WO2019237596A1 - 基于场景的智能照明集成控制系统和方法 - Google Patents

基于场景的智能照明集成控制系统和方法 Download PDF

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    • Y02B20/40—Control techniques providing energy savings, e.g. smart controller or presence detection

Definitions

  • the intelligent control terminal connects to the cloud platform through WiFi and sends instructions to the cloud platform.
  • the cloud platform communicates with the intelligent gateway through the wide area network, and the intelligent gateway communicates with the IoT terminal equipment through the internal private network to control the IoT terminal equipment.
  • This embodiment also provides a control method based on the scenario-based intelligent lighting integrated control system, including an automatic control method.
  • an intelligent control terminal judges a current course according to a school curriculum, and determines a scene mode to be adopted according to the current course, and sends a scene mode corresponding to the current course to an IoT terminal device according to the control model. Control instructions, so that each light fixture in the classroom is displayed in a state corresponding to the scene mode.

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Abstract

本发明公开了基于场景的智能照明集成控制系统和方法，它包括云平台、智能控制终端、物联网终端设备、智能网关、大数据分析模块；智能控制终端通过WiFi连接云平台，并向云平台发送指令，云平台通过广域网与智能网关通信，智能网关通过内部专网与物联网终端设备进行通信，从而对物联网终端设备进行控制；大数据分析模块通过分析特征数据对智能控制模块进行控制模型的建立，或对已建立的控制模型进行校准，控制模型包括基于各场景模式而对物联网终端设备所进行设定的照明参数。将教学的不同场景融入到照明中来，可以针对不同的教学场景提供定制化的照明方案。

Description

基于场景的智能照明集成控制系统和方法 技术领域
本发明涉及一种基于场景的智能照明集成控制系统和方法。
背景技术
我国中小学生每天约80％的时间在教室里，当教室采光和照明条件不足、光线过暗，学生就会本能地靠近书本，时间一久，自然会使眼睛屈光系统产生变化，导致近视发生。在国家自然科学基金项目《基于光生物效应的教室健康照明研究》实验中更科学地表明，学校教室照明将直接影响学生学习效率及视力健康。目前有越来越多的学校意识到照明对学生视力影响的重要性，着手开始进行灯光改造工程，升级了原有的照明方式。近年来，随着教学场景和教学手段的多样化，教室照明的需求也在多样化，而不同教学场景对照明的需求是不一样的。
现有技术中披露了较多的教师智能照明控制系统及方法，如：申请号为CN201610652819.5的发明专利公开了一种教室智能照明控制系统，通过照度传感器来感知外界的自然亮度来控制灯的开或者关以及通过红外传感器来感知教室里面是否存在学生，来控制灯具的开或者关；申请号为CN201620296897.1的本实用新型专利公开了一种教室智能照明管理装置，基于学校教学作息时间、光照度和学生使用人数综合控制管理教室照明，主要控制开关，达到节能；申请号为CN201620690738.X的发明专利公开了一种基于人体感应的公共教室智能照明控制系统，主要通过环境光检测模块来感知外界的自然亮度来控制灯的开或者关以及通过人体检测模块来感知教室里面是否存在学生，来控制灯具的开或者关，达到节能。申请号为CN201621014956.8的实用新型公开了一种教室智能照明系统，主要结合环境亮度传感器和亮度调节器来感知外界的自然亮度并控制灯的开、关和亮度，以及通过人体热释红外传感器来感知教室里面是否存在学生，来控制灯具的开或者关，达到节能；申请号为CN201320098103.7的实用新型公开了一种教室智能照明系统，主要通过光电传感电路来感知外界的自然亮度来控制灯的开、关，和调节亮度，以及通过红外电子进出门计数电路来 计算教室里面是否存在学生，来控制灯具的开或者关，达到节能；申请号为CN201420143998.6的实用新型公开了一种教室智能照明系统，主要通过光电传感器采集光环境信息数据，使用人体红外传感器采集红外信息数据，完成对教室照度监控和有无人监控，同时结合自然信息进行对教室整体光环境探测，并依据监控数据对照明设施进行控制，达到节能。
综上可见，虽然现有技术中关于智能教室照明有关的方案很多，但是重点都是通过智能控制来达到节能的目的，其他手段是通过控制灯具的开和关，或者是开关加上亮度调节的双重控制，主要功能体现在管理和节能方面，缺少了对灯光的更细致的调节与设定(亮度和色温的不同组合)以及对具体的教学场景和灯光之间关系的进一步研究。将照明和教学场景的具体结合还属于空白，不能精确分析学生学习不同场景下的照明特殊需求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于场景的智能照明集成控制系统和方法，将教学的不同场景融入到照明中来，可以针对不同的教学场景提供定制化的照明方案。
本发明提出的基于场景的智能照明集成控制系统，它包括云平台、智能控制终端、物联网终端设备、智能网关、大数据分析模块；
智能控制终端通过WiFi连接云平台，并向云平台发送指令，云平台通过广域网与智能网关通信，智能网关通过内部专网与物联网终端设备进行通信，从而实现对物联网终端设备进行控制；
大数据分析模块通过分析特征数据对智能控制终端进行控制模型的建立，或对已建立的控制模型进行校准，控制模型包括基于各场景模式而对物联网终端设备所进行设定的照明参数。
进一步地，智能网关具有协议处理模块、通讯模块，协议处理模块与通讯模块之间为双向通讯连接，通讯模块包括RF2.4通讯模组、Wi-Fi通讯模组、蓝牙通讯模组中的至少一种。
进一步地，物联网终端设备包括至少一个终端设备和与终端设备相一一对应的至少一个节点控制器，节点控制器用于对与之对应的终端设备和智能网关 之间进行通讯。
更进一步地，终端设备包括至少一个设置在教室内的灯具。
进一步地，内部专网包括RF2.4G、BLE、433、Wi-Fi或ZigBee。
进一步地，特征数据包括学生成绩数据、物联网终端设备控制行为数据。
本发明还提出了一种基于上述的基于场景的智能照明集成控制系统的控制方法，包括自动控制方法，该自动控制方法由智能控制终端根据学校的课程表来判断当前课程，并根据当前课程判断应采用的场景模式，依据控制模型对物联网终端设备发送与当前课程相应的场景模式的控制指令。
进一步地，控制模型建立的方法为：
当样本数量小于一定数量时，分别输入或导入学生成绩数据样本和物联网终端设备控制行为数据样本，采用组间统计测试方法，筛选找出最优学生成绩数据所对应的物联网终端设备控制行为数据，而建立对应各场景模式的物联网终端设备的照明参数，输出控制模型；
当样本数量达到一定量级时，引入新特征数据，导入学生成绩数据样本、物联网终端设备控制行为数据样本以及新特征数据样本，并筛选出有用的数据样本供学习使用，然后将筛选出的数据样本提取不同的特征组合，进行模型调优后输出控制模型，模型调优方法为：将提取不同特征组合的数据样本随机分成训练数据集和测试数据集，分别进行模型训练，训练数据集用于训练模型，测试数据集用于评价每次训练完成后最终模型的性能；随着数据样本的不断增加，重复模型调优，并输出调优后的控制模型。
进一步地，包括手动控制方法，即根据实际需求人为手动设定物联网终端设备的照明参数。
进一步地，场景模式包括标准模式、理科授课模式、文科授课模式、表演模式、PPT模式、课间模式、自习模式、考试模式中的至少一种；物联网终端设备的照明参数包括照度和色温中的至少一种。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
1.引入了基于学校课程表分时段策略的控制方式，针对不同的教学场景对教室照明模式动态调节，在提高了系统控制的自动化程度的同时也更好的满足 了不同课程对照明的不同使用需求；
2.引入了基于学校教学场景多样化的控制方式，能够根据特定的教学场景，通过多种方式对教室里的照明环境进行控制，在提高了系统控制的自动化程度的同时也更好的满足了不同教学场景对照明的不同使用需求；
3.引入了自动场景模式和手动模式相结合的控制方式，允许根据教学需要进行手动调节，提高了控制的灵活性和易用性；
4.引入了灯光色温的调节，传统的教室照明以冷光为主，其实，暖光更护眼，更有利于保护学生的眼睛，改善学生的视力状况。
5.系统能够集成学生各科学习成绩数据，通过分析比较确定动态照明模式对各班级学生学习绩效的影响，从而可以进一步优化照明模式配置策略。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明基于场景的智能照明集成控制系统的结构示意图；
图2为本发明基于场景的智能照明集成控制系统和方法中智能网关的结构示意图；
图3为本发明基于场景的智能照明集成控制方法中自动控制方法的流程示意图；
图4为本发明基于场景的智能照明集成控制方法中场景模式的设定来源示意图；
图5为本发明基于场景的智能照明集成控制方法中数据样本较小时控制模块建立的流程示意图；
图6为本发明基于场景的智能照明集成控制方法中数据样本较大时的控制模块建立的流程示意图；
图7是本发明基于场景的智能照明集成控制系统和方法中智能控制终端自动控制和手动控制(即场景模式和手动模式)的工作流程；
图8是本发明基于场景的智能照明集成控制系统和方法的具体应用的流程 图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参考附图1至附图8，基于场景的智能照明集成控制系统，它包括云平台、智能控制终端、物联网终端设备、智能网关、大数据分析模块。
智能控制终端通过WiFi连接云平台，并向云平台发送指令，云平台通过广域网与智能网关通信，智能网关通过内部专网与物联网终端设备进行通信，从而实现对物联网终端设备进行控制。
大数据分析模块通过分析特征数据对智能控制模块进行控制模型的建立，或对已建立的控制模型进行校准，控制模型包括基于各场景模式而对物联网终端设备所进行设定的照明参数。上述的特征数据包括学生成绩数据、物联网终端设备控制行为数据。
具体地，物联网终端设备包括至少一个终端设备和与终端设备相一一对应的至少一个节点控制器，节点控制器用于对与之对应的终端设备和智能网关之间进行通讯。终端设备包括至少一个设置在教室内的灯具，本实施例中包括黑板灯和照明灯。
智能网关作为本基于场景的智能照明集成控制系统的核心部件，如附图2所示，其具有协议处理模块、通讯模块，协议处理模块与通讯模块之间为双向通讯连接，通讯模块包括RF2.4通讯模组、Wi-Fi通讯模组、蓝牙通讯模组中的至少一种。智能网关还包括业务逻辑模块以及其他功能模块，但业务逻辑模块及其他功能模块不是本申请的发明点，因此不做具体描述。
上述的内部专网包括RF2.4G、BLE、433、Wi-Fi或ZigBee。
本实施例还提供了一种基于上述的基于场景的智能照明集成控制系统的控制方法，包括自动控制方法。参考附图3，该自动控制方法由智能控制终端根据学校的课程表来判断当前课程，并根据当前课程判断应采用的场景模式，依据控制模型对物联网终端设备发送与当前课程相应的场景模式的控制指令，从而使教室内的各灯具设备显示为对应场景模式的状态。
本实施例中，结合学校的课程表给出了一组场景模式的设定方案，场景模式包括标准模式、理科授课模式、文科授课模式、表演模式、PPT模式、课间模式、自习模式、考试模式中的至少一种。以上所述的场景模式，在实际应用中可以根据实际情况进行删减或增加。而物联网终端设备的照明参数包括物联网终端设备的照明参数包括照度和色温中的至少一种。
这里给出一组场景模式相应的照明方案(包括具体照明参数的设定)：
标准模式的设定：常规照明场景、黑板灯、照明灯的灯具照度350lux，色温6000K；
理科授课模式的设定：黑板灯照度800lux，色温6500K，照明灯照度300lux，色温6500K；
文科授课模式的设定：黑板灯照度800lux，色温5000K，照明灯照度300lux，色温5000K；
表演模式的设定：黑板灯照度800lux，色温5000K，照明灯关闭；
PPT模式设定：黑板灯关闭，照明灯照度从前往后100lux、200lux、300lux，色温5000K；
课间模式设定：黑板灯关闭，照明灯照度从前往后200lux，色温3000K；
自习模式设定：黑板灯关闭，照明灯照度从前往后500lux，色温5000K；
考试模式设定：黑板灯关闭，照明灯照度从前往后650lux，色温6500K。
以上场景模式对灯具亮度和色温的设定值为优选实施方案，具体数值可以根据实际情况上下浮动。
上述的控制模型建立，可参考附图4，通过大数据分析模块，结合学生成绩数据和物联网终端设备控制行为数据(即灯具行为控制数据，包括照明参数)，建立二者之间的相关性，然后再通过采用组间统计的测试方法(ANOVA)建立起控制模型，设定各场景模式的照明方案，并且随着案例越来越丰富，数据量越来越大，之后会通过机器学习的方法来模型调优，使模型越来越来精确，场景也会越来越科学。
控制模型建立的具体方法：
①当样本数量小于一定数量(可根据实际情况来具体设定，本实施例中设 定为500)时，分别输入或导入学生成绩数据样本和物联网终端设备控制行为数据样本，采用组间统计测试方法，筛选找出最优学生成绩数据所对应的物联网终端设备控制行为数据，而建立对应各场景模式的物联网终端设备的照明参数，输出控制模型。
参照附图5，本实施例给出了一种初期数据样本比较小的控制模型建模方法，包括以下步骤：
步骤1：先输入年级、班级、科目的学生成绩数据样本；
步骤2：输入对应的年级、班级、科目教学场景时候的灯光亮度和色温数据，以及对应的使用时长和频率；
步骤3：初期当数据样本比较小的时候(如样本数量小于500)使用ANOVA方差分析的方法找出比较优化的对应各场景模式的照明方案。即通过出控制变量(亮度和色温)，筛选找出最优的观测变量(各科目的成绩)的均值和标准差；得到控制模型，并输出模型；
步骤4：当有新的数据样本的时候(且样本数量小于500)，重复步骤1、步骤2和步骤3。
②当样本数量达到一定量级时(可根据实际情况来具体设定)，引入新特征数据，该新特征数据的类别可根据实际情况决定，可包括但不限于年龄、地区、性别、家庭状况等，采用机器学习方法，训练更精细、更优化的模型。具体为：导入学生成绩数据样本、物联网终端设备控制行为数据样本以及新特征数据样本，并筛选出有用的数据样本供学习使用，然后将筛选出的数据样本提取不同的特征组合，进行模型调优后输出控制模型，模型调优方法为：将提取不同特征组合的数据样本随机分成训练数据集和测试数据集，分别进行模型训练，训练数据集用于训练模型，测试数据集用于评价每次训练完成后最终模型的性能；随着数据样本的不断增加，重复模型调优，并输出调优后的控制模型。
参照附图6，本实施例给出了一种基于初期建立的控制模型，后期数据样本足够大的控制模型建模方法，包括以下步骤：
步骤1：导入学生成绩数据样本、物联网终端设备控制行为数据样本以及新特征数据样本；
步骤2：筛选出有用的数据样本供学习使用；
步骤3：将步骤2中筛选出的数据样本提取不同的特征组合，并将数据样本随机分成训练数据集和测试数据集，分别进行模型训练，训练数据集用于训练模型，测试数据集用于评价每次训练完成后最终模型的性能；
步骤4：输出控制模型；
步骤5：随着数据样本的不断增加，重复步骤1、步骤2、步骤3和步骤4。
本基于上述的基于场景的智能照明集成控制系统的控制方法，还包括手动控制方法，即根据实际需求人为手动设定物联网终端设备的照明参数。从而，可以进行人为控制和切换场景模式。如附图7，给出了一种智能控制终端自动控制和手动控制(即场景模式和手动模式)的工作流程。
这里还给出一种基于场景的智能照明集成控制系统和方法的具体应用，参考附图8，教室配备了物联网终端设备(包括灯具和节点控制器)、智能控制终端、智能网关，并且教室配有Wi-Fi网络可以连接广域网。先将学校的课程信息配置入云平台，可以手动方式录入，也可以文档方式导入。默认情况下，云平台会去判断当前的课程信息，如果发现是文科课程，则会自动发送文科场景模式的照明指令；如果发现是理科课程，则会自动发送理科场景模式的照明指令；如果发现是表演课程，则会自动发送表演模式的照明指令；如果发现是课间休息，则会自动发送课间模式的照明指令；当老师人为去控制或者切换场景的时候，系统会自动的将操作权交还至老师的手上，如需要演示PPT、进行小测验或是考试的时候。人为干预之后，系统会自动再将操作权回收回去。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

  1. 基于场景的智能照明集成控制系统，其特征在于：它包括云平台、智能控制终端、物联网终端设备、智能网关、大数据分析模块；
    所述的智能控制终端通过WiFi连接云平台，并向云平台发送指令，所述云平台通过广域网与所述智能网关通信，所述智能网关通过内部专网与所述物联网终端设备进行通信，从而对物联网终端设备进行控制；
    所述大数据分析模块通过分析特征数据对智能控制终端进行控制模型的建立，或对已建立的控制模型进行校准，所述的控制模型包括基于各场景模式而对物联网终端设备所进行设定的照明参数。
  2. 根据权利要求1所述的基于场景的智能照明集成控制系统，其特征在于：所述的智能网关具有协议处理模块、通讯模块，所述协议处理模块与通讯模块之间为双向通讯连接，所述的通讯模块包括RF2.4通讯模组、Wi-Fi通讯模组、蓝牙通讯模组中的至少一种。
  3. 根据权利要求1所述的基于场景的智能照明集成控制系统，其特征在于：所述的物联网终端设备包括至少一个终端设备和与所述终端设备相一一对应的至少一个节点控制器，所述节点控制器用于对与之对应的终端设备和所述智能网关之间进行通讯。
  4. 根据权利要求3所述的基于场景的智能照明集成控制系统，其特征在于：所述的终端设备包括至少一个设置在教室内的灯具。
  5. 根据权利要求1所述的基于场景的智能照明集成控制系统，其特征在于：所述的内部专网包括RF2.4G、BLE、433、Wi-Fi或ZigBee。
  6. 根据权利要求1所述的基于场景的智能照明集成控制系统，其特征在于：所述的特征数据包括学生成绩数据、物联网终端设备控制行为数据。
  7. 一种基于权利要求1-6所述的基于场景的智能照明集成控制系统的控制方法，其特征在于：包括自动控制方法，该自动控制方法由所述智能控制终端根据学校的课程表来判断当前课程，并根据当前课程判断应采用的场景模式，依据控制模型对物联网终端设备发送与当前课程相应的场景模式的控制指令。
  8. 根据权利要求7所述的基于场景的智能照明集成控制方法，其特征在于：所述的控制模型建立的方法为：
    当样本数量小于一定数量时，分别输入或导入学生成绩数据样本和物联网终端设备控制行为数据样本，采用组间统计测试方法，筛选找出最优学生成绩数据所对应的物联网终端设备控制行为数据，而建立对应各场景模式的物联网终端设备的照明参数，输出控制模型；
    当样本数量达到一定量级时，引入新特征数据，导入学生成绩数据样本、物联网终端设备控制行为数据样本以及新特征数据样本，并筛选出有用的数据样本供学习使用，然后将筛选出的数据样本提取不同的特征组合，进行模型调优后输出控制模型，所述模型调优方法为：将提取不同特征组合的数据样本随机分成训练数据集和测试数据集，分别进行模型训练，所述训练数据集用于训练模型，所述测试数据集用于评价每次训练完成后最终模型的性能；随着数据样本的不断增加，重复所述模型调优，并输出调优后的控制模型。
  9. 根据权利要求7基于所述的基于场景的智能照明集成控制方法，其特征在于：包括手动控制方法，即根据实际需求人为手动设定物联网终端设备的照明参数。
  10. 根据权利要求7所述的基于场景的智能照明集成控制方法，其特征在于：所述的场景模式包括标准模式、理科授课模式、文科授课模式、表演模式、PPT模式、课间模式、自习模式、考试模式中的至少一种；所述物联网终端设备的照明参数包括照度和色温中的至少一种。
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Title
HWA-SOO LEE: "A Development of a Lighting Control System Based on Conte- xt-Awareness for the Improvement of Learning Efficiency in Classroom", WIRELESS PERSONAL COMMUNICATIONS, vol. 86, 31 January 2016 (2016-01-31) *

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