基于視覺識別的教室智能節能控制系統研究

張燁

關鍵詞： 人數視覺識別; 照明管理; 空調管理; 智能節能控制; 數據對接; 微信

中圖分類號： TN915?34; TP273 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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，隨著教育事業的快速發展和高校規模的不斷擴張，高校已成為主要的用能用電大戶，其中教室空調和照明耗電占高校年總用電量的40%以上[1?2]。目前國內高校教室照明和空調管理或采用控制系統進行協助管理[3?8]，通過單片機“感光控制+熱釋電紅外感應”控制技術實現教室內無人時自動斷電[9?10];或仍停留在較為傳統的粗放型管理[11]，即通過工作人員定時巡邏，發現教室無人則關閉照明和空調電源。紅外感應感光技術能識別教室內有無人員，但當人不運動時容易產生誤判，缺乏精確的人數識別計算[12];傳統的工作人員巡邏模式不能實時掌握教室的用電情況，亦容易造成白天教室無人但空調和燈具全開的現象，管理水平粗放且人力成本過高，不適合大力推廣。同時，廣大師生節能意識淡薄亦是造成教室用能居高不下的主要原因[13]。為此，本文基于視覺識別技術，開發了一種教室智能節能控制系統。該系統通過以太網和RS 485傳輸對教學樓各教室進行布局，通過無線傳輸建立教室終端智能節能系統，實現單間教室獨立運行，總服務器協同管理的控制策略。同時，教室控制器通過視覺識別模塊獲取教室實時人數，自行調整教室照明和空調的使用，實現教室照明和空調用能的智能化精細化管理。

1 ?教室智能節能控制系統設計

1.1 教室智能節能控制系統功能

教室智能節能控制系統的核心功能主要體現在對教室照明和空調等主要用能設備的智能控制、精細化計量以及師生的日常節能管理和教育。系統由校園教學樓域的數據通信和教室終端的智能節能控制兩部分組成。基于校園以太網絡組建教學樓域進行實時數據通信，實現樓棟服務器與系統總服務器的數據對接;通過 RS 485有線通信+無線傳輸，實現教學樓服務器、網關、中繼器和教室控制器的數據對接，建立教室照明和空調的智能控制和數據計量;基于視覺識別，實現在自習狀態下教室照明和空調根據實際人數情況進行智能控制和管理。系統設計圖如圖1所示。

1.2 ?系統硬件

由圖1可知，系統主要設備硬件包括總服務器、樓棟服務器、數據網關、中繼器、教室控制器、人數識別模塊、單相電表（照明模塊）、三相電表（空調模塊）、顯示屏（顯示模塊）、多媒體設備（語音模塊）等，具體參數如表1所示。其中：數據網關和中繼器負責樓棟服務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和照明的使用情況，根據教室設定上傳數據至服務器，以及下發命令控制視覺模塊、照明模塊、空調模塊、顯示模塊和語音模塊運行工作;視覺模塊負責實時檢測教室人數，控制器根據視覺模塊反饋信息進而控制照明和空調的使用;顯示模塊和語音模塊作為控制器的情景輸出，展示教室人數情況，并通過語音對師生進行節能教育。

1.3 ?系統軟件

教室智能節能控制系統有微信端和網頁端兩種操作界面，通過從服務器中提取各教室人數、照明和空調等信息，自行判斷教室內用能情況，微信端和網頁端界面如圖2～圖4所示。

2 ?教室智能節能控制系統管理策略

2.1 基于機器視覺的人數識別模塊研究

人數識別模塊采用機器視覺，通過內置三目攝像設備實時采集教室人數情況。其中，利用雙目攝像立體視覺算法初步獲取教室人數，通過第三目攝像機判斷人的起立、坐下、走動等行為動作，修正雙目視覺獲取的人數數量。人數識別模塊在運行過程中可對教室環境和人數識別進行自適應深度學習，能保證對教室人的動作行為檢測和人數的精確計量，為照明和空調的聯動控制管理提供數據基礎。

2.2 教室照明和空調聯動控制管理策略

教室照明和空調聯動控制管理，教室控制器每15 min通過人數識別模塊獲取一次教室人數數量，根據人數情況判斷教室照明和空調的控制模式，并向照明、空調、顯示和語音模塊同時發出信號進行控制管理。

照明和空調的聯動控制分3種模式，即上課模式、無課模式和自習模式，此為最高級控制策略。若教室處于上課模式，則教室照明和空調處于全通電狀態，教室空調可由教室內師生自行決定開關;若教室處于無課模式，則教室照明和空調處于全斷電狀態，教室內空調不受師生控制;若教室處于自習模式，則教室照明和空調由系統控制，人數識別模塊獲取教室實時人數，結合教室最大容納人員數量，分3種情景（A，B，C情景）自動調整需要開啟的照明和空調數量，實現動態調整節能控制策略。

3 ?教室智能節能控制系統的實現

3.1 人數識別模塊精確率試驗

2018年12月，在第四教學樓102～106和202～206等10個教室進行了人數識別模塊的精確率試驗，各教室的人數識別精確率計算公式如下：

[?=1-n-mn×100%]

式中：[?]表示識別模塊的精確率;[n]表示教室內實際人數;[m]表示識別模塊檢測的人數。

人數識別模塊通過三目攝像設備對教室內人數進行實時記錄，并通過控制器進行人數識別精確率計算。從早上8：00開始，每15 min記錄并計算一次教室人數精確率，以1 h內4次采集的精確率平均值表示該小時段內的人數識別情況，以全天各小時段的精確率平均值表示該教室總體人數識別情況。各教室總體人數識別精確率情況如表2所示，精確率均在91.2%以上，表明人數識別模塊精確度較高。

3.2 人數識別模塊穩定性試驗

選取205教室進行識別模塊的穩定性試驗，該教室全天各小時段的人數識別情況如圖5所示。由圖5可知，除去8：00—9：00和13：00—14：00兩個時段精確率低于90%，其余時段精確率均大于92.0%。造成這兩個時段精確值較低的原因在于，檢測當天這兩個時段的教室處于無課狀態，人數較少（低于8人），故控制器計算誤差存在一定的偏大。教室全天的精確率平均值為95.0%，標準差為3.52%，表明人數識別模塊的穩定性較高，即在一整天時間內人數識別模塊均能保證其精確率的精確性和穩定性，能有效檢測教室實際人數。

3.3 教室照明和空調聯動控制

以第四教學樓204教室為研究對象，進行照明和空調聯動控制分析。當教室處于自習模式時，系統自動啟動教室照明和空調聯動控制。通過安裝在教室內的人數識別模塊，可實時獲取教室內人數情況，系統根據識別的人數數量對教室內的照明、空調、顯示模塊和語音模塊進行控制。教室顯示模塊示意圖如圖6所示。

當控制系統收到控制信號后，立即執行教室自習控制策略，控制策略對應控制信號分為3種模式：

1） 當判斷教室人數少于M時，執行A模式，即啟動A區域照明和空調，并通過顯示模塊顯示教室A區域亮燈，B，C區域滅燈，同時啟動語音模塊播放“請教室人員到相應燈光照明區域（A區域）進行自習”;

2） 當教室人數大于M少于N時，執行B模式，即啟動A區域和B區域照明和空調，并通過顯示模塊顯示教室A和B區域亮燈，C區域滅燈，同時啟動語音模塊播放“請教室人員到相應燈光照明區域（A，B區域）進行自習”;

3） 當判斷教室人數大于N時，執行C模式，即啟動A，B，C區域照明和空調，并通過顯示模塊顯示教室A，B，C區域亮燈，同時啟動語音模塊播放“請教室人員到相應燈光照明區域（A，B，C區域）進行自習”。在具體的使用過程中，系統的M，N參數可根據教室情況人為設定，從而可以滿足不同教室環境的各種設備自動控制，始終保持良好的教室環境質量。

3.4 控制系統管理

控制系統具有網頁端和微信端兩種操作界面，管理人員可通過兩種方法對每個教室內的照明和空調進行實時控制。物業管理人員通過教學樓的樓棟服務器對整個教學樓所有教室的照明和空調進行統一操作和管理，并計量其用電能耗;任課老師通過手機微信端掃碼教室二維碼系統，可對教室的照明和空調進行控制。

4 ?結 ?語

本文基于人數視覺識別技術，開發設計了一種教室智能節能控制系統。結果表明：教室識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%，標準差為3.52%，其精確性和穩定性較高;基于人數視覺識別的教室照明和空調聯動管理策略的應用和控制系統的推廣，能有效解決教室照明和空調的使用管理問題，顯著提高教學樓管理人員效率，推動后勤信息化智能化建設。

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