CN213365297U - 一种基于人员识别的智能按需通风控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于人员识别的智能按需通风控制系统，包括架设在室内场合高处的视频监控摄像头以及温度传感器、湿度传感器、风扇和基于树莓派的控制器；基于树莓派的控制器中含有前景像素识别模块、人员计数模块、环境数据采集模块和风量调控模块，前景像素识别模块与人员计数模块连接，人员计数模块和环境数据采集模块与风量调控模块连接；视频监控摄像头与前景像素识别模块信号连接，温度传感器、湿度传感器与环境数据采集模块信号连接，风量调控模块与风扇信号连接。本实用新型的物理架构在基于图像处理的人员识别技术及相应控制逻辑的配合下，有利于实现根据识别室内人数和分布而调整风扇转速、转向的智能化节能调控，有利于节省能耗。

Description

一种基于人员识别的智能按需通风控制系统

技术领域

本实用新型属于节能调控领域，具体涉及一种基于人员识别的智能按需通风控制系统。

背景技术

在上个世纪，风扇就已经在我国公共场合普及，许多大型商场、礼堂、教室和车间等场合均使用风扇通风。但无论在场人员是多是少，这些场合的风扇往往都是以最大功率送风，即使大家有节能意识，也没法经常根据室内人员数量去实时调控风扇的转速，这就产生了较严重的能源浪费。因此对于人员数量变化快的空间，恒定以最大风速送风已不能适应我国当前能源发展“节能减排”的基本政策。

据研究表明，建筑能耗占全球总能耗的30%，占全球电力消耗的55%。而在建筑能耗中，又以暖通空调（供暖、通风与空调）系统所占的比重最大（约50%），因此如何优化建筑暖通空调系统运行，在保证热舒适与空气品质的同时提高其运行能效是目前节能减排的重要工作。

过去，人们忽视了室内人员对建筑能耗、室内环境和运行优化的重要影响，在设计中过分简化了人员因素，在运行中没有有效的人员检测手段，导致实际建筑的运行能效低下。

相比于固定输出（如固定新风比、固定风速）的暖通空调控制，根据实际负荷需求对暖通空调系统进行相应的优化控制是提高系统性能的有效策略，以通风为例，该类控制技术常被称为“按需”通风。但是，由于人员、天气等因素的随机性较强，如何准确高效地确定实时的通风需求是实际工程的一大难点。

实用新型内容

为了满足上述需求，本实用新型提供了一种基于人员识别的智能按需通风控制系统，为室内场合的暖通空调系统实现智能化节能调控提供物理架构。

为解决上述技术问题，实现上述技术效果，本实用新型通过以下技术方案实现：

一种基于人员识别的智能按需通风控制系统，包括视频监控摄像头、温度传感器、湿度传感器、基于树莓派的控制器和风扇；所述视频监控摄像头架设在所需通风的室内场合的高处，用于获得所述室内场合的视频图像，捕捉人员数量；所述室内场合内设置所述温度传感器和所述湿度传感器，且所述温度传感器和所述湿度传感器中均含有A/D转换器；所述室内场合内设置至少一台用于通风的所述风扇，且所述风扇支持模拟控制调速；所述基于树莓派的控制器直接设置在所述室内场合内或远程设置在控制室内，用于数据整合处理与判断信号输出；树莓派单片机是尺寸仅有信用卡大小的微型电脑主板，具有电脑的基本功能，树莓派的IO引脚是开放的，可以通过引脚连接各种电子设备、电路模块、电子元件及各类传感器，实现其他应用方向的智能化控制；所述基于树莓派的控制器中含有前景像素识别模块、人员计数模块、环境数据采集模块和风量调控模块，并且所述前景像素识别模块与所述人员计数模块连接，所述人员计数模块和所述环境数据采集模块同时与所述风量调控模块连接；所述前景像素识别模块用于识别所述视频监控摄像头拍摄的视频图像的前景像素量，预测所述室内场合的真实人数，所述人员计数模块用于利用输入的前景像素量，通过线性回归模型估算所述室内场合的真实人数，所述环境数据采集模块用于分析各个环境测量传感器传回的环境监测数据，所述风量调控模块用于将估算出的真实人数与分析出的环境监测数据相结合，生成风速控制信号，调控所述风扇的风量；所述视频监控摄像头与所述基于树莓派的控制器中的所述前景像素识别模块信号连接，所述温度传感器、所述湿度传感器分别通过各自对应的所述A/D转换器与所述基于树莓派的控制器中的所述环境数据采集模块信号连接，所述基于树莓派的控制器中的所述风量调控模块则与所述风扇信号连接。

进一步的，所述视频监控摄像头为通过USB或网线连接的视频监控摄像头。

进一步的，所述视频监控摄像头为标清广角视频监控摄像头，以便减少较大空间内所述视频监控摄像头的使用数量。

进一步的，所述视频监控摄像头为红外广角视频监控摄像头，可以确保在所述室内场合内的光线或照明较弱时，继续进行视频图像的采集。

进一步的，所述视频监控摄像头与监控显示器信号连接，所述监控显示器远程设置在所述控制室内，以便工作人员能够同时观察到所述室内场合中的监控画面。

进一步的，所述温度传感器和所述湿度传感器为两个相互独立的环境测量传感器，或为一个集温度、湿度测量于一体的多功能环境测量传感器。

进一步的，所述风扇为支持PWM调速的风扇，PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或 MOS 管栅极的偏置，来实现晶体管或 MOS 管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的功率改变，控制所述风扇电机以不同转速运行。

进一步的，所述基于树莓派的控制器可以设计成一个只含有一片树莓派单片机的控制接线盒，比较适合单个室内场合的风量调控使用，该控制接线盒可以直接安装在某个所述室内场合内，从而降低安装难度和成本；另外所述基于树莓派的控制器可以设计成一个集多片树莓派单片机为一体的综合控制器，比较适合调控多个室内场合风量调控使用，该综合控制器可以远程设置在控制室的机房内或就近设置于小型专用弱电箱（可节省布线成本），各个室内场合中的所述视频监控摄像头、所述温度传感器、所述湿度传感器和所述风扇都与该综合控制器中对应的树莓派单片机信号连接，从而实现集中化管理。

进一步的，所述室内场合内设置有空气质量传感器和空气净化设备，所述基于树莓派的控制器中含有与所述环境数据采集模块连接的净化控制模块，所述空气质量传感器内含有A/D转换器，所述空气质量传感器通过其所述A/D转换器与所述基于树莓派的控制器中的所述环境数据采集模块信号连接，所述基于树莓派的控制器中的所述净化控制模块与所述空气净化设备信号连接；所述空气质量传感器用于监测所述室内场合的空气质量数据，所述净化控制模块用于根据所述空气质量传感器传回的空气质量数据，判断所述室内场合当前空气质量的优劣，生成空气净化信号，控制所述空气净化设备开启或关闭，在对所述室内场合通风的同时进行空气净化。

进一步的，所述风扇安装在一个风扇转向装置上，该风扇转向装置通过舵机或步进电机实现转向，所述基于树莓派的控制器中含有与所述前景像素识别模块连接的风向调控模块，所述风向调控模块与所述风扇转向装置信号连接；所述风扇转向装置用于调节所述风扇的风向，所述风向调控模块用于根据所述前景像素识别模块识别出的前景像素量分布情况，判断所述室内场合当前人员的分布，生成风扇转向信号，通过控制所述风扇转向装置转向并优先调控所述风扇朝向人多的地方送风。

本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型为室内场合暖通空调系统实现智能化节能调控提供了一套物理架构，该物理架构结构简单，设计合理，安装便捷，管理方便，成本较低，在基于图像处理的人员识别技术以及相应控制逻辑的配合下，有利于实现根据识别室内人数和分布而调整风扇转速、转向的智能化节能调控，有利于在满足人体舒适度的同时（即通风需求），避免在室内人员稀少时造成的能源浪费，有利于节省建筑能耗，为社会的可持续发展添砖加瓦。

2、本实用新型所采用的树莓派单片机是尺寸仅有信用卡大小的微型电脑主板，具有电脑的基本功能，但价格远低于电脑，而且树莓派的IO引脚是开放的，可以通过引脚连接各种电子设备、电路模块、电子元件及各类传感器，因此本实用新型的基于树莓派的控制器具有应用成本低、集成度高、扩展性强、设置方便、可应用范围广等优点。

3、同时，由于我国常见场合的风扇基本无法根据人员数量进行自动调速，因此存在较大的节能潜力，而且由于现代建筑已广泛普及视频监控系统，我国目前架设的摄像机接近1.5亿台，因此本实用新型所采用的基于图像处理的人员识别系统可接入点较为广泛，人员数量估计精度高，并且经过实验测算，根据室内人数变化而自动调节送风转速可节能约47.3%，市场应用前景非常广阔。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本实用新型的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型第一种实施例的结构示意图；

图2为本实用新型第二种实施例的结构示意图；

图3为本实用新型第三种实施例的结构示意图；

图4为本实用新型第四种实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本实用新型。此处所作说明用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

参见图1所示，一种基于人员识别的智能按需通风控制系统，包括视频监控摄像头1、温度传感器2、湿度传感器3、基于树莓派的控制器4和风扇5；所述视频监控摄像头1架设在所需通风的室内场合6的高处，用于获得所述室内场合6的视频图像，捕捉人员数量；所述室内场合6内设置所述温度传感器2和所述湿度传感器3，且所述温度传感器2和所述湿度传感器3中均含有A/D转换器7；所述室内场合6内设置至少一台用于通风的所述风扇5，且所述风扇5支持模拟控制调速；所述基于树莓派的控制器4直接设置在所述室内场合6内或远程设置在控制室内，用于数据整合处理与判断信号输出；树莓派单片机是尺寸仅有信用卡大小的微型电脑主板，具有电脑的基本功能，树莓派的IO引脚是开放的，可以通过引脚连接各种电子设备、电路模块、电子元件及各类传感器，实现其他方向的智能化控制；所述基于树莓派的控制器4中含有前景像素识别模块401、人员计数模块402、环境数据采集模块403和风量调控模块404，并且所述前景像素识别模块401与所述人员计数模块402连接，所述人员计数模块402和所述环境数据采集模块403同时与所述风量调控模块404连接；所述前景像素识别模块401用于识别所述视频监控摄像头1拍摄的视频图像的前景像素量，预测所述室内场合6的真实人数，所述人员计数模块402用于利用输入的前景像素量，通过线性回归模型估算所述室内场合6的真实人数，所述环境数据采集模块403用于分析各个环境测量传感器传回的环境监测数据，所述风量调控模块404用于将估算出的真实人数与分析出的环境监测数据相结合，生成风速控制信号，调控所述风扇5的风量；所述视频监控摄像头1与所述基于树莓派的控制器4中的所述前景像素识别模块401信号连接，所述温度传感器2、所述湿度传感器3分别通过各自对应的所述A/D转换器7与所述基于树莓派的控制器4中的所述环境数据采集模块403信号连接，所述基于树莓派的控制器4中的所述风量调控模块404则与所述风扇5信号连接。

作为进一步的实施例，所述视频监控摄像头1为通过USB或网线连接的视频监控摄像头。

作为进一步的实施例，所述视频监控摄像头1为标清广角视频监控摄像头，以便减少较大空间内所述视频监控摄像头1的使用数量。

作为进一步的实施例，所述视频监控摄像头1为红外广角视频监控摄像头，可以确保在所述室内场合6内的光线或照明较弱时，继续进行视频图像的采集。

作为进一步的实施例，参见图2所示，所述视频监控摄像头1与监控显示器8信号连接，所述监控显示器8远程设置在所述控制室内，以便工作人员能够同时观察到所述室内场合6中的监控画面。

作为进一步的实施例，所述温度传感器2和所述湿度传感器3为两个相互独立的环境测量传感器，或为一个集温度、湿度测量于一体的多功能环境测量传感器。

作为进一步的实施例，所述风扇5为支持PWM调速的风扇，PWM（Pulse WidthModulation）脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或 MOS 管栅极的偏置，来实现晶体管或 MOS 管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的功率改变，控制所述风扇5的电机以不同转速运行。

作为进一步的实施例，所述基于树莓派的控制器4可以设计成一个只含有一片树莓派单片机的控制接线盒，比较适合单个室内场合的风量调控使用，该控制接线盒可以直接安装在某个所述室内场合6内，从而降低安装难度和成本；另外所述基于树莓派的控制器4可以设计成一个集多片树莓派单片机为一体的综合控制器，比较适合调控多个室内场合风量调控使用，该综合控制器可以远程设置在控制室的机房内或就近设置于小型专用弱电箱可节省布线成本，各个室内场合中的所述视频监控摄像头1、所述温度传感器2、所述湿度传感器3和所述风扇5都与该综合控制器中对应的树莓派单片机信号连接，从而实现集中化管理。

作为进一步的实施例，参见图3所示，所述室内场合6内设置有空气质量传感器9和空气净化设备10，所述基于树莓派的控制器4中含有与所述环境数据采集模块403连接的净化控制模块405，所述空气质量传感器9内含有A/D转换器7，所述空气质量传感器9通过其所述A/D转换器7与所述基于树莓派的控制器4中的所述环境数据采集模块403信号连接，所述基于树莓派的控制器4中的所述净化控制模块405与所述空气净化设备10信号连接；所述空气质量传感器9用于监测所述室内场合6的空气质量数据，所述净化控制模块405用于根据所述空气质量传感器9传回的空气质量数据，判断所述室内场合6当前空气质量的优劣，生成空气净化信号，控制所述空气净化设备10开启或关闭，在对所述室内场合6通风的同时进行空气净化。

作为进一步的实施例，参见图4所示，所述风扇5安装在一个风扇转向装置11上，该风扇转向装置通过舵机或步进电机实现转向，所述基于树莓派的控制器4中含有与所述前景像素识别模块401连接的风向调控模块406，所述风向调控模块406与所述风扇转向装置11信号连接；所述风扇转向装置11用于调节所述风扇5的风向，所述风向调控模块406用于根据所述前景像素识别模块401识别出的前景像素量分布情况，判断所述室内场合6当前人员的分布，生成风扇转向信号，通过控制所述风扇转向装置11转向调控所述风扇5并优先朝向人多的地方送风。

本实用新型的工作原理及过程如下：

对于空间较小的室内场合6，如卧室、教室或办公室等，则可以只在安装一套本系统；而对于空间较大的室内场合6，如厂房、礼堂或商场等，则可以在其不同区域安装多套本系统；然后分别将视频监控摄像头1、温度传感器2湿度传感器3以及风扇5与基于树莓派的控制器4上的对应接口连接。

系统运行时，视频监控摄像头1实时拍摄室内场合6内的视频图像，捕捉人员数量，并将视频图像输入基于树莓派的控制器4内，温度传感器2和湿度传感器3分别实时监测室内场合6的温度数据和湿度数据，并将温度数据和湿度数据输入基于树莓派的控制器4内；视频图像经过基于树莓派的控制器4的图像处理和数据处理，预估当前室内场合6中的真实人数，输出经处理后的人员密度信息，最后基于树莓派的控制器4根据人员密度信息以及温度、湿度等环境数据，推导出当前室内场合6通风所需的风速，并生成风速控制信号，对风扇5的风量进行实时调控，其基本的控制逻辑是在室内人数较少时以小风速运行，在室内人数增加时，逐渐增大风速。

如果在系统中加装有空气质量传感器9和空气净化设备10，则在对室内场合6进行风量调控的同时，还可以对室内场合6的空气质量进行净化。空气质量传感器9实时监测室内场合6的空气质量，并将空气质量数据传回基于树莓派的控制器4中的净化控制模块405，净化控制模块405根据传回的空气质量数据，判断室内场合6当前空气质量的优劣，生成空气净化信号，控制空气净化设备10开启或关闭，对室内场合6进行空气净化或停止空气净化。

如果在系统中加装有风扇转向装置11，则基于树莓派的控制器4中风向调控模块406会根据前景像素识别模块401识别出的前景像素量分布情况，实时判断室内场合6当前人员的分布，生成风扇转向信号，通过控制风扇转向装置转向，调控风扇优先朝向人多的地方送风。

本实用新型仅仅提供了一套实现室内场合暖通空调系统智能化节能调控的物理架构，不涉及用于识别人员的图像处理算法的保护，也不涉及根据人员数量变化的风量调控逻辑方法的保护。此处需要强调的是，以下对于现有的基于图像的人员识别检测技术以及基于人数的风量调控技术的介绍，仅仅是为了对本实用新型可行性和真实性的一种补充说明，本实用新型并不要求对该基于图像的人员识别检测技术寻求保护。

基于图像的人员识别检测技术的主要机理是利用高空的摄像头精准捕获移动的人员，基于采集的包含人员的视频，利用图像处理算法处理分离出前景像素数据，提取前景像素数量，根据区域像素密度建立人群密度的回归模型，从而估算人员数量。

针对目前环境信息和通信技术的人员检测方法存在检测精度低、易受干扰等缺点，本实用新型在运行时可以选择自适应自组织网络算法（LBASOM）作为人员数量算法，此算法基于像素，计算速度快，而且对人员隐私没有侵犯。

基于人数的风量调控技术是一种根据所获知的人数多少来将风扇调节到相对应风量的控制逻辑，例如风量调控逻辑可以设定为当人数为1-3人时，将风量控制在一挡，当人数为4-6人时，将风量控制在二挡，当人数为7-9人时，将风量控制在三挡，当人数到达10人及以上时，将风量控制在第四挡或最大挡等等。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于人员识别的智能按需通风控制系统，其特征在于：包括视频监控摄像头（1）、温度传感器（2）、湿度传感器（3）、基于树莓派的控制器（4）和风扇（5）；所述视频监控摄像头（1）架设在所需通风的室内场合（6）的高处，用于获得所述室内场合（6）的视频图像，捕捉人员数量，所述室内场合（6）内设置所述温度传感器（2）和所述湿度传感器（3），且所述温度传感器（2）和所述湿度传感器（3）中均含有A/D转换器（7），所述室内场合（6）内设置至少一台用于通风的所述风扇（5），且所述风扇（5）支持模拟控制调速，所述基于树莓派的控制器（4）直接设置在所述室内场合（6）内或远程设置在控制室内，所述基于树莓派的控制器（4）中含有前景像素识别模块（401）、人员计数模块（402）、环境数据采集模块（403）和风量调控模块（404），并且所述前景像素识别模块（401）与所述人员计数模块（402）连接，所述人员计数模块（402）和所述环境数据采集模块（403）同时与所述风量调控模块（404）连接；所述视频监控摄像头（1）与所述基于树莓派的控制器（4）中的所述前景像素识别模块（401）信号连接，所述温度传感器（2）、所述湿度传感器（3）分别通过各自对应的所述A/D转换器（7）与所述基于树莓派的控制器（4）中的所述环境数据采集模块（403）信号连接，所述基于树莓派的控制器（4）中的所述风量调控模块（404）则与所述风扇（5）信号连接。

2.根据权利要求1所述的基于人员识别的智能按需通风控制系统，其特征在于：所述视频监控摄像头（1）为通过USB或网线连接的视频监控摄像头。

3.根据权利要求2所述的基于人员识别的智能按需通风控制系统，其特征在于：所述视频监控摄像头（1）为标清广角视频监控摄像头。

4.根据权利要求3所述的基于人员识别的智能按需通风控制系统，其特征在于：所述视频监控摄像头（1）为红外广角视频监控摄像头。

5.根据权利要求1所述的基于人员识别的智能按需通风控制系统，其特征在于：所述视频监控摄像头（1）与监控显示器（8）信号连接，所述监控显示器（8）远程设置在所述控制室内。

6.根据权利要求1所述的基于人员识别的智能按需通风控制系统，其特征在于：所述温度传感器（2）和所述湿度传感器（3）为两个相互独立的环境测量传感器，或为一个集温度、湿度测量于一体的多功能环境测量传感器。

7.根据权利要求1所述的基于人员识别的智能按需通风控制系统，其特征在于：所述风扇（5）为支持PWM调速的风扇。

8.根据权利要求1所述的基于人员识别的智能按需通风控制系统，其特征在于：所述基于树莓派的控制器（4）为含有一片树莓派单片机的控制接线盒，或为含有多片树莓派单片机的综合控制器。

9.根据权利要求1所述的基于人员识别的智能按需通风控制系统，其特征在于：所述室内场合（6）内设置有空气质量传感器（9）和空气净化设备（10），所述基于树莓派的控制器（4）中含有与所述环境数据采集模块（403）连接的净化控制模块（405），所述空气质量传感器（9）内含有A/D转换器（7），所述空气质量传感器（9）通过其所述A/D转换器（7）与所述基于树莓派的控制器（4）中的所述环境数据采集模块（403）信号连接，所述基于树莓派的控制器（4）中的所述净化控制模块（405）与所述空气净化设备（10）信号连接。

10.根据权利要求1所述的基于人员识别的智能按需通风控制系统，其特征在于：所述风扇（5）安装在一个风扇转向装置（11）上，所述基于树莓派的控制器（4）中含有与所述前景像素识别模块（401）连接的风向调控模块（406），所述风向调控模块（406）与所述风扇转向装置（11）信号连接。

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