CN208061053U - 一种教室环境智能调控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种教室环境智能调控系统，其特征在于该系统包括摄像头、温度传感器、湿度传感器、二氧化碳传感器、计算机、单片机、电灯、推拉窗、推杆电机、空调、终端、无线通讯模块、直流电机、窗帘、话筒、音响、显示屏、滑轨和供电模块。本系统采用多种传感器进行物理环境实时监测，并配合计算机和单片机来进行智能调控教室内的光照、温度、空气情况等，使得结果更可靠；考虑到教室内不同区域的学生听课情况，并针对后排同学上课质量不佳进行优化，使得教室更加人性化；利用摄像头来实录上课情况，并将实录视频播放于教室中间区域显示设备上，供后侧学生看清授课实况；利用话筒和音响来调控授课声音大小，供后侧学生听见教师授课时的声音。

Description

一种教室环境智能调控系统

技术领域

本实用新型涉及环境智能调控领域，具体是一种教室环境智能调控系统。

背景技术

一直以来，教室是教师向学生传授课业的场所。教师在教室前侧讲台处讲解ppt、板书以及与学生互相交流知识，学生则在讲台下相应座位上听教师授课以及在非上课期间进行自主学习。作为一个长时间有大量人员使用的场所，教室对于环境的要求较高，具体表现为物理环境与授课环境。物理环境表现在日常光照、温度、湿度与空气状况等，授课环境通常表现为在教室后排座位区域的学生在上课期间可能遇到看不清板书(或投影仪)以及听不清教师讲课声音的情况。教室内的现有环境调节装置比如灯管、窗帘、空调等都需人工操作，且调节范围有限，同时可能产生的问题是调节装置在打开后经常忘记关闭，造成大量电能浪费。

申请号为201710866395.7的文献公开了一种基于云计算技术的教室环境智能控制系统，其具体做法是利用温度传感器、亮度传感器等采集室内环境信息，并采用红外温度检测装置检测教室人员个数，再通过云计算技术对教室内的灯光、空调、窗帘等装置进行相应的调节。但其管理存在不合理的情况，比如其提到的人员检测模块只能检测出教室内的人员总数，当教室内人员集中于某一区域时，其灯光还是全部打开，造成电能浪费。同时背景中提到的授课期间后排学生学习质量差的问题还是没有得到解决。且系统中提到的某些传感器安装在教室外侧，造成其使用寿命短。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种教室环境智能调控系统。

本实用新型解决所述技术问题的技术方案是，提供一种教室环境智能调控系统，其特征在于该系统包括摄像头、温度传感器、湿度传感器、二氧化碳传感器、计算机、单片机、电灯、推拉窗、推杆电机、空调、终端、无线通讯模块、直流电机、窗帘、话筒、音响、显示屏、滑轨和供电模块；

所述滑轨安装于教室墙壁上部或者天花板上；一个摄像头安装在教室前端天花板一侧，朝向教室前排学生座位，监视教室前方区域；另一个摄像头安装在滑轨中，朝向教室后排学生座位，监视教室后方区域，或沿滑轨移动至教室前方并转向，用于采集实时授课图像或视频信息；所述摄像头与计算机连接；

所述计算机通过串口线与显示屏连接；所述单片机分别与温度传感器、湿度传感器、二氧化碳传感器、电灯、推杆电机、空调、无线通讯模块、直流电机、话筒和音响连接，通过无线通讯模块与计算机连接或者通过串口线与计算机连接；所述推拉窗与推杆电机连接；所述终端通过无线通讯模块与单片机连接；所述窗帘与直流电机连接；所述音响安装于教室中间区域；所述显示屏安装于教室中间区域，用于播放授课期间的实录视频信息供后侧学生观看；所述供电模块为整个装置供电。

与现有技术相比，本实用新型有益效果在于：

(1)采用多种传感器进行物理环境实时监测，并配合计算机和单片机来进行智能调控教室内的光照、温度、空气情况等，使得结果更可靠；

(2)不采用红外传感器，而是通过摄像头采集图像信息并经计算机图像处理后得到教室各个区域人员分布情况，并将人员分布情况传送至单片机控制模块，单片机同其他采集到的数据进行相应运算后智能控制电灯及空调，调控教室内的光照、温度、空气情况等，使得结果更准确；

(3)监测对象考虑周全，使得调节后的环境更加舒适、实用；

(4)考虑到教室内不同区域的学生听课情况，并针对后排同学上课质量不佳进行优化，使得教室更加人性化；利用摄像头来实录上课情况，并将实录视频播放于教室中间区域显示设备上，供后侧学生看清授课实况；利用话筒和音响来调控授课声音大小，供后侧学生听见教师授课时的声音。

(5)检测到教室无人员后，系统会对灯光、空调智能断电，节约了大量电能，使得整个系统更加经济化；

(6)上课期间教师可通过终端远程调节灯光、窗帘状态，进而根据课程不同调节适合于自己的光照条件，使得教学效率提高；

(7)出于对空气质量的考虑，增加二氧化碳传感器，改善了教室的空气流通状况，及时通风避免了因为人员众多使得教室内二氧化碳浓度上升进而学生易困、易传播疾病现象的发生；

(8)采用教室内的现有资源摄像头和计算机作为系统的图像采集和处理器件，大大的节约了系统的制造成本，同时布线方便、结构简单。

(9)系统大多数条件下为自动调控状态，很少需要人为的调控，减少了人为操作，使用方便。

(10)计算机与单片机相结合处理数据，使得系统运行速度大大提升。

附图说明

图1为本实用新型教室环境智能调控系统一种实施例的整体结构连接示意图；(图中：1为摄像头、2为温度传感器、3为湿度传感器、4为二氧化碳传感器、5为计算机、6为单片机、7为电灯、8为推拉窗、9为推杆电机、10为空调、11为终端、12为无线通讯模块、13为直流电机、14为窗帘、15为话筒、16为音响、17为显示屏、18为滑轨、19为供电模块)

具体实施方式

下面给出本实用新型的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本实用新型，不限制本申请权利要求的保护范围。

本实用新型提供了一种教室环境智能调控系统(参见图1，简称系统)，其特征在于该系统包括摄像头1、温度传感器2、湿度传感器3、二氧化碳传感器4、计算机5、单片机6、电灯7、推拉窗8、推杆电机9、空调10、终端11、无线通讯模块12、直流电机13、窗帘14、话筒15、音响16、显示屏17、滑轨18和供电模块19；

所述滑轨18安装于教室墙壁上部或者天花板上；一个摄像头1安装在教室前端天花板一侧，朝向教室前排学生座位，监视教室前方区域；另一个摄像头1安装在滑轨18中，朝向教室后排学生座位，监视教室后方区域，也可沿滑轨18移动至教室前方并转向，用于采集实时授课图像或视频信息；所述摄像头1与计算机5连接，将采集到的教室图像信息传送至计算机5中；

所述温度传感器2安装在教室讲台侧一处，用来采集室内温度信息；所述湿度传感器3安装在教室讲台侧一处，用来采集室内温度信息；所述二氧化碳传感器4安装在教室讲台侧一处，用来采集室内二氧化碳浓度信息；所述计算机5安装在教室讲台一侧，计算机5通过串口线与显示屏17连接；所述单片机6安装在教室前方靠墙侧，并用黑箱进行封装，单片机6分别与温度传感器2、湿度传感器3、二氧化碳传感器4、电灯7、推杆电机9、空调10、无线通讯模块12、直流电机13、话筒15和音响16连接，通过无线通讯模块12与计算机5连接或者通过串口线与计算机5连接；所述电灯7安装在教室的天花板上；所述推拉窗8安装于教室窗户上，可左右推拉，与推杆电机9连接；所述空调10为壁挂空调，安装于教室旁侧墙壁靠顶端处；所述终端11通过无线通讯模块12与单片机6连接，终端11用于控制电灯7、推拉窗8和窗帘14；所述无线通讯模块12安装在单片机6旁；所述窗帘14安装于教室窗户处，与直流电机13连接；所述话筒15安装于讲台处；所述音响16安装于教室中间区域旁侧顶端处；所述显示屏17安装于教室中间区域顶端处，用于播放授课期间的实录视频信息供后侧学生观看；所述供电模块19为整个装置供电。

所述摄像头1的像素为200万，分辨率为1980*1080，具有夜视效果，所拍摄图像为高清画质，可用于人脸识别。

所述温度传感器2型号为DS18B20其,体积小、抗干扰能力强、精度高且价格低廉，主要功能为采集室内温度信号并实时将信号传输至单片机6中。

所述湿度传感器3型号为DHT11，其体积小，功耗低、价格低廉，输出为数字信号，与单片机6连接方便。主要功能是将教室室内的湿度信息传输至单片机6中。

所述二氧化碳传感器4型号为MG811，其灵敏度高、稳定性好、精确度高。主要功能是将教室室内的二氧化碳信息传输至单片机6中。

所述计算机5为嵌入式计算机，具有良好的数据运算能力。计算机5有三个功能：接收摄像头1提供的图像信息、利用matlab软件进行图像识别、将matlab计算出的结果以及每节课的课程模式传送至单片机6中。

所述单片机6为ARM芯片，型号为STM32F103RET6。

所述终端11为手机；

所述无线通讯模块12型号为GSM/GPRS SIM900。

本实用新型教室环境智能调控系统的工作原理和工作流程是：

本系统将教室的环境调控分为物理环境调控与授课环境调控，针对不同的环境系统有不同的处理方法：

物理环境调控：非上课期间，滑轨18中的摄像头1将沿滑轨18调整至朝向教室后排学生座位的位置，用来监视教室后方区域，并与处于教室前端天花板一侧用来监测教室前方区域的摄像头1共同采集教室室内的图像信息传送至计算机5中，供计算机5进行图像处理。计算机5将摄像头1拍到的图像与预存于计算机5中的一张具有基准亮度图像进行亮度对比，方法为利用matlab进行灰度差分处理。具有基准亮度的图片为摄像头1在安装位置以相同角度拍摄的包含教室图像的图片。分析完图像的亮度信息后，计算机5根据教室的座椅分布，将教室分为8个区域，其中教室前端天花板一侧摄像头1所拍摄的教室前方区域被分为4个区域，呈“田”字形，滑轨18中的摄像头1所拍摄的教室后方区域也被分为4个区域，呈“田”字形。此后，计算机5将摄像头1拍到的上述8个区域的实时图像每隔一定时间(毫秒级)对比一次，若两张图像有差异，则确认教室对应区域内有物体移动，若变化范围超过经多次试验后设定的阈值，则判断移动物体为人，即判定此区域有人；若变化范围未超过经多次试验后设定的阈值，则判断移动物体为苍蝇、纸张等干扰物体。单片机6通过分析计算机5传送的人员分布信息和室内亮度信息，对电灯7进行智能管理：室内无人，电灯7关闭；室内某个区域有人且室内亮度低于阈值，则打开相应区域电灯7。室内某个区域有人且室内亮度高于阈值，则调控电灯7和窗帘14，从而调节室内亮度。温度传感器2、湿度传感器3和二氧化碳传感器4分别采集教室室内的温度信息、湿度信息和二氧化碳浓度信息，并将对应信息传输至单片机6中。单片机6通过分析计算机5传送的人员分布信息和温度传感器2与湿度传感器3传送的温度与湿度信息，对空调10进行智能管理：室内温(湿)度低，则空调10设定温(湿)度高；室内温(湿)度高，则空调10设定温(湿)度低。单片机6通过分析教室室内的二氧化碳浓度信息来调控控制推拉窗8的推杆电机9，进而控制教室空气流通，具体做法是：室内二氧化碳浓度高于阈值，则打开推拉窗8；室内二氧化碳浓度低于阈值，则关闭推拉窗8；当室内温度过低时，取消推拉窗8的打开状态，此时单片机6打开空调10的换新风模式，完成教室室内外的空气流通。

授课环境调控：上课期间，滑轨18中的摄像头1沿滑轨18移动至预设的拍摄授课视频位置并转向，对教师的授课内容及时传送至计算机5中，计算机5将接收到的实时授课图像信息传输至显示屏17中，供后排学生看清教师授课图像信息。教师授课完毕后，单片机6将移动至拍摄授课视频位置的摄像头1沿滑轨18移动返回至教室中间区域顶端处并转向，继续监视后排学生行为。单片机6打开话筒15和音响16，从而将教师的声音在教室后排进行放大，供后排学生听清教师授课语音信息。教师可通过终端11远程给单片机6发送命令，单片机6执行命令，远程调控电灯7、推拉窗8和窗帘14的闭合状态，从而控制室内亮度，以满足不同授课模式(例如ppt模式、板书模式)下对室内亮度的不同需求。

本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (7)

1.一种教室环境智能调控系统，其特征在于该系统包括摄像头、温度传感器、湿度传感器、二氧化碳传感器、计算机、单片机、电灯、推拉窗、推杆电机、空调、终端、无线通讯模块、直流电机、窗帘、话筒、音响、显示屏、滑轨和供电模块；

所述滑轨安装于教室墙壁上部或者天花板上；一个摄像头安装在教室前端天花板一侧，朝向教室前排学生座位，监视教室前方区域；另一个摄像头安装在滑轨中，朝向教室后排学生座位，监视教室后方区域，或沿滑轨移动至教室前方并转向，用于采集实时授课图像或视频信息；所述摄像头与计算机连接；

所述计算机通过串口线与显示屏连接；所述单片机分别与温度传感器、湿度传感器、二氧化碳传感器、电灯、推杆电机、空调、无线通讯模块、直流电机、话筒和音响连接，通过无线通讯模块与计算机连接或者通过串口线与计算机连接；所述推拉窗与推杆电机连接；所述终端通过无线通讯模块与单片机连接；所述窗帘与直流电机连接；所述音响安装于教室中间区域；所述显示屏安装于教室中间区域，用于播放授课期间的实录视频信息供后侧学生观看；所述供电模块为整个装置供电。

2.根据权利要求1所述的教室环境智能调控系统，其特征在于所述单片机为ARM芯片，型号为STM32F103RET6。

3.根据权利要求1所述的教室环境智能调控系统，其特征在于所述无线通讯模块的型号为GSM/GPRS SIM900。

4.根据权利要求1所述的教室环境智能调控系统，其特征在于所述终端为手机。

5.根据权利要求1所述的教室环境智能调控系统，其特征在于所述温度传感器的型号为DS18B20。

6.根据权利要求1所述的教室环境智能调控系统，其特征在于所述湿度传感器的型号为DHT11。

7.根据权利要求1所述的教室环境智能调控系统，其特征在于所述二氧化碳传感器的型号为MG811。