制。采用RS485总线进行通讯，通过上位机自动监控和控制电气设备，实现总控制台、层控制台和教室内控制台三层逐级控制系统，进行人机交互。

本发明通过人体识别技术对教室内是否有人进行检测，并运用目标检测算法对目标即人体位置进行精确定位，融入传感与检测技术，对温度、湿度和光度进行检测，实现电风扇、空调和电灯的自动调节和开关，利用上位机实现手动控制电气设备的运行，采用RS485总线通讯，对楼宇所有教室电气设备进行三级控制。旨在解决传统教室智能化低而导致电力资源浪费情况严重和管理流程繁杂的问题，实现教室电力资源的节约并能够为教师和学生提供更加良好的教室环境。

以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种教室集散节能控制系统，其特征在于，包括：

图像采集模块，用于采集教室内图像；

状态检测模块，用于采集教室内的状态，包括温湿度信息与光照强度信息；

人体识别数据库，通过YOLO模型对多个人体目标训练得到；

处理模块，用于将图像采集模块采集的图像信息与人体识别数据库对比分析，判断教室内是否存在人员，并以人体为检测框划分区域，进行目标定位，统计区域内人员人数；

控制模块，与所述处理模块电连接，用于根据处理模块的检测结果控制电气设备的通断，并在接收到目标定位的区域信息后，接收光照强度信息与温湿度信息，对教室中该区域的亮度、温度与湿度进行调节。

2.如权利要求1所述的一种教室集散节能控制系统，其特征在于，所述图像采集模块采用摄像头。

3.如权利要求1所述的一种教室集散节能控制系统，其特征在于，所述控制模块包括单片机、温度调节单元、光度调节单元与湿度调节单元；

所述单片机用于接收处理模块处理信息与状态检测模块采集的信息；

所述温度调节单元包括风扇及空调，通过单片机控制风扇或空调启动或停止；

所述光度调节单元包括电灯，通过单片机控制电灯进行亮度调节；

所述湿度调节单元包括加湿器，通过单片机控制加湿器启动或停止。

4.如权利要求1所述的一种教室集散节能控制系统，其特征在于，还包括监控调节模块，所述监控调节模块包括：

上位机，通过总线与下位机通信连接；

三级控制台，包括一级控制子模块、二级控制子模块与三级控制子模块，其之间通过总线连接，一级控制子模块用于对每栋楼的电气设备进行监控及控制，二级控制子模块用于对每层楼的电气设备进行监控及控制，三级控制子模块用于对每间教室内的电气设备进行监控及控制。

5.如权利要求4所述的一种教室集散节能控制系统，其特征在于，在下位机电连接线路的进线端加入继电器与电流传感器，用于对教室内电气设备的监控。

6.如权利要求5所述的一种教室集散节能控制系统，其特征在于，所述下位机还用于对通过继电器控制各电气设备电源的通断。

7.如权利要求1所述的一种教室集散节能控制系统，其特征在于，所述目标定位为对所述照片中人体进行框选，利用像素点的位置，计算出被检测目标框的中心点，以此作为检测目标的位置判定并对人数进行一定的统计，再通过教室区域的划分，自行判定此时检测目标所处的区域位置；将教室根据电气设备的分布位置进行划分和编号，并根据各区域的坐标建立查询标识。

8.如权利要求1-7任一项所述的一种教室集散节能控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

通过图像采集模块定时采集教室内照片图像信息，并与人体识别数据库进行对比和分析，进行人体识别；

判断教室内是否存在人员，存在则使电气设备处于待机状态，并对人员位置进行目标定位，并对有人区域进行节能控制，若不存在人员则切断电气设备的电源；

所述节能控制包括：

若温度低于22摄氏度，则不开风扇，温度位于23到28摄氏度时，则打开有人区域的风扇，并根据温度高低控制PWM波调节风扇转速，温度高于28摄氏度时，开启空调；

若光度传感器检测到室内存在人时，若光照强度低于300lx，通过控制滑动变阻器，自动调节人所在区域的电灯的亮度，进行自动补光；

若湿度传感器检测到室内存在人且湿度低于阈值时，则打开加湿器。

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