CN116600436A - 一种教室内多led灯智能控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及LED智能控制技术领域，具体涉及一种教室内多LED灯智能控制系统，该系统包括：多个光敏传感器、多个LED灯以及多个一一对应的角度控制器、若干摄像装置以及控制模块，该控制模块用于接受和处理来自光敏传感器以及摄像装置的数据，并根据预设的算法和参数，分别向LED灯以及角度控制器发送控制指令。本发明的目的在于提供一种教室内多LED灯智能控制系统及控制方法，帮助学生在不同状态下对光照进行相应的调整，有效改善学生因光照不当造成近视等眼部问题。
Description
技术领域
本发明涉及LED智能控制技术领域，具体涉及一种教室内多LED灯智能控制系统。
背景技术
目前现有的教学楼灯光控制，基本都是采用传统的控制方式，也就是总闸控制所有灯的通断电，而每盏灯都有单独的按钮进行控制。随着智能化概念的普及，关于教学楼灯光的相关技术也在发展，例如申请号为CN202011366618.1的中国发明专利，公开了一种教室灯光分区智能控制器及智能照明系统，能够根据教室内人员分布情况进行灯光的调控，从而让照明亮度更为科学、节能。
然而，这个方案明显具有以下不足：教室内的LED灯光无法根据每个学生的学习状态（一般是抬头听课或低头做作业）进行调整，而目前大部分学生因学习中灯光照射强度、角度存在不当是造成学生大规模近视的主要因素，因此设计一款针对学生学习状态而自适应调整的LED灯控制技术显得尤为迫切。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种教室内多LED灯智能控制系统，帮助学生在不同状态下对光照进行相应的调整，有效改善学生因光照不当造成近视等眼部问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种教室内多LED灯智能控制系统，包括：
多个光敏传感器，每个光敏传感器分别用于设置于课室内的每个座位上，用于检测当前座位的光照强度；
多个LED灯以及多个一一对应的角度控制器，每个角度控制器分别用于设置于课室的天花板，并用于调整LED灯的照射角度；
若干摄像装置，用于检测每个座位前学生的头部姿态；
控制模块，用于接受和处理来自光敏传感器以及摄像装置的数据，并根据预设的算法和参数，分别向LED灯以及角度控制器发送控制指令。
本发明的控制系统还包括以下步骤：
S100. 分别设定目标光照强度It、容许误差e、最大角度θmax、最小角度θmin、最大亮度Lmax、最小亮度Lmin、抬头阈值Th以及低头阈值Tl；
S200. 对于每个座位i，控制模块接收光敏传感器的电压信号Vi，并将其转换为光照强度Ii；
S300. 对于每个座位i，控制模块计算光照强度的误差Ei=It-Ii，并根据误差的正负和大小，分别向角度控制器发送角度调节指令Δθi以及向LED灯发送亮度调节指令ΔLi。
其中，在所述步骤S200中，光敏传感器的电压信号Vi转换为光照强度Ii的转换公式为Ii=kVi+b，其中k和b是根据光敏传感器的特性曲线确定的常数。
其中，在步骤S300中，角度调节指令Δθi的计算方法如下：
如果Ei>e，则Δθi=αEi，其中α为正的比例系数；
如果Ei<-e，则Δθi=αEi，其中α为正的比例系数；
如果e≤Ei≤∣e∣，则Δθi=0。
如果θi+Δθi>θmax或θi+Δθi<θmin，则Δθi=θmax-θi或Δθi=θmin-θi。
其中，在所述步骤S300中，亮度调节指令ΔLi的计算方法如下：
如果摄像装置检测到学生正在进行抬头动作，并且当前LED灯的角度θi>Th，则ΔLi=-βLi，其中β是一个正的比例系数；
如果摄像装置检测到学生正在进行低头动作，并且当前LED灯的角度θi<Tl，则ΔLi=β(Lmax-Li)，其中β是一个正的比例系数；
如果摄像装置检测到学生正在进行抬头或低头动作，并且当前LED灯的角度满足Tl≤θi≤Th，则ΔLi=0；
如果摄像装置没有检测到学生正在进行抬头或低头动作，则ΔLi=0；
如果Li+ΔLi>Lmax或Li+ΔLi<Lmin，则ΔLi=Lmax-Li或ΔLi=Lmin-Li。
其中，该控制系统还包括步骤S400，步骤S400为：控制模块根据角度调节指令Δθi和亮度调节指令ΔLi反推出光照强度的误差Ei，并根据角度调节指标Ri以及灯光亮度指标Li判断学生的用眼状态，其中角度调节指标Ri以及灯光亮度指标Li均为0-1之间的常数。
其中，控制模块根据角度调节指标Ri评估学生的规则如下：
如果Δθi=0，则Ri=1；
如果Δθi>0，则；
如果Δθi<0，则。
其中，控制模块根据灯光亮度指标Li评估学生的规则如下：
如果ΔLi=0，则Li=1；
如果ΔLi>0，则；
如果ΔLi<0，则。
其中，控制模块给每个座位i的每个时间段t的每个课程c的每个环节s打出一个分数，分数的计算公式为/>=Ri+Li。
其中，控制模块根据分数计算出一段时间内的平均分数Gi，其中平均分数Gi的计算公式为/>，其中N是该时间段内的总环节数。
本发明的有益效果：
本发明的一种教室内多LED灯智能控制系统，基于光敏传感器和摄像装置获取学生的学习状态，由控制模块根据本发明的步骤控制角度控制器以及LED灯，根据学生的学习状态对LED灯的照射角度和照射亮度等参数进行适时地调整，有效改善学生因光照不当造成近视等眼部问题。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例的教室内多LED灯控制系统的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
目前现有的教学楼灯光控制，基本都是采用传统的控制方式，也就是总闸控制所有灯的通断电，而每盏灯都有单独的按钮进行控制。随着智能化概念的普及，关于教学楼灯光的相关技术也在发展，例如申请号为CN202011366618.1的中国发明专利，公开了一种教室灯光分区智能控制器及智能照明系统，能够根据教室内人员分布情况进行灯光的调控，从而让照明亮度更为科学、节能。
然而，这个方案明显具有以下不足：教室内的LED灯光无法根据每个学生的学习状态（一般是抬头听课或低头做作业）进行调整，而目前大部分学生因学习中灯光照射强度、角度存在不当是造成学生大规模近视的主要因素，因此设计一款针对学生学习状态而自适应调整的LED灯控制技术显得尤为迫切。
为了解决上述问题，本实施例公开了一种教室内多LED灯智能控制系统，包括：
多个光敏传感器，每个光敏传感器分别用于设置于课室内的每个座位上，用于检测当前座位的光照强度，在本实施例中，光敏传感器可以将光照强度转换为电压信号，然后通过无线网络发送给控制模块，光敏传感器的优点是可以实时监测每个座位的光照情况，提供反馈信息给控制模块；
多个LED灯以及多个一一对应的角度控制器，每个角度控制器分别用于设置于课室的天花板，并用于调整LED灯的照射角度；
若干摄像装置，用于检测每个座位前学生的头部姿态，摄像装置可以通过图像处理算法识别出学生是否在抬头或低头，并将结果发送给控制模块；
控制模块，用于接受和处理来自光敏传感器以及摄像装置的数据，并根据预设的算法和参数，分别向LED灯以及角度控制器发送控制指令。
需要说明的是，本实施例中的角度控制器优选为伺服电机，可实现LED灯的无极角度调节；另外，关于本实施例中摄像装置获取学生的低头以及抬头动作信息，控制模块根据预设的算法和参数，向LED灯以及角度控制器发送相应的控制指令的工作原理均为现有技术，在此不再赘述。
进一步的，本实施例还提供了一种控制方法，该控制方法应用于上述的教室内多LED灯智能控制系统，具体包括以下步骤：
S100. 分别设定目标光照强度It、容许误差e、最大角度θmax、最小角度θmin、最大亮度Lmax、最小亮度Lmin、抬头阈值Th以及低头阈值Tl；
目标光照强度It根据不同的时间段和季节进行调整，一般来说，白天的目标光照强度应该高于晚上的目标光照强度，冬季的目标光照强度应该高于夏季的目标光照强度；一般来说，e应该设置为一个较小的正数，例如0.1；一般来说，θmax应该设置为±45°，θmin应该设置为0°；一般来说，Lmax应该设置为100%，Lmin应该设置为0%；一般来说，Th应该设置为一个较大的正数，例如60°，Tl应该设置为一个较小的正数，例如30°；
S200. 对于每个座位i，控制模块接收光敏传感器的电压信号Vi，并将其转换为光照强度Ii；
S300. 对于每个座位i，控制模块计算光照强度的误差Ei=It-Ii，并根据误差的正负和大小，分别向角度控制器发送角度调节指令Δθi以及向LED灯发送亮度调节指令ΔLi。
为了更清晰地对本发明多LED灯的控制方法进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各步骤展开详述。
进一步的，在所述步骤S200中，光敏传感器的电压信号Vi转换为光照强度Ii的转换公式为Ii=kVi+b，其中，k和b是根据光敏传感器的特性曲线确定的常数。
进一步的，在步骤S300中，角度调节指令Δθi的计算方法如下：
如果Ei>e，说明当前光照强度低于目标光照强度，需要增加灯光的照射范围，则Δθi=αEi，其中α为正的比例系数，用于控制角度调节的速度；
如果Ei<-e，说明当前光照强度高于目标光照强度，需要减少灯光的照射范围，则Δθi=αEi，其中α为正的比例系数，用于控制角度调节的速度；
如果e≤Ei≤∣e∣，说明当前光照强度接近目标光照强度，不需要调节灯光的照射范围，则Δθi=0。
如果θi+Δθi>θmax或θi+Δθi<θmin，说明角度调节超出了最大或最小限制，需要进行修正，则Δθi=θmax-θi或Δθi=θmin-θi。
进一步的，在所述步骤S300中，亮度调节指令ΔLi的计算方法如下：
如果摄像装置检测到学生正在进行抬头动作，并且当前LED灯的角度θi>Th，说明灯光可能会直射学生的眼睛，需要降低灯光的亮度，则ΔLi=-βLi，其中β是一个正的比例系数，用于控制亮度调节的速度；
如果摄像装置检测到学生正在进行低头动作，并且当前LED灯的角度θi<Tl，说明灯光可能会不足以照亮学生的作业本，需要提高灯光的亮度，则ΔLi=β(Lmax-Li)，其中β是一个正的比例系数；
如果摄像装置检测到学生正在进行抬头或低头动作，并且当前LED灯的角度满足Tl≤θi≤Th，说明灯光不会对学生造成不良影响，不需要调节灯光的亮度，则ΔLi=0；
如果摄像装置没有检测到学生正在进行抬头或低头动作，说明学生在正常上课，不需要调节灯光的亮度，则ΔLi=0；
如果Li+ΔLi>Lmax或Li+ΔLi<Lmin，说明亮度调节超出了最大或最小限制，需要进行修正，则ΔLi=Lmax-Li或ΔLi=Lmin-Li。
假设课室有四个座位，每个座位上有一个LED灯和一个光敏传感器。假设目标光照强度It为500勒克斯，容许误差e为10勒克斯，最大角度θmax为90°，最小角度θmin为0°，最大亮度Lmax为100%，最小亮度Lmin为0%，抬头阈值Th为60°，低头阈值Tl为30°，比例系数α和β都为0.01，光敏传感器的转换公式为Ii=100Vi+50。
假设初始时，每个LED灯的角度都为45°，亮度都为50%，光敏传感器的电压信号都为4V，此时，每个座位的光照强度都为450勒克斯，低于目标光照强度。摄像头没有检测到学生在抬头或低头。
控制模块根据算法计算出每个座位的角度调节指令和亮度调节指令如下：
对于座位1，E1=It-I1=500-600=-100<-e，说明需要减少灯光的照射范围。Δθ1=αE1=0.01×(-100)=-1，说明LED灯需要逆时针旋转1°；ΔL1=0，说明LED灯不需要调节亮度。
对于座位2，E2=It-I2=500-550=-50<-e，说明需要减少灯光的照射范围。Δθ2=αE2=0.01×(-50)=-0.5，说明LED灯需要顺时针旋转0.5°；ΔL2=0，说明LED灯不需要调节亮度。
对于座位3，E3=It-I3=500-450=50>e，说明需要增加灯光的照射范围。Δθ3=αE3=0.01×50=0.5，说明LED灯需要顺时针旋转0.5°；ΔL3=0，说明LED灯不需要调节亮度。
对于座位4，E4=It-I4=500-450=50>e，说明需要增加灯光的照射范围。Δθ4=αE4=0.01×50=0.5，说明LED灯需要逆时针旋转0.5°；ΔL4=0，说明LED灯不需要调节亮度。
控制模块向每个LED灯发送控制指令后，每个角度控制器根据指令调节LED灯的角度，LED灯调节自己的亮度。此时，每个座位的光照强度都会有所变化，控制模块继续接收光敏传感器的电压信号，并重复上述过程，直到每个座位的光照强度都接近目标光照强度为止。
进一步的，该控制系统还包括步骤S400，步骤S400为：控制模块根据角度调节指令Δθi和亮度调节指令ΔLi反推出光照强度的误差Ei，并根据角度调节指标Ri以及灯光亮度指标Li判断学生的用眼状态，其中角度调节指标Ri以及灯光亮度指标Li均为0-1之间的常数。
具体来说，控制模块根据角度调节指标Ri评估学生，表示灯光的照射范围是否合适，角度调节指标Ri的评估规则如下：
如果Δθi=0，说明灯光的照射范围已经达到目标光照强度，则Ri=1；
如果Δθi>0，说明灯光的照射范围需要增加，则；
如果Δθi<0，说明灯光的照射范围需要减少，则；
照射范围指标Ri的范围为0到1，指标越高，表示照射范围越合适。
具体来说，控制模块根据灯光亮度指标Li评估学生，表示灯光的亮度是否合适，灯光亮度指标Li的评估规则如下：
如果ΔLi=0，说明灯光的亮度已经达到目标光照强度，则Li=1；
如果ΔLi>0，说明灯光的亮度需要增加，则；
如果ΔLi<0，说明灯光的亮度需要减少，则；
灯光亮度指标Li的范围为0到1，指标越高，表示灯光亮度越合适。
根据上述两个指标，控制模块给每个座位i的每个时间段t的每个课程c的每个环节s打出一个分数，分数的计算公式为/>=Ri+Li，分数/>的范围为0到2，分数越高，表示用眼状态越好。
进一步的，控制模块根据分数计算出一段时间内的平均分数Gi，其中平均分数Gi的计算公式为/>，其中N是该时间段内的总环节数，平均分数Gi的范围也是0到2，平均分数越高，表示用眼状态越好。
控制模块可以根据每个座位i的平均分数Gi，进行ABCD档的打分。打分的标准如下：
如果Gi≥1.5，说明学生在该时间段内的用眼状态非常好，给予A档。
如果1≤Gi<1.5，说明学生在该时间段内的用眼状态比较好，给予B档。
如果0.5≤Gi<1，说明学生在该时间段内的用眼状态一般，给予C档。
如果Gi<0.5，说明学生在该时间段内的用眼状态较差，给予D档。
通过上述打分可帮助老师和家长及时获取学生的用眼情况，基于光敏传感器和摄像装置获取学生的学习状态，由控制模块根据上述步骤控制角度控制器以及LED灯，根据学生的学习状态对LED灯的照射角度和照射亮度等参数进行适时地调整，有效改善学生因光照不当造成近视等眼部问题。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (7)
1.一种教室内多LED灯智能控制系统，其特征在于，包括：
多个光敏传感器，每个光敏传感器分别用于设置于课室内的每个座位上，用于检测当前座位的光照强度；
多个LED灯以及多个角度控制器，多个LED灯与多个角度控制器一一对应，每个角度控制器分别用于设置于课室的天花板，并用于调整LED灯的照射角度；
若干摄像装置，用于检测每个座位前学生的头部姿态；
控制模块，用于接受和处理来自光敏传感器以及摄像装置的数据，并根据预设的算法和参数，分别向LED灯以及角度控制器发送控制指令；
所述控制系统还包括以下步骤：
S100. 分别设定目标光照强度It、容许误差e、最大角度θmax、最小角度θmin、最大亮度Lmax、最小亮度Lmin、抬头阈值Th以及低头阈值Tl；
S200. 对于每个座位i，控制模块接收光敏传感器的电压信号Vi，并将其转换为光照强度Ii；
S300. 对于每个座位i，控制模块计算光照强度的误差Ei=It-Ii，并根据误差的正负和大小，分别向角度控制器发送角度调节指令Δθi以及向LED灯发送亮度调节指令ΔLi；
S400：控制模块根据角度调节指令Δθi和亮度调节指令ΔLi反推出光照强度的误差Ei，并根据角度调节指标Ri以及灯光亮度指标Li判断学生的用眼状态，其中角度调节指标Ri以及灯光亮度指标Li均为0-1之间的常数；
控制模块根据角度调节指标Ri评估学生的规则如下：
如果Δθi=0，则Ri=1；
如果Δθi>0，则；
如果Δθi<0，则。
2.根据权利要求1所述的一种教室内多LED灯智能控制系统，其特征在于：在所述步骤S200中，光敏传感器的电压信号Vi转换为光照强度Ii的转换公式为Ii=kVi+b，其中k和b是根据光敏传感器的特性曲线确定的常数。
3.根据权利要求1所述的一种教室内多LED灯智能控制系统，其特征在于：在步骤S300中，角度调节指令Δθi的计算方法具体如下：
如果Ei>e，则Δθi=αEi，其中α为正的比例系数；
如果Ei<-e，则Δθi=αEi，其中α为正的比例系数；
如果e≤Ei≤∣e∣，则Δθi=0；
如果θi+Δθi>θmax或θi+Δθi<θmin，则Δθi=θmax-θi或Δθi=θmin-θi。
4.根据权利要求1所述的一种教室内多LED灯智能控制系统，其特征在于：在所述步骤S300中，亮度调节指令ΔLi的计算方法具体如下：
如果摄像装置检测到学生正在进行抬头动作，并且当前LED灯的角度θi>Th，则ΔLi=-βLi，其中β是一个正的比例系数；
如果摄像装置检测到学生正在进行低头动作，并且当前LED灯的角度θi<Tl，则ΔLi=β(Lmax-Li)，其中β是一个正的比例系数；
如果摄像装置检测到学生正在进行抬头或低头动作，并且当前LED灯的角度满足 Tl≤θi≤Th，则ΔLi=0；
如果摄像装置没有检测到学生正在进行抬头或低头动作，则ΔLi=0；
如果Li+ΔLi>Lmax或Li+ΔLi<Lmin，则ΔLi=Lmax-Li或ΔLi=Lmin-Li。
5.根据权利要求1所述的一种教室内多LED灯智能控制系统，其特征在于，控制模块根据灯光亮度指标Li评估学生的规则如下：
如果ΔLi=0，则Li=1；
如果ΔLi>0，则；
如果ΔLi<0，则。
6.根据权利要求1所述的一种教室内多LED灯智能控制系统，其特征在于，控制模块给每个座位i的每个时间段t的每个课程c的每个环节s打出一个分数，分数的计算公式为/>=Ri+Li。
7.根据权利要求6所述的一种教室内多LED灯智能控制系统，其特征在于，控制模块根据分数计算出一段时间内的平均分数Gi，其中平均分数Gi的计算公式为，其中N是该时间段内的总环节数。
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