基于模糊控制的教室中央空調(diào)與照明智能節(jié)能系統(tǒng)

趙欣 李歡 歐劍

（綿陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川省綿陽(yáng)市 621000）

1 引言

隨著21 世紀(jì)我國(guó)高校辦學(xué)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各高校及城市重點(diǎn)中小校學(xué)生人數(shù)、教職員工人數(shù)成倍增長(zhǎng)，校園建筑面積也有了大幅度的提高，這使建筑能耗成為了這些學(xué)校的重要資金消耗項(xiàng)目。按照日本和中國(guó)的能源單位分類標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)?；旧隙紝儆谝活惸茉垂芾韱挝唬茨昴芎恼酆碾?200 萬(wàn)Kw.h 以上），能源的使用費(fèi)用支出過(guò)大，嚴(yán)重影響高校教學(xué)和科研[2]。雖然各個(gè)學(xué)校已認(rèn)識(shí)到建筑節(jié)能的重要性，開(kāi)展了一系列建筑節(jié)能工作，但節(jié)能效果不佳，大部分仍然是高能耗建筑，在這種狀況下，設(shè)計(jì)教室中央空調(diào)與照明智能節(jié)能系統(tǒng)，有利于加快在學(xué)校建筑中全面推進(jìn)建筑節(jié)能，是節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、改善建筑功能、降低學(xué)校經(jīng)費(fèi)開(kāi)支的重要措施，對(duì)建設(shè)“節(jié)能型”高校具有十分重要的意義[1]。

2 方案設(shè)計(jì)

在本智能節(jié)能系統(tǒng)中，為了讓中央空調(diào)和照明的控制滿足自控、節(jié)能的基本需求，主要通過(guò)兩個(gè)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。一個(gè)是對(duì)視頻監(jiān)控采集的圖像進(jìn)行處理，從而得到教室內(nèi)人員分布情況，從而合理的控制風(fēng)機(jī)盤(pán)管設(shè)備和照明設(shè)備的啟停；另一個(gè)是通過(guò)對(duì)教室內(nèi)溫度的采集，從而控制空調(diào)的溫度。節(jié)能控制方案如圖1 所示。

3 人物識(shí)別與定位

針對(duì)教室內(nèi)人員情況，是采用圖像技術(shù)對(duì)攝像機(jī)上傳的圖片進(jìn)行處理，從而得到教室內(nèi)人員的分布情況。在這個(gè)基礎(chǔ)之上，開(kāi)啟對(duì)應(yīng)教室區(qū)域的中央空調(diào)設(shè)備和燈光，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能控制。

3.1 人物識(shí)別

對(duì)教室內(nèi)的人物識(shí)別，采用了背景減除的方法。根據(jù)背景模型與當(dāng)前采集圖像的對(duì)比，找到有差異的像素歸為前景目標(biāo)，沒(méi)有差異的像素歸類為背景，即是背景減除[9]。

攝像頭采集一張教室內(nèi)無(wú)人的圖像作為背景圖片，然后在教室有人的情況下采集一張圖片作為目標(biāo)圖片。將兩張圖片進(jìn)行處理。

采集的背景圖片和目標(biāo)圖片如圖2 所示。

得到背景相減之后的二值化圖像如圖3 所示。

從圖像上可以看出，存在人物的區(qū)域?yàn)榘咨纱丝梢灾澜淌覂?nèi)是否有人存在。

3.2 區(qū)域定位

根據(jù)中央空調(diào)的風(fēng)機(jī)盤(pán)管安裝位置，把教室分成了4 個(gè)區(qū)域，也就是說(shuō)每個(gè)風(fēng)機(jī)盤(pán)管負(fù)著教室一個(gè)區(qū)域的空調(diào)效果。理想化的區(qū)域劃分如圖4 所示。

圖1：節(jié)能控制方案

圖2：背景圖和目標(biāo)圖

圖3：二值化圖像

如此劃分的主要目的，是為了通過(guò)識(shí)別相應(yīng)區(qū)域中是否存在人物，來(lái)開(kāi)啟或關(guān)閉區(qū)域中的風(fēng)機(jī)盤(pán)管設(shè)備。

區(qū)域劃分的坐標(biāo)圖如圖5 所示。

教室的長(zhǎng)為2a，寬為2b，設(shè)定教室圖片的中點(diǎn)為O'點(diǎn)。首先可以得到在XOY 坐標(biāo)系中點(diǎn)A 的坐標(biāo)(g,f),點(diǎn)O'的坐標(biāo)為(a,b)。

表1：E 的隸屬度

表2：U 的隸屬度

表3：控制表

其次以X'O'Y'建立新的坐標(biāo)系，通過(guò)坐標(biāo)移動(dòng)，可以得到點(diǎn)A 在X'O'Y'坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(g',f')，其中g(shù)'=g-a,f'=f-b。那么，可以由此得到公式（1）。

經(jīng)過(guò)區(qū)域化分的教室二值化圖片如圖6 所示。

由圖中可以看出，一個(gè)人物是會(huì)跨區(qū)域存在的，并且，在實(shí)際操作中，凳子移動(dòng)對(duì)區(qū)域的定位的干擾是巨大的。為了減少這些干擾，本文對(duì)二值化圖片中各個(gè)區(qū)域的像素點(diǎn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，通過(guò)公式（2）來(lái)計(jì)算：

A：區(qū)域中為1 的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)。

B：區(qū)域中總的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)。

C：誤差調(diào)整參數(shù)，取值(-1,1)。

圖4：理論上區(qū)域劃分

X：比例值，精確到小數(shù)點(diǎn)后2 位。

A 和B 的取值可以通過(guò)上位機(jī)運(yùn)算得到。由于各個(gè)教室環(huán)境的不同，C 的值是通過(guò)實(shí)際的調(diào)試而設(shè)置的，用于比例值的修正。

通過(guò)工程項(xiàng)目的實(shí)際調(diào)試，在各個(gè)區(qū)域中，判別是否有人的X取值見(jiàn)公式（3）：

圖5：區(qū)域坐標(biāo)劃分

圖6：區(qū)域劃分的二值化圖像

圖7：控制結(jié)構(gòu)

圖8：一周內(nèi)用電情況

圖9：一月內(nèi)用電情況

對(duì)于判定有人的區(qū)域，空調(diào)和照明會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟，若判定無(wú)人，則空調(diào)和照明會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

4 智能節(jié)能溫度控制方法

4.1 控制方法選擇

從控制理論的觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)中央空調(diào)的控制必須結(jié)合實(shí)際，從多個(gè)方面來(lái)考慮，根據(jù)中央空調(diào)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，用傳統(tǒng)方法來(lái)建立精確的數(shù)學(xué)模型是相當(dāng)困難。經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐表明，模糊控制應(yīng)用于該系統(tǒng)時(shí)，都有十分良好的表現(xiàn)。因此，本系統(tǒng)采用模糊控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)空調(diào)的溫度控制。

4.2 模糊控制的實(shí)現(xiàn)

從工程項(xiàng)目的實(shí)際情況考慮，這里采用了單輸入單輸出的方式?？刂平Y(jié)構(gòu)圖如圖7 所示。

設(shè)定溫度T0=24℃，T 為教室內(nèi)實(shí)測(cè)溫度，E=T0-T 為溫度誤差，空調(diào)的模糊控制區(qū)為18℃～30℃，溫差范圍±6℃，溫度采樣分辨率為1℃,采樣周期30s，溫度控制增量U=±6℃，空調(diào)面板溫度控制范圍16℃～30℃。

把E 的論域量化為7 級(jí){-3，-2，-1,0,+1,+2,+3}，每級(jí)相差3℃，E 的模糊語(yǔ)言分為如下7 檔{PB,PM,PS,Z,NS,NM,NB},得到E 的隸屬度賦值見(jiàn)表1。

把U 的論域量化為7 級(jí){-3,-2,-1,0,+1,+2,+3}，每級(jí)相差2℃，E 的模糊語(yǔ)言分為如下7 檔{PB,PM,PS,Z,NS,NM,NB},得到U 的隸屬度賦值見(jiàn)表2。

得到以下控制規(guī)則：

歸納為E×U 的模糊關(guān)系R，見(jiàn)公式（4）：

求Ri(i=1,2,3…,7)的運(yùn)算按下式進(jìn)行，見(jiàn)公式（5）：

得到：

得到系統(tǒng)模糊控制規(guī)則R 后，當(dāng)采樣得到的偏差E 作為模糊控制器的輸入，就能得到相應(yīng)的空置量U，見(jiàn)公式（6）：

用Zadeh 的表示方法：

按最大隸屬度法，應(yīng)選取控制量-1 級(jí)。

按上述運(yùn)算方法，依次代入計(jì)算，求出控制表見(jiàn)表3。

把控制表存入網(wǎng)絡(luò)控制器的儲(chǔ)存芯片，通過(guò)程序以查詢功能實(shí)現(xiàn)控制?？照{(diào)啟動(dòng)時(shí)，初始設(shè)定為16℃，全力制冷；室內(nèi)溫度到30℃，進(jìn)入模糊控制區(qū)域，面板設(shè)定溫度自動(dòng)調(diào)整為18℃。以此類推，實(shí)現(xiàn)模糊控制。

5 節(jié)能效果分析

本系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用共覆蓋教室59 間，本文選取了11月和3月(氣候環(huán)境和課程安排情況都非常接近)的用電數(shù)據(jù)作為對(duì)比，來(lái)對(duì)系統(tǒng)的節(jié)能效果進(jìn)行分析。

一周內(nèi)的用電情況如圖8 所示。

一個(gè)月內(nèi)的用電情況如圖9 所示。

系統(tǒng)運(yùn)行之后，可以節(jié)約14.14%的電能，基本達(dá)到了節(jié)能的要求。

6 總結(jié)

通過(guò)圖像處理技術(shù)，利用模糊控制算法，可以實(shí)現(xiàn)教室的中央空調(diào)與照明的智能節(jié)能控制。本文所研究的節(jié)能系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)行測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果，對(duì)實(shí)現(xiàn)大型建筑的照明智能化控制具有一定的理論指導(dǎo)作用和實(shí)用價(jià)值。