CN115811648A - 基于红外阵列传感器和摄像头的教室灯光控制系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于红外阵列传感器和摄像头的教室灯光控制系统和方法。包括电连接的灯具和控制系统,室内红外热图像处理及照明决策模块分别和红外阵列传感器模块、摄像模块、可调控LED照明模块和异常高温报警模块连接,可调控LED照明模块和灯具连接;温度数据采集得室内红外热图像;划分多个照明区域,室内红外热图像判断报警;采集室内可见光图像,处理获得亮度分布图、照度分布图和照明区域的照度值,结合各灯具对不同照明区域影响的权重系数,调控灯具实现节律照明。本发明实现教室内是否有人及异常高温的监视,控制启动和报警,能够实现节能及安全监控的目的、较好的照明均匀性,能够减缓视觉疲劳,更好地满足教室健康照明需求。
Description
技术领域
本发明涉及节能健康照明控制及图像处理技术领域的一种灯光照明控制系统和方法,尤其涉及一种基于红外阵列传感器和摄像头的教室灯光控制系统和方法。
背景技术
光的视觉效应主要影响视觉功能和与视觉相关的作业效率,是健康照明中最需要考虑的基本因素。除视觉影响外,光照还会对人脑产生非视觉效应,影响与情绪高度相关的激素分泌,进而影响人的情绪、精神状态、部分行为和生理机能。人类用电照明经历了从白炽灯到荧光灯以及LED灯的两次转变,电能转换光能的效率得到了极大提升,巧合的是使用光源的变化与近视眼患病率的两个增长高峰重合,究其原因,照明光源的光谱分布变化是重要影响因素。
研究发现相同光刺激在一天中的不同时段将产生优劣不同的生理反应,人对光照的需求存在清晨、正午及黄昏效应,并受天气类型、季节等因素的影响,人体所需最佳光照并非一成不变,由此提出了动态照明研究的必要性。此外,还发现照明光的照度和均匀度的不足会提高视力不良率,改善照度和均一度后可以降低视力不良率。目前存在着教室空无一人却灯火通明的情况,造成能源浪费;由于照度单点采集,灯具缺乏独立控制措施,灯光控制采用恒定照度的模式,教室内不同位置的照度值相差很大,光源的不合适光谱分布、照度值、照度均匀性及灯光控制模式可能引起人体节律紊乱,存在引起视觉疲劳,导致近视发生和近视度数增长的风险。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供了一种基于红外阵列传感器和摄像头的教室灯光控制系统和方法,相比于常规教室照明系统,能够通过检测教室室内红外热图像,进而判断室内是否有人,确定是否启动照明及异常高温(火警)报警控制;通过检测教室内照度分布图并结合时间及地理位置信息,能够对教室内作为照明光源的全光谱LED进行独立控制,通过控制光源色温及照度分布图来模拟太阳光的规律变化,实现教室动态照明的目的。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
一、一种使用基于红外阵列传感器和摄像头的节能教室灯光控制系统包括灯具,布置在教室室内的屋顶;
包括控制系统,和灯具电连接;
所述的控制系统包含了具有红外和摄像头的传感部分和控制部分,传感部分经控制部分和灯具电连接。
所述的控制系统包括以下模块:红外阵列传感器模块、摄像模块、室内红外热图像处理及照明决策模块、可调控LED照明模块和异常高温报警模块;
红外阵列传感器模块:和室内红外热图像分析及照明决策模块电连接,采用红外阵列传感器进行教室室内的温度数据采集,将温度数据传送到室内红外热图像分析及照明决策模块;
摄像模块:和室内红外热图像分析及照明决策模块电连接,采用摄像头拍摄室内可见光图像,将室内可见光图像传送到室内红外热图像分析及照明决策模块;
室内红外热图像分析及照明决策模块:
对来自红外阵列传感器模块的温度数据进行处理获得室内红外热图像,分析室内是否有人及是否存在异常高温,产生报警信号到异常高温报警模块;
对来自摄像头的室内可见光图像计算出亮度分布图,再计算出照度分布,根据照度分布处理获得各灯具的色温亮度控制参数;
可调控LED照明模块:和灯具、室内红外热图像分析及照明决策模块电连接,接收来自室内红外热图像分析及照明决策模块的色温亮度控制参数控制灯具发光,调控灯具发出的照明光,实现节律照明;
异常高温报警模块:和室内红外热图像分析及照明决策模块电连接,接收来自室内红外热图像分析及照明决策模块的报警信号进行报警。
将教室的室内区域划分为M×N个照明区域,各个照明区域均匀布置灯具,每个照明区域布置一个灯具。
所述室内红外热图像分析及照明决策模块中,根据室内红外热图像进行温度判断,当室内红外热图像处理信号中的温度值高于预先设定的异常高温阈值时,发出报警信号到异常高温报警模块。
二、一种使用基于红外阵列传感器和摄像头的教室灯光控制方法
步骤一:采用红外阵列传感器模块的红外阵列传感器进行温度数据采集,根据采集的温度数据组建得到室内红外热图像;
步骤二:将室内区域划分为多个照明区域,根据预设的人体温度范围和异常高温阈值,分析室内红外热图像,并判断各个照明区域的灯具是否进行照明和是否进行报警;
步骤三:采用摄像模块的摄像头进行室内可见光图像的拍摄采集,从室内可见光图像中提取各像素的灰度信息,通过图像处理方法处理获得对应的亮度分布图,进而获得室内环境的照度分布图作为环境光照度分布图以及各个照明区域的照度值;
步骤四:由照度分布图和照明区域的照度值结合各灯具对不同照明区域影响的权重系数,调控不同照明区域的灯具输出的光谱进行节律照明。
所述步骤二中,通过以下子步骤来实现:
2.1、在室内区域中均匀布置灯具,按照灯具的数量M×N把教室划分为M×N个照明区域,使得每个照明区域布置一个灯具,其中M和N分别为教室长方向和宽方向的LED灯具数;
2.2、根据照明区域的分布和位置,将室内红外热图像也划分为M×N个区域;
2.3、根据预设的人体温度范围T0~T1分析室内红外热图像,T0<T1,T0、T1分别表示第一、第二温度阈值,进行以下判断控制:若室内红外热图像中存在人体温度范围内的图像区域时,则判定该图像区域有人,在该图像区域位置对应的照明区域的灯具启动照明;否则判定该图像区域无人,在该图像区域位置对应的照明区域的灯具关闭;
2.4、根据预设的异常高温阈值T2分析室内红外热图像,T1<T2,T2表示第三温度阈值,进行以下判断控制:若室内红外热图像中存在高于异常高温阈值T2的区域时,则判定室内存在异常高温物品,产生报警信号触发报警装置进行报警。
所述步骤三,在室内红外热图像分析及照明决策模块中通过以下子步骤来实现:
3.1、从摄像头探测到的室内可见光图像中直接提取灰度信息并进行数字图像滤波处理,获得灰度图像D,D={D(i,j)},其中D(i,j)表示灰度图像中第i行第j列像素的灰度值,i=1,2,…,I,j=1,2,…,J,I和J为图像中横纵坐标的像素数;
3.2、根据灰度图像D(i,j)计算出对应的亮度分布图像B=f(D,G,T),B={B(i,j)},其中B(i,j)表示亮度分布图像中第i行第j列像素的亮度值,G为相机增益,T为曝光时间,f()表示第一变换函数;
根据灰度图像计算出对应的亮度分布图像的另一种方法是,通过标定的方法来实现,采用已知亮度的均匀亮度分布光源,调节不同的亮度并记录,同时通过摄像头采集图像,得到摄像头采集的灰度图像与亮度分布图像中的像素对应关系,进行曲线拟合得到亮度分布图像B=f1(D),f1()表示第二变换函数。
3.3、根据亮度分布图像计算得到照度分布图E1为:
E1(i,j)=B(i,j)/K(i,j)
其中,E1(i,j)表示照度分布图中第i行第j列像素的照度,K(i,j)表示第i行第j列的像素所对应物体的反射率,物体的反射率K(i,j)通过用照度计测量物体表面的照度及由图像计算出的亮度进行标定,不同物体采用深度学习算法进行识别;
3.4、由于室内区域已被划分为M×N个照明区域,根据照度分布图E1针对每个照明区域内的照度求取平均值作为该照明区域的照度值,得到E2(m,n),m=1,2,…,M,n=1,2,…,N,E2(m,n)表示教室内第m行方向第n列方向的照明区域的照度值。
所述步骤四中,设置不同灯具对不同照明区域影响的权重系数,根据已测得的教室内实际照度分布图和预先设置好的节律照明要求照度分布图计算得到照明区域的照度差值,根据权重系数、灯具的输入电流和照明区域的差值构造方程组,求解方程组,获得各灯具的色温亮度控制参数输入到不同照明区域的灯具中调控。
所述步骤四中,在室内红外热图像分析及照明决策模块中通过以下子步骤来实现:
4.1、设置不同灯具对不同照明区域影响的权重系数,具体按照以下方式设置:
4.3、根据权重系数、灯具的输入电流和照明区域的差值构造方程组为:
基于带约束条件的最小二乘法或其他优化算法求解方程组,获得各灯具的输入电流Ij,按照输入电流Ij控制输入到对应的灯具中,从而调控不同照明区域灯具输出的照明光谱实现节律照明。
本发明采用红外阵列传感器和摄像模块采集教室内的温度分布和图像信息,经过算法分析后实现教室内灯光照明模式的智能控制。
本发明的有益效果是,
本发明通过采用低成本的红外阵列传感器模块探测得到教室内的室内红外热图像,实现教室内是否有人及异常高温的监视,控制照明系统的启动及异常温度报警,排除人空灯亮现象的发生,能够实现节能及安全监控的目的;照明控制策略通过摄像头获取图像信息,进而获得照度分布图,以此来控制各个照明模块的色温及亮度,能够实现较好的照明均匀性,采用全光谱LED光源模拟太阳光变化,能够减缓视觉疲劳,更好地满足教室健康照明需求。
附图说明
图1为本发明教室灯光控制系统框图;
图2为本发明实施例提供的灯光布置及教室灯照明区域划分俯视图;
图3为本发明教室灯光控制方法流程图。
图中:室内红外热图像分析及照明决策模块1、红外阵列传感器模块2、摄像模块3、可调控LED照明模块4、异常高温报警模块5、控制系统6、LED灯7。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明,本发明的目的和效果将变得更加明白,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。
包括灯具,布置在教室室内的屋顶;灯具具体为LED灯7。
包括控制系统6,和灯具电连接;
控制系统6包含了具有红外和摄像头的传感部分和控制部分,传感部分经控制部分和灯具电连接。
如图1所示,控制系统6包括以下模块:红外阵列传感器模块2、摄像模块3、室内红外热图像处理及照明决策模块1、可调控LED照明模块4和异常高温报警模块5;由红外阵列传感器模块2、摄像模块3构成了传感部分,由室内红外热图像处理及照明决策模块1、可调控LED照明模块4、异常高温报警模块5构成了控制部分。
红外阵列传感器模块2:和室内红外热图像分析及照明决策模块1电连接,采用红外阵列传感器进行教室室内的温度数据采集,将温度数据传送到室内红外热图像分析及照明决策模块1;
摄像模块3:和室内红外热图像分析及照明决策模块1电连接,采用摄像头拍摄室内可见光图像,将室内可见光图像传送到室内红外热图像分析及照明决策模块1;
室内红外热图像分析及照明决策模块1:
对来自红外阵列传感器模块2的温度数据进行处理获得室内红外热图像,分析室内是否有人及是否存在异常高温,产生报警信号到异常高温报警模块5;
对来自摄像头的室内可见光图像计算出亮度分布图,再计算出照度分布,建立照明模型根据照度分布处理获得各灯具的色温亮度控制参数;
色温亮度控制参数为输入到灯具的输入电流。
可调控LED照明模块4:和灯具、室内红外热图像分析及照明决策模块1电连接,接收来自室内红外热图像分析及照明决策模块1的色温亮度控制参数控制灯具发光,调控灯具发出的照明光的色温和亮度,实现节律照明;
异常高温报警模块5:和室内红外热图像分析及照明决策模块1电连接,接收来自室内红外热图像分析及照明决策模块1的报警信号进行报警。可通过声音和光进行报警提醒。
如图2所示,将教室的室内区域划分为M×N个照明区域,各个照明区域均匀布置灯具,每个照明区域布置一个灯具。
室内红外热图像分析及照明决策模块1中,根据室内红外热图像进行温度判断,当室内红外热图像处理信号中的温度值高于预先设定的异常高温阈值时,发出报警信号到异常高温报警模块5。
具体实施中,红外阵列传感器测温方式是非接触式热成像测温,实现室内温度分布动态监测。如图2所示,红外阵列传感器模块及摄像模块安装在教室后墙上方的中间处。
本发明的实施例如下:
实施例1
如图3所示,应用于上述系统,包括以下步骤:
步骤一:红外阵列传感器获取教室内红外热图像,若判定教室有人,则启动照明模式,否则关闭照明模式,若判定室内存在异常高温物体,则启动报警模块;
步骤二:根据教室所处位置的经纬度、日期、时间信息计算出模拟太阳光所需的教室目标照明光的色温及照度,时间间隔设定5分钟,基于照明的视觉效应及非视觉效应,结合教室照明的特殊性,设定照度300~1000lx变化范围,相关色温2500k~6500k变化范围,光谱分布模拟太阳光的光谱分布;
步骤三:通过摄像头获取图像信息,计算得到照度分布图,该步骤通过以下子步骤来实现:
(1)摄像头通过镜头将目标成像在感光面上,提取获得目标灰度值为D;
(2)根据目标灰度值计算出实际亮度值B(i,j)为:
其中,T为曝光时间,F为光圈数,τ为镜头透光系数,γ为探测器感光系数,G为摄像头内部自动增益控制(Automatic Gain Control,AGC)模块的放大器增益,m表示暗信号,是探测器感在暗场下输出信号的灰度平均值,m为常数,由探测器确定。
(3)根据计算出的对应目标物体的亮度值,计算得到照度值,E=B/K,获得实际情况的照度分布图。其中物体的反射率K可通过用标准照度计测量物体表面的照度及由图像计算出的亮度进行标定,采用深度学习算法识别出不同物体。
步骤四:基于照明的目标色温及照度、照度分布图经照明模型处理得到照明模块的调节参数。
具体实施中,将教室划分为M×N个照明区域,原始照度分布图E1按照M×N个区域变换为E2(m,n),m=1,2,…,M,n=1,2,…,N,则E2(m,n)表示教室内第m行第n列的LED灯所对应的照明区域的照度值,更新后的照度值的一种获取方法是取该照明区域内的原始照度平均值。
通过以下子步骤来实现:
4.1、设置不同灯具对不同照明区域影响的权重系数,具体按照以下方式设置:
4.3、根据权重系数、灯具的输入电流和照明区域的差值构造方程组为:
基于带约束条件的最小二乘法或其他优化算法求解方程组,获得各灯具的输入电流Ij,按照输入电流Ij控制输入到对应的灯具中,从而调控灯具输出的照明光谱实现节律照明。
实施例2
和实施例1基本相同,不同的是:
在步骤三中获得实际情况的照度分布图是采用以下方式:采用均匀亮度分布光源,调节不同的亮度,亮度值通过标准亮度计测试并记录,同时通过摄像头采集图像,得到摄像头采集的灰度图像与亮度的对应关系,曲线进行多项式拟合,得到亮度分布图像:
B=anDn+an-1Dn-1+...+a2D2+a1D1+ao
其中,an表示对应的Dn的拟合系数,Dn表示灰度值D的n次幂,n表示灰度值D的指数。
在步骤三中获得照明区域的照度值是采用以下方式:基于机器视觉目标识别,识别出该区域内的课桌目标物,将所在区域内课桌对应的原始照度平均值作为更新后的照度值。
Claims (9)
1.一种基于红外阵列传感器和摄像头的教室灯光控制系统,其特征在于,
包括灯具,布置在教室室内的屋顶;
包括控制系统(6),和灯具电连接;
所述的控制系统(6)包含了具有红外和摄像头的传感部分和控制部分,传感部分经控制部分和灯具电连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于红外阵列传感器和摄像头的教室灯光控制系统,其特征在于,所述的控制系统(6)包括以下模块:红外阵列传感器模块(2)、摄像模块(3)、室内红外热图像处理及照明决策模块(1)、可调控LED照明模块(4)和异常高温报警模块(5);
红外阵列传感器模块(2):和室内红外热图像分析及照明决策模块(1)电连接,采用红外阵列传感器进行教室室内的温度数据采集,将温度数据传送到室内红外热图像分析及照明决策模块(1);
摄像模块(3):和室内红外热图像分析及照明决策模块(1)电连接,采用摄像头拍摄室内可见光图像,将室内可见光图像传送到室内红外热图像分析及照明决策模块(1);
室内红外热图像分析及照明决策模块(1):
对来自红外阵列传感器模块(2)的温度数据进行处理获得室内红外热图像,分析室内是否有人及是否存在异常高温,产生报警信号到异常高温报警模块(5);
对来自摄像头的室内可见光图像计算出亮度分布图,再计算出照度分布,根据照度分布处理获得各灯具的色温亮度控制参数;
可调控LED照明模块(4):和灯具、室内红外热图像分析及照明决策模块(1)电连接,接收来自室内红外热图像分析及照明决策模块(1)的色温亮度控制参数控制灯具发光,调控灯具发出的照明光,实现节律照明;
异常高温报警模块(5):和室内红外热图像分析及照明决策模块(1)电连接,接收来自室内红外热图像分析及照明决策模块(1)的报警信号进行报警。
3.根据权利要求1所述的一种基于红外阵列传感器和摄像头的教室灯光控制系统,其特征在于,将教室的室内区域划分为M×N个照明区域,各个照明区域均匀布置灯具,每个照明区域布置一个灯具。
4.根据权利要求1所述的一种基于红外阵列传感器和摄像头的教室灯光控制系统,其特征在于,所述室内红外热图像分析及照明决策模块(1)中,根据室内红外热图像进行温度判断,当室内红外热图像处理信号中的温度值高于预先设定的异常高温阈值时,发出报警信号到异常高温报警模块(5)。
5.一种基于红外阵列传感器和摄像头的教室灯光控制方法,其特征在于,方法包括以下步骤:
步骤一:进行温度数据采集,根据采集的温度数据组建得到室内红外热图像;
步骤二:将室内区域划分为多个照明区域,根据预设的人体温度范围和异常高温阈值,分析室内红外热图像,并判断各个照明区域的灯具是否进行照明和是否进行报警;
步骤三:进行室内可见光图像的拍摄采集,从室内可见光图像中提取各像素的灰度信息,通过图像处理方法处理获得对应的亮度分布图,进而获得照度分布图以及各个照明区域的照度值;
步骤四:由照度分布图和照明区域的照度值结合各灯具对不同照明区域影响的权重系数,调控不同照明区域的灯具输出的光谱进行节律照明。
6.根据权利要求5所述的一种基于红外阵列传感器和摄像头的教室灯光控制方法,其特征在于:所述步骤二中,通过以下子步骤来实现:
2.1、在室内区域中均匀布置灯具,按照灯具的数量M×N把教室划分为M×N个照明区域,使得每个照明区域布置一个灯具;
2.2、根据照明区域的分布,将室内红外热图像也划分为M×N个区域;
2.3、根据预设的人体温度范围T0~T1分析室内红外热图像,T0<T1,T0、T1分别表示第一、第二温度阈值,进行以下判断控制:若室内红外热图像中存在人体温度范围内的图像区域时,则判定该图像区域有人,在该图像区域对应的照明区域的灯具启动照明;否则判定该图像区域无人,在该图像区域对应的照明区域的灯具关闭;
2.4、根据预设的异常高温阈值T2分析室内红外热图像,T1<T2,T2表示第三温度阈值,进行以下判断控制:若室内红外热图像中存在高于异常高温阈值T2的区域时,则判定室内存在异常高温物品,产生报警信号进行报警。
7.根据权利要求5所述的一种基于红外阵列传感器和摄像头的教室灯光控制方法,其特征在于:所述步骤三,通过以下子步骤来实现:
3.1、从摄像头探测到的室内可见光图像中直接提取灰度信息并进行数字图像滤波处理,获得灰度图像D;
3.2、根据灰度图像D(i,j)计算出对应的亮度分布图像B=f(D,G,T),B={B(i,j)},其中B(i,j)表示第i行第j列像素的亮度值,G为相机增益,T为曝光时间,f()表示第一变换函数;
3.3、根据亮度分布图像计算得到照度分布图E1为:
E1(i,j)=B(i,j)/K(i,j)
其中,E1(i,j)表示第i行第j列像素的照度,K(i,j)表示第i行第j列的像素所对应物体的反射率;
3.4、根据照度分布图E1针对每个照明区域内的照度求取平均值作为该照明区域的照度值,得到E2(m,n),m=1,2,…,M,n=1,2,…,N,E2(m,n)表示第m行方向第n列方向的照明区域的照度值。
8.根据权利要求5所述的一种基于红外阵列传感器和摄像头的教室灯光控制方法,其特征在于:所述步骤四中,设置不同灯具对不同照明区域影响的权重系数,根据已测得的教室内实际照度分布图和预先设置好的节律照明要求照度分布图计算得到照明区域的照度差值,根据权重系数、灯具的输入电流和照明区域的差值构造方程组,求解方程组,获得各灯具的色温亮度控制参数输入到不同照明区域的灯具中调控。
9.根据权利要求8所述的一种基于红外阵列传感器和摄像头的教室灯光控制方法,其特征在于:所述步骤四中,通过以下子步骤来实现:
4.1、设置不同灯具对不同照明区域影响的权重系数,具体按照以下方式设置:
4.3、根据权重系数、灯具的输入电流和照明区域的差值构造方程组为:
求解方程组,获得各灯具的输入电流Ij,按照输入电流Ij控制输入到对应的灯具中,从而调控不同照明区域灯具输出的照明光谱实现节律照明。
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CN202211450800.4A CN115811648A (zh) | 2022-11-18 | 2022-11-18 | 基于红外阵列传感器和摄像头的教室灯光控制系统和方法 |
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