基于视觉识别的教室智能节能控制系统研究

张烨

关键词： 人数视觉识别; 照明管理; 空调管理; 智能节能控制; 数据对接; 微信

中图分类号： TN915?34; TP273                文献标识码： A                      文章编号： 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

近年来，随着教育事业的快速发展和高校规模的不断扩张，高校已成为主要的用能用电大户，其中教室空调和照明耗电占高校年总用电量的40%以上[1?2]。目前国内高校教室照明和空调管理或采用控制系统进行协助管理[3?8]，通过单片机“感光控制+热释电红外感应”控制技术实现教室内无人时自动断电[9?10];或仍停留在较为传统的粗放型管理[11]，即通过工作人员定时巡逻，发现教室无人则关闭照明和空调电源。红外感应感光技术能识别教室内有无人员，但当人不运动时容易产生误判，缺乏精确的人数识别计算[12];传统的工作人员巡逻模式不能实时掌握教室的用电情况，亦容易造成白天教室无人但空调和灯具全开的现象，管理水平粗放且人力成本过高，不适合大力推广。同时，广大师生节能意识淡薄亦是造成教室用能居高不下的主要原因[13]。为此，本文基于视觉识别技术，开发了一种教室智能节能控制系统。该系统通过以太网和RS 485传输对教学楼各教室进行布局，通过无线传输建立教室终端智能节能系统，实现单间教室独立运行，总服务器协同管理的控制策略。同时，教室控制器通过视觉识别模块获取教室实时人数，自行调整教室照明和空调的使用，实现教室照明和空调用能的智能化精细化管理。

1  教室智能节能控制系统设计

1.1 教室智能节能控制系统功能

教室智能节能控制系统的核心功能主要体现在对教室照明和空调等主要用能设备的智能控制、精细化计量以及师生的日常节能管理和教育。系统由校园教学楼域的数据通信和教室终端的智能节能控制两部分组成。基于校园以太网络组建教学楼域进行实时数据通信，实现楼栋服务器与系统总服务器的数据对接;通过 RS 485有线通信+无线传输，实现教学楼服务器、网关、中继器和教室控制器的数据对接，建立教室照明和空调的智能控制和数据计量;基于视觉识别，实现在自习状态下教室照明和空调根据实际人数情况进行智能控制和管理。系统设计图如图1所示。

1.2  系统硬件

由图1可知，系统主要设备硬件包括总服务器、楼栋服务器、数据网关、中继器、教室控制器、人数识别模块、单相电表（照明模块）、三相电表（空调模块）、显示屏（显示模块）、多媒体设备（语音模块）等，具体参数如表1所示。其中：数据网关和中继器负责楼栋服务器和教室控制器之间的通信;教室控制器通过采集三相电表和单相电表分别记录空调和照明的使用情况，根据教室设定上传数据至服务器，以及下发命令控制视觉模块、照明模块、空调模块、显示模块和语音模块运行工作;视觉模块负责实时检测教室人数，控制器根据视觉模块反馈信息进而控制照明和空调的使用;显示模块和语音模块作为控制器的情景输出，展示教室人数情况，并通过语音对师生进行节能教育。

1.3  系统软件

教室智能节能控制系统有微信端和网页端两种操作界面，通过从服务器中提取各教室人数、照明和空调等信息，自行判断教室内用能情况，微信端和网页端界面如图2～图4所示。

2  教室智能节能控制系统管理策略

2.1 基于机器视觉的人数识别模块研究

人数识别模块采用机器视觉，通过内置三目摄像设备实时采集教室人数情况。其中，利用双目摄像立体视觉算法初步获取教室人数，通过第三目摄像机判断人的起立、坐下、走动等行为动作，修正双目视觉获取的人数数量。人数识别模块在运行过程中可对教室环境和人数识别进行自适应深度学习，能保证对教室人的动作行为检测和人数的精确计量，为照明和空调的联动控制管理提供数据基础。

2.2 教室照明和空调联动控制管理策略

教室照明和空调联动控制管理，教室控制器每15 min通过人数识别模块获取一次教室人数数量，根据人数情况判断教室照明和空调的控制模式，并向照明、空调、显示和语音模块同时发出信号进行控制管理。

照明和空调的联动控制分3种模式，即上课模式、无课模式和自习模式，此为最高级控制策略。若教室处于上课模式，则教室照明和空调处于全通电状态，教室空调可由教室内师生自行决定开关;若教室处于无课模式，则教室照明和空调处于全断电状态，教室内空调不受师生控制;若教室处于自习模式，则教室照明和空调由系统控制，人数识别模块获取教室实时人数，结合教室最大容纳人员数量，分3种情景（A，B，C情景）自动调整需要开启的照明和空调数量，实现动态调整节能控制策略。

3  教室智能节能控制系统的实现

3.1 人数识别模块精确率试验

2018年12月，在第四教学楼102～106和202～206等10个教室进行了人数识别模块的精确率试验，各教室的人数识别精确率计算公式如下：

[?=1-n-mn×100%]

式中：[?]表示识别模块的精确率;[n]表示教室内实际人数;[m]表示识别模块检测的人数。

人数识别模块通过三目摄像设备对教室内人数进行实时记录，并通过控制器进行人数识别精确率计算。从早上8：00开始，每15 min记录并计算一次教室人数精确率，以1 h内4次采集的精确率平均值表示该小时段内的人数识别情况，以全天各小时段的精确率平均值表示该教室总体人数识别情况。各教室总体人数识别精确率情况如表2所示，精确率均在91.2%以上，表明人数识别模块精确度较高。

3.2 人数识别模块稳定性试验

选取205教室进行识别模块的稳定性试验，该教室全天各小时段的人数识别情况如图5所示。由图5可知，除去8：00—9：00和13：00—14：00两个时段精确率低于90%，其余時段精确率均大于92.0%。造成这两个时段精确值较低的原因在于，检测当天这两个时段的教室处于无课状态，人数较少（低于8人），故控制器计算误差存在一定的偏大。教室全天的精确率平均值为95.0%，标准差为3.52%，表明人数识别模块的稳定性较高，即在一整天时间内人数识别模块均能保证其精确率的精确性和稳定性，能有效检测教室实际人数。

3.3 教室照明和空调联动控制

以第四教学楼204教室为研究对象，进行照明和空调联动控制分析。当教室处于自习模式时，系统自动启动教室照明和空调联动控制。通过安装在教室内的人数识别模块，可实时获取教室内人数情况，系统根据识别的人数数量对教室内的照明、空调、显示模块和语音模块进行控制。教室显示模块示意图如图6所示。

当控制系统收到控制信号后，立即执行教室自习控制策略，控制策略对应控制信号分为3种模式：

1） 当判断教室人数少于M时，执行A模式，即启动A区域照明和空调，并通过显示模块显示教室A区域亮灯，B，C区域灭灯，同时启动语音模块播放“请教室人员到相应灯光照明区域（A区域）进行自习”;

2） 当教室人数大于M少于N时，执行B模式，即启动A区域和B区域照明和空调，并通过显示模块显示教室A和B区域亮灯，C区域灭灯，同时启动语音模块播放“请教室人员到相应灯光照明区域（A，B区域）进行自习”;

3） 当判断教室人数大于N时，执行C模式，即启动A，B，C区域照明和空调，并通过显示模块显示教室A，B，C区域亮灯，同时启动语音模块播放“请教室人员到相应灯光照明区域（A，B，C区域）进行自习”。在具体的使用过程中，系统的M，N参数可根据教室情况人为设定，从而可以满足不同教室环境的各种设备自动控制，始终保持良好的教室环境质量。

3.4 控制系统管理

控制系统具有网页端和微信端两种操作界面，管理人员可通过两种方法对每个教室内的照明和空调进行实时控制。物业管理人员通过教学楼的楼栋服务器对整个教学楼所有教室的照明和空调进行统一操作和管理，并计量其用电能耗;任课老师通过手机微信端扫码教室二维码系统，可对教室的照明和空调进行控制。

4  结  语

本文基于人数视觉识别技术，开发设计了一种教室智能节能控制系统。结果表明：教室识别模块的平均精确率在91.2%以上，单间教室平均精确率为95.0%，标准差为3.52%，其精确性和稳定性较高;基于人数视觉识别的教室照明和空调联动管理策略的应用和控制系统的推广，能有效解决教室照明和空调的使用管理问题，显著提高教学楼管理人员效率，推动后勤信息化智能化建设。

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