基于視覺識(shí)別的教室智能節(jié)能控制系統(tǒng)研究

張燁

關(guān)鍵詞： 人數(shù)視覺識(shí)別; 照明管理; 空調(diào)管理; 智能節(jié)能控制; 數(shù)據(jù)對(duì)接; 微信

中圖分類號(hào)： TN915?34; TP273 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）14?0087?04

Study on classroom intelligent energy?saving control system based on visual recognition

ZHANG Ye

（South China Agricultural University， Guangzhou 510642， China）

Abstract： In order to solve the problems of the energy waste and logistics management cost increase caused by the extensive management of classroom lighting and air conditioners in universities， an intelligent energy?saving control system for classrooms was designed based on the population visual recognition technology. The data connection between the system terminal and the server is realized by means of the campus Ethernet and wireless communication. The classroom controller is built based on the visual recognition algorithm to realize the intelligent energy?saving control of the classroom lighting module， the air?conditioning module， the display module and the voice module. The experiment results show that the average accuracy of the identification modules in the 10 classrooms is above 91.2%， and the population counting accuracy is relatively high; the all day average accuracy of the identification module in each classroom is 95.0%， with a standard deviation of 3.52%， which means the stability is relatively high; The classroom lighting and air?conditioning linkage control management strategy can satisfy the use management of lighting and air?conditioning in self?study time or in the absence of people. It plays an important role in improving the working efficiency of college teaching building administrative staff， reducing the cost of human input， as well as promoting the informatization and intellectualization construction of logistics.

Keywords： population visual recognition; lighting management; air conditioner management; intelligent energy?saving control; data connection; wechat

0 ?引 ?言

近年來，隨著教育事業(yè)的快速發(fā)展和高校規(guī)模的不斷擴(kuò)張，高校已成為主要的用能用電大戶，其中教室空調(diào)和照明耗電占高校年總用電量的40%以上[1?2]。目前國(guó)內(nèi)高校教室照明和空調(diào)管理或采用控制系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)助管理[3?8]，通過單片機(jī)“感光控制+熱釋電紅外感應(yīng)”控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)教室內(nèi)無人時(shí)自動(dòng)斷電[9?10];或仍停留在較為傳統(tǒng)的粗放型管理[11]，即通過工作人員定時(shí)巡邏，發(fā)現(xiàn)教室無人則關(guān)閉照明和空調(diào)電源。紅外感應(yīng)感光技術(shù)能識(shí)別教室內(nèi)有無人員，但當(dāng)人不運(yùn)動(dòng)時(shí)容易產(chǎn)生誤判，缺乏精確的人數(shù)識(shí)別計(jì)算[12];傳統(tǒng)的工作人員巡邏模式不能實(shí)時(shí)掌握教室的用電情況，亦容易造成白天教室無人但空調(diào)和燈具全開的現(xiàn)象，管理水平粗放且人力成本過高，不適合大力推廣。同時(shí)，廣大師生節(jié)能意識(shí)淡薄亦是造成教室用能居高不下的主要原因[13]。為此，本文基于視覺識(shí)別技術(shù)，開發(fā)了一種教室智能節(jié)能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過以太網(wǎng)和RS 485傳輸對(duì)教學(xué)樓各教室進(jìn)行布局，通過無線傳輸建立教室終端智能節(jié)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單間教室獨(dú)立運(yùn)行，總服務(wù)器協(xié)同管理的控制策略。同時(shí)，教室控制器通過視覺識(shí)別模塊獲取教室實(shí)時(shí)人數(shù)，自行調(diào)整教室照明和空調(diào)的使用，實(shí)現(xiàn)教室照明和空調(diào)用能的智能化精細(xì)化管理。

1 ?教室智能節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 教室智能節(jié)能控制系統(tǒng)功能

教室智能節(jié)能控制系統(tǒng)的核心功能主要體現(xiàn)在對(duì)教室照明和空調(diào)等主要用能設(shè)備的智能控制、精細(xì)化計(jì)量以及師生的日常節(jié)能管理和教育。系統(tǒng)由校園教學(xué)樓域的數(shù)據(jù)通信和教室終端的智能節(jié)能控制兩部分組成?；谛@以太網(wǎng)絡(luò)組建教學(xué)樓域進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)樓棟服務(wù)器與系統(tǒng)總服務(wù)器的數(shù)據(jù)對(duì)接;通過 RS 485有線通信+無線傳輸，實(shí)現(xiàn)教學(xué)樓服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)、中繼器和教室控制器的數(shù)據(jù)對(duì)接，建立教室照明和空調(diào)的智能控制和數(shù)據(jù)計(jì)量;基于視覺識(shí)別，實(shí)現(xiàn)在自習(xí)狀態(tài)下教室照明和空調(diào)根據(jù)實(shí)際人數(shù)情況進(jìn)行智能控制和管理。系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

1.2 ?系統(tǒng)硬件

由圖1可知，系統(tǒng)主要設(shè)備硬件包括總服務(wù)器、樓棟服務(wù)器、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、中繼器、教室控制器、人數(shù)識(shí)別模塊、單相電表（照明模塊）、三相電表（空調(diào)模塊）、顯示屏（顯示模塊）、多媒體設(shè)備（語音模塊）等，具體參數(shù)如表1所示。其中：數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)和中繼器負(fù)責(zé)樓棟服務(wù)器和教室控制器之間的通信;教室控制器通過采集三相電表和單相電表分別記錄空調(diào)和照明的使用情況，根據(jù)教室設(shè)定上傳數(shù)據(jù)至服務(wù)器，以及下發(fā)命令控制視覺模塊、照明模塊、空調(diào)模塊、顯示模塊和語音模塊運(yùn)行工作;視覺模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測(cè)教室人數(shù)，控制器根據(jù)視覺模塊反饋信息進(jìn)而控制照明和空調(diào)的使用;顯示模塊和語音模塊作為控制器的情景輸出，展示教室人數(shù)情況，并通過語音對(duì)師生進(jìn)行節(jié)能教育。

1.3 ?系統(tǒng)軟件

教室智能節(jié)能控制系統(tǒng)有微信端和網(wǎng)頁端兩種操作界面，通過從服務(wù)器中提取各教室人數(shù)、照明和空調(diào)等信息，自行判斷教室內(nèi)用能情況，微信端和網(wǎng)頁端界面如圖2～圖4所示。

2 ?教室智能節(jié)能控制系統(tǒng)管理策略

2.1 基于機(jī)器視覺的人數(shù)識(shí)別模塊研究

人數(shù)識(shí)別模塊采用機(jī)器視覺，通過內(nèi)置三目攝像設(shè)備實(shí)時(shí)采集教室人數(shù)情況。其中，利用雙目攝像立體視覺算法初步獲取教室人數(shù)，通過第三目攝像機(jī)判斷人的起立、坐下、走動(dòng)等行為動(dòng)作，修正雙目視覺獲取的人數(shù)數(shù)量。人數(shù)識(shí)別模塊在運(yùn)行過程中可對(duì)教室環(huán)境和人數(shù)識(shí)別進(jìn)行自適應(yīng)深度學(xué)習(xí)，能保證對(duì)教室人的動(dòng)作行為檢測(cè)和人數(shù)的精確計(jì)量，為照明和空調(diào)的聯(lián)動(dòng)控制管理提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2 教室照明和空調(diào)聯(lián)動(dòng)控制管理策略

教室照明和空調(diào)聯(lián)動(dòng)控制管理，教室控制器每15 min通過人數(shù)識(shí)別模塊獲取一次教室人數(shù)數(shù)量，根據(jù)人數(shù)情況判斷教室照明和空調(diào)的控制模式，并向照明、空調(diào)、顯示和語音模塊同時(shí)發(fā)出信號(hào)進(jìn)行控制管理。

照明和空調(diào)的聯(lián)動(dòng)控制分3種模式，即上課模式、無課模式和自習(xí)模式，此為最高級(jí)控制策略。若教室處于上課模式，則教室照明和空調(diào)處于全通電狀態(tài)，教室空調(diào)可由教室內(nèi)師生自行決定開關(guān);若教室處于無課模式，則教室照明和空調(diào)處于全斷電狀態(tài)，教室內(nèi)空調(diào)不受師生控制;若教室處于自習(xí)模式，則教室照明和空調(diào)由系統(tǒng)控制，人數(shù)識(shí)別模塊獲取教室實(shí)時(shí)人數(shù)，結(jié)合教室最大容納人員數(shù)量，分3種情景（A，B，C情景）自動(dòng)調(diào)整需要開啟的照明和空調(diào)數(shù)量，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)能控制策略。

3 ?教室智能節(jié)能控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 人數(shù)識(shí)別模塊精確率試驗(yàn)

2018年12月，在第四教學(xué)樓102～106和202～206等10個(gè)教室進(jìn)行了人數(shù)識(shí)別模塊的精確率試驗(yàn)，各教室的人數(shù)識(shí)別精確率計(jì)算公式如下：

[?=1-n-mn×100%]

式中：[?]表示識(shí)別模塊的精確率;[n]表示教室內(nèi)實(shí)際人數(shù);[m]表示識(shí)別模塊檢測(cè)的人數(shù)。

人數(shù)識(shí)別模塊通過三目攝像設(shè)備對(duì)教室內(nèi)人數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，并通過控制器進(jìn)行人數(shù)識(shí)別精確率計(jì)算。從早上8：00開始，每15 min記錄并計(jì)算一次教室人數(shù)精確率，以1 h內(nèi)4次采集的精確率平均值表示該小時(shí)段內(nèi)的人數(shù)識(shí)別情況，以全天各小時(shí)段的精確率平均值表示該教室總體人數(shù)識(shí)別情況。各教室總體人數(shù)識(shí)別精確率情況如表2所示，精確率均在91.2%以上，表明人數(shù)識(shí)別模塊精確度較高。

3.2 人數(shù)識(shí)別模塊穩(wěn)定性試驗(yàn)

選取205教室進(jìn)行識(shí)別模塊的穩(wěn)定性試驗(yàn)，該教室全天各小時(shí)段的人數(shù)識(shí)別情況如圖5所示。由圖5可知，除去8：00—9：00和13：00—14：00兩個(gè)時(shí)段精確率低于90%，其余時(shí)段精確率均大于92.0%。造成這兩個(gè)時(shí)段精確值較低的原因在于，檢測(cè)當(dāng)天這兩個(gè)時(shí)段的教室處于無課狀態(tài)，人數(shù)較少（低于8人），故控制器計(jì)算誤差存在一定的偏大。教室全天的精確率平均值為95.0%，標(biāo)準(zhǔn)差為3.52%，表明人數(shù)識(shí)別模塊的穩(wěn)定性較高，即在一整天時(shí)間內(nèi)人數(shù)識(shí)別模塊均能保證其精確率的精確性和穩(wěn)定性，能有效檢測(cè)教室實(shí)際人數(shù)。

3.3 教室照明和空調(diào)聯(lián)動(dòng)控制

以第四教學(xué)樓204教室為研究對(duì)象，進(jìn)行照明和空調(diào)聯(lián)動(dòng)控制分析。當(dāng)教室處于自習(xí)模式時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)教室照明和空調(diào)聯(lián)動(dòng)控制。通過安裝在教室內(nèi)的人數(shù)識(shí)別模塊，可實(shí)時(shí)獲取教室內(nèi)人數(shù)情況，系統(tǒng)根據(jù)識(shí)別的人數(shù)數(shù)量對(duì)教室內(nèi)的照明、空調(diào)、顯示模塊和語音模塊進(jìn)行控制。教室顯示模塊示意圖如圖6所示。

當(dāng)控制系統(tǒng)收到控制信號(hào)后，立即執(zhí)行教室自習(xí)控制策略，控制策略對(duì)應(yīng)控制信號(hào)分為3種模式：

1） 當(dāng)判斷教室人數(shù)少于M時(shí)，執(zhí)行A模式，即啟動(dòng)A區(qū)域照明和空調(diào)，并通過顯示模塊顯示教室A區(qū)域亮燈，B，C區(qū)域滅燈，同時(shí)啟動(dòng)語音模塊播放“請(qǐng)教室人員到相應(yīng)燈光照明區(qū)域（A區(qū)域）進(jìn)行自習(xí)”;

2） 當(dāng)教室人數(shù)大于M少于N時(shí)，執(zhí)行B模式，即啟動(dòng)A區(qū)域和B區(qū)域照明和空調(diào)，并通過顯示模塊顯示教室A和B區(qū)域亮燈，C區(qū)域滅燈，同時(shí)啟動(dòng)語音模塊播放“請(qǐng)教室人員到相應(yīng)燈光照明區(qū)域（A，B區(qū)域）進(jìn)行自習(xí)”;

3） 當(dāng)判斷教室人數(shù)大于N時(shí)，執(zhí)行C模式，即啟動(dòng)A，B，C區(qū)域照明和空調(diào)，并通過顯示模塊顯示教室A，B，C區(qū)域亮燈，同時(shí)啟動(dòng)語音模塊播放“請(qǐng)教室人員到相應(yīng)燈光照明區(qū)域（A，B，C區(qū)域）進(jìn)行自習(xí)”。在具體的使用過程中，系統(tǒng)的M，N參數(shù)可根據(jù)教室情況人為設(shè)定，從而可以滿足不同教室環(huán)境的各種設(shè)備自動(dòng)控制，始終保持良好的教室環(huán)境質(zhì)量。

3.4 控制系統(tǒng)管理

控制系統(tǒng)具有網(wǎng)頁端和微信端兩種操作界面，管理人員可通過兩種方法對(duì)每個(gè)教室內(nèi)的照明和空調(diào)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。物業(yè)管理人員通過教學(xué)樓的樓棟服務(wù)器對(duì)整個(gè)教學(xué)樓所有教室的照明和空調(diào)進(jìn)行統(tǒng)一操作和管理，并計(jì)量其用電能耗;任課老師通過手機(jī)微信端掃碼教室二維碼系統(tǒng)，可對(duì)教室的照明和空調(diào)進(jìn)行控制。

4 ?結(jié) ?語

本文基于人數(shù)視覺識(shí)別技術(shù)，開發(fā)設(shè)計(jì)了一種教室智能節(jié)能控制系統(tǒng)。結(jié)果表明：教室識(shí)別模塊的平均精確率在91.2%以上，單間教室平均精確率為95.0%，標(biāo)準(zhǔn)差為3.52%，其精確性和穩(wěn)定性較高;基于人數(shù)視覺識(shí)別的教室照明和空調(diào)聯(lián)動(dòng)管理策略的應(yīng)用和控制系統(tǒng)的推廣，能有效解決教室照明和空調(diào)的使用管理問題，顯著提高教學(xué)樓管理人員效率，推動(dòng)后勤信息化智能化建設(shè)。

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