一种人体和亮度感知的教室智能控制方法与流程

本发明属于智能控制、自动化，具体涉及一种人体和亮度感知的教室智能控制方法。

背景技术：

1、随着社会进步，新生代的教学环境得到与日俱增的重视，尤其是关乎学生健康的领域。在校园中，教室作为学生学习生活的主要场所，教室的亮度对学生的眼睛健康尤为重要，合理并且科学地调节教室光线可以极大地保护学生视力健康。同时，教学过程如果需要不同的亮度环境来配合学校和老师的教学工作，教室的亮度调节可利于提高教学质量和效率。另外在校园中，教室的灯光对能源的消耗并非无足轻重，人为地控制开关灯难以避免人为操作疏忽的时候，造成能源的浪费，因此一套自动化的灯光控制系统可以极大地节约能源，有利于社会的可持续发展。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种人体和亮度感知的教室智能控制方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

2、为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供一种人体和亮度感知的教室智能控制方法，所述方法包括以下步骤：

3、部署人体和亮度感知装置；

4、通过人体和亮度感知装置识别人体和教室空间亮度获得感知信号；

5、根据感知信号进行设备控制。

6、进一步地，部署人体和亮度感知装置的方法是：以单个教室或多功能室为单元，每个单元设立一个配置有自组网的边缘控制面板，以一个教室或多功能室作为一个单元，以边缘控制面板作为单元中一个灯管控系统的边缘管理器，边缘控制面板内置控制和管理程序来实现对设备的识别，设备属性识别，设备位置与功能识别，设备组网，灯控设备对教室或多功能室灯和黑板灯分组和绑定控制，灯控设备对教室窗帘的分组和绑定控制，执行各控制模式和照明场景，测量设备的状态，对设备初始化等功能。

7、进一步地，通过人体和亮度感知装置识别人体和教室空间亮度获得感知信号的方法是，人体和亮度感知装置配有微波或(和)红外人体感应器，通过微波或(和)红外人体感应器感知人体存在，获得人体存在信号；人体和亮度感知装置配有亮度传感器，通过亮度传感器监测教室空间亮度，获得亮度测量值；人体存在信号和教室空间亮度测量值构成感知信号。

8、进一步地，部署人体和亮度感知装置的方法是，每个人体和亮度感知装置带身份识别功能，配置有通讯技术，可自动识别教室空间的人体和亮度感知装置并且进行自组网，通过自组网进行人体和亮度感知装置之间的通讯。

9、进一步地，部署人体和亮度感知装置的方法是，人体和亮度感知装置在控制电路上均具有2个3档位可选择性的开关；其中一开关对应单元内左、中、右位置，另一开关对应单元内前(黑板方向)、中、后位置；单元内的人体和亮度感知装置结合两个开关可自动识别的位置有：左边前位人体和位亮度感知装置、左边中位人体和亮度感知装置、左边后位人体和亮度感知装置、中间前位人体和亮度感知装置、中间中位人体和亮度感知装置、中间后位人体和亮度感知装置、右边前位人体和亮度感知装置、右边中位人体和亮度感知装置、右边后位人体和亮度感知装置。

10、进一步地，根据感知信号进行设备控制的方法是，为使得单元内亮度均匀，减小外部环境对单元内亮度的影响，在单元内带窗户的两侧或(和)在中部分别配置一个或多个人体和亮度感知装置，各个人体和亮度感知装置各自独立绑定两侧教室灯和两侧窗帘控制装置来进行亮度控制管理；

11、当带窗户的两侧部署装有在两侧的前、中、后位置的人体和亮度感知装置，就分别与部署在前、中、后位置的灯分别对应地绑定，以进行亮度调节控制；当两侧部署装只有在两侧的前和后位置的人体和亮度感知装置，当其中一侧人体和亮度感知装置首先获得感知信号并需要调节灯的亮度时，在置于其自身前位(非中间)的灯或在置于其自身后位(非中间)的灯首先进行绑定亮度调节控制，而中位的灯随后再进行亮度调节控制，中位位置的灯的亮度控制是依据前位和后位的人体和亮度感知装置的当前亮度测量值的平均值来控制；当人体和位亮度感知装置感知到不同位置区域的亮度测量值的差异达到阈值，或当亮度测量值与设定的亮度值的差距达到阈值，通过该阈值差来判定和驱动控制对应的那一侧的窗帘进行关闭，在通过人体和亮度感知装置来自动控制教室空间的亮度；

12、当带窗户的两侧在中间排列的灯有部署人体和亮度感知装置时，按上述窗户的两侧的控制方法绑定进行亮度控制达到教室空间的均匀亮度；当以窗户为两侧在中间排列的灯没有部署人体和亮度感知装置时，窗户为两侧在中间排列前、中、后的灯根据两侧各自对应的前、中、后人体和亮度感知装置的当前亮度测量值的平均值执行亮度调节控制；

13、进一步地，根据感知信号进行设备控制的方法是，当单元内的灯执行亮度调节控制时，灯的亮度在一段时间内从当前输出亮度值平滑地逐渐调整到目标输出亮度值；当获得人体存在信号从无人转化到有人的时候，执行亮灯，灯的输出亮度在一段时间内从0逐渐平滑地递增到目标输出亮度值；当获得人体存在信号从有人转化到无人的时候，执行熄灯，灯的输出亮度在一段时间内从当前输出亮度值平滑地逐渐调整到降低的(默认值为20％目标输出亮度值)输出亮度值，如果降低的输出亮度值不为0，维持该输出亮度值一段时间(默认为5分钟)，然后灯的输出亮度在一段时间内从当前输出亮度值再次平滑地逐渐调整到0，执行熄灯结束；如果目标输出亮度值为0，当前输出亮度值平滑地逐渐调整到0，执行熄灯结束。

14、进一步地，根据感知信号进行设备控制的方法是，各个人体和亮度感知装置通过自组网通讯，当任意一个人体和亮度感知装置获得人体存在信号从无人转化到有人的时候，执行亮灯；当所有人体和亮度感知装置获得人体存在信号均为无人的时候，执行熄灯；在下课和放学时间段，如果监测到窗帘处在关闭状态，打开窗帘。

15、进一步地，通过人体和亮度感知装置获得人体存在信号与教室空间亮度作为感知信号的方法是：传感器异常的分析方法如下：

16、人体和亮度感知装置在组网中作为子节点，子节点中安装有亮度传感器，子节点实时地采集获得的数据作为实时数据dt，子节点采集数据的频率为每pdt秒一次，进行子节点异常判断；

17、其中判断子节点异常的方法是:计算守约度ds,ds＝dt－dt’，其中dt’代表上一个时刻测得的实时数据，将时序上连续获得的守约度ds构成的序列作为守约度序列rlst，rlst＝[dsj7]，j7∈[1，60/pdt]，其中j7为时刻序号，dsj7代表第j7个时刻的守约度，rlst中各个元素的算术平均值为erlst；

18、结合各个同类型子节点的守约度序列并以一个子节点的守约度序列作为一行构建一个矩阵作为守约模型dsmt；计算得到dsmt中的标准差为σ；则一个子节点当前的第一守约域为[erlst－σ，erlst+σ]，以cnorn代表统计获得该子节点的rlst中的各个元素中满足数值大于第一守约域或者满足数值小于第一守约域的元素的个数，计算获得守约率drtf＝cnorn×pdt÷60；获取一个子节点连续的各个守约率构成守约率序列drtflst，drtflst＝[drtfj8]，j8∈[1，60/pdt]，其中j8为时刻序号，dsj8代表第j8个时刻的守约率；以drtflst中获得最大值的时刻序号与drtflst中获得最小值的时刻序号之差作为第一置信周期t1，以各个同类型子节点的第一置信周期t1的算术平均值作为第二置信周期t2；如果连续t2个时刻中同一个子节点的守约率均为所有子节点的守约率中的最大值，则判断该子节点发生子节点异常；停止子节点的工作，并把子异常的节点对应的人体和亮度感知装置的序号发送到管理员的客户端并发出异常警报。

19、当在自组网环境中存在异常的感知设备，会对灯控制系统或者窗帘控制系统提供错误的参考指标从而造成严重的判断偏差，使得环境中的亮度由于失灵数据或者错误数据变得很不合理，大大降低该亮度智能系统的合理性。因此通过对各个子节点采集到的数据进行异常分析，分析数据灵敏度是否过高或者摇摆幅度是否过大，对子节点的工作状态进行量化解释，将采集数据不遵循规律的子节点停止其工作职能，以提高灯控制系统或者窗帘控制系统的智能控制的合理性和可行性，降低智能系统失控的风险。

20、为了进一步对子节点的工作状态进行量化解释，识别采集数据不遵循一般规律的子节点，判断子节点异常的方法还可以是：获取一个自然日内所有子节点获得的所有实时数据的算术平均值作为基准数据stdt，；计算获得第一观测值vlf，vlf＝dt×(1+|dt-stdt|/stdt)；以子节点一个小时内获得的各个第一观测值的算术平均值作为第二观测值spf，其中j1为累加变量，vlfj1为一小时中的第j1次获得的第一观测值；计算采样上标vlup和采样下标vldw，

21、

22、其中j2和j3为累加变量，vlfj2和vlfj3为一小时中的第j2和j3次获得的第一观测值，vlf0代表当前时刻的第一观测值；

23、计算第一样值mf，mf＝max{vlfj4}，j4∈[1，60*0.8]，其中j4为时刻序号，以vlfj4代表在第j4个时刻获得的第一观测值，min{}为最小值函数；从vlup0开始往前检索最近一次采样上标vlup的值等于第一样值mf的时刻作为高光位k4；计算第二值ms，ms＝min{vlfj5}，j5∈[1，60*0.8]，其中j5为时刻序号，以vlfj5代表在第j5个时刻获得的第一观测值；从vldw0开始往前检索最近一次采样下标vldw的值等于第二样值ms的时刻作为低光位k5；高位跨度为dsk,dsk＝|k4－k5|+1；计算第一感知溢出值orf,orf＝vlfmin{k4,k5}，其中min{}为最小值函数，vlfmin{k4,k5}为k4,k5值中最小值对应时刻的第一观测值；

24、如果vlfj6+1＜orfj6+1并且vlfj6＞orfj6，则视为在第j6个时刻发生一次感知溢出事件，否则第j6个时刻感知溢出事件没发生，其中j6为时刻序号，vlfj6和orfj6分别代表第j6个时刻的第一观测值和感知溢出值；如果一个子节点在最近的dsk个时刻中发生过感知溢出事件并且在当前时刻发生感知溢出事件，则判断为子节点异常。

25、根据感知信号进行设备控制的方法是：在教室中的照明灯的数量为ln，在教室中课桌的数量为dn，在教室中的每个课桌上布置有照度传感器，照度传感器实时地测量出当前课桌所在位置的照度illm；同时每个课桌上有测距仪，测距仪实时地测量课桌到一个照明灯的直线距离dlds；课桌上的测距仪到地面的距离为第一高度值fht,照明灯到地面的距离为第二高度值sht；以教室中的一个课桌作为一个作业节点，以教室中的一个照明灯作为一个调度节点，计算获得一个调度节点与一个作业节点的第一影响量值fiv,结合一个作业节点的各个第一影响量值构成一个序列作为该作业节点的第一影响序列fils，fils＝[fivi1]，i1∈[1，ln]，其中i1为调度节点序号，以fivi1表示作业节点与第i1个调度节点之间的第一影响量值，计算获得第一感知量fssv，其中fils(i2)代表第一影响序列中第i2个元素，i2为累加变量；将fssv与fils构成一个元组作为第一信号fsgl，周期性地测量并且获得第一信号fsgl,。

26、根据第一信号获得亮灯模式的方法是：在作业节点获得第一感知量fssv，计算各个作业节点在tzne内的各个fssv构成第一感知序列fvlst，其中tzne为感知期，tzne取值范围为[10s,60s]；当第一感知序列的中位数大于第一感知序列的算数平均数，则认为该作业节点处于感知溢出态，否则处于感知常态；

27、如果子节点异常判断中未发现异常节点并且各个作业节点均处于感知溢出态，则亮灯模式为观影模式，如果子节点异常判断中未发现异常节点并且各个作业节点均处于感知常态，则亮灯模式为明灯模式，其余情况亮灯模式为常亮模式；

28、如果亮灯模式为观影模式，则控制各个调度节点在clpsd时间内逐渐平滑降低灯的功率，设定一段时间作为熄灯平缓时长clpsd，取值范围在[1s,5s]之间；如果亮灯模式为常亮模式，则维持灯光当前状态，如果亮灯模式为常亮模式，则控制各个调度节点在clpsd时间内逐渐平滑提高灯的功率。

29、灯光控制系统中，需要通过对显示屏或者投影设备的光线亮度或者照度进行识别，从而分析出在投放的内容属于视频还是普通的静止画面，从而对教室的灯光或者窗帘进行光线控制，然而光线判断有赖于传感器的正常运行，因此在传感器能正常运行的状态下，通过结合教室中各个区域的亮度对教学屏投放内容的变化进行分析，识别并且避开简单由画面跳换或转变导致的非视频照度浮动因素，加强视频类型播放识别可行性，从而对教室灯光进行智能而且科学的控制，分辨速度快而且准确度高。

30、优选地，为了进一步地识别并且避开简单由画面跳换或转变导致的非视频照度浮动因素，加强视频是类型播放识别可行性，根据第一信号获得亮灯模式的方法还可以是：作业节点获得第一信号fsgl后，识别第一信号fsgl中第一个元素为当前时刻的第一感知量fssv；计算获得当前时刻的感知差度dfss,dfss＝fssv－fssv’，其中fssv’为该作业节点上一个时刻获得的第一感知量；为各个时刻设定一个布尔变量作为浮动标签fflg，其方法是：当一个时刻获得的感知差度dfss＜0，则为该时刻的浮动标签fflg赋值true；当一个时刻获得的感知差度dfss＞0，则为该时刻的浮动标签fflg赋值false；当一个时刻获得的感知差度dfss＝0，则该时刻的浮动标签沿用其上一个时刻的浮动标签；

31、以从上n1个时刻或当前时刻的浮动标签fflgn1开始，迭代地重复查询上一个时刻的浮动标签fflg’，直到获得上n2个时刻的浮动标签fflgn2，满足fflgn2≠fflgn1的过程作为迭代查询模型，其中上n1个时刻作为迭代起始点，上n2个时刻作为迭代终止点，以n2作为迭代查询模型的输出值,当迭代查询模型被调用的时候没有说明迭代起始点，则以上一次运行迭代查询模型的输出值作为迭代起始点；

32、以当前时刻作为迭代起始点调用迭代查询模型，所得的输出值为第一封闭时刻tn1，再以上tn1个时刻为迭代起始点调用迭代查询模型，所得的输出值为第二封闭时刻tn2，以fssvtn1和fssvtn2两个数值形成的区间作为第一封闭区间,其中fssvtn1和fssvtn2分别代表上tn1个时刻和上tn2个时刻的第一感知量；重复循环地调用迭代查询模型，获得的输出值为tnk,上tnk个时刻的第一感知量为fssvtnk,如果fssvtnk的值超出第一封闭区间，则跳出循环，否则继续进行循环；计算获得第一平衡长度fperd，fperd＝tnk’－tn1，其中tnk’代表跳出循环时获得的输出值；获得fssvtnk’，计算获得感知骤变率dsv,

33、

34、为各个作业节点分别计算获得感知骤变率dsv以及第一平衡长度fperd；以各个作业节点的感知骤变率dsv中的最大值作为骤变基量dsvst,计算获得第二平衡长度sperd,

35、

36、其中i3和i4皆为累加变量，dsvi3和dsvi4分别代表第i3个作业节点和第i4个作业节点的骤变率；一个作业节点最近的sperd个时刻的浮动标签中赋值为true的数量为flgt，赋值为false的数量为flgf，如果该作业节点一个时刻的浮动标签赋值为true，则该时刻的浮动参值rt＝flgt/sperd,否则该时刻的浮动参值rt＝flgf/sperd；分别为各个作业节点计算获得当前时刻的第二感知量sssv，

37、

38、其中i5为累加变量，log指绝对值后取对数，rti5代表的是第i5个时刻的浮动参值，mrt(fssv)为逻辑回归函数，mrt(fssv)＝(1/1+efssv)-1；

39、如果子节点异常判断中未发现异常节点并且所有作业节点均满足sssv＞sssv’则亮灯模式为观影模式，如果子节点异常判断中未发现异常节点并且所有作业节点均满足sssv＜sssv’则亮灯模式为明灯模式，其余情况亮灯模式为常亮模式。

40、本发明还提供了一种用于人体和亮度感知的教室亮度智能控制方法的系统，所述一种用于人体和亮度感知的教室亮度智能控制方法的系统包括：处理器、存储器及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种人体和亮度感知的教室智能控制方法中的步骤，所述一种用于人体和亮度感知的教室亮度智能控制方法的系统可以运行于桌上型计算机、笔记本电脑、掌上电脑及云端数据中心等计算设备中，可运行的系统可包括，但不仅限于，处理器、存储器、服务器集群，所述处理器执行所述计算机程序运行在以下系统的单元中：

41、系统初始单元，用于部署人体和亮度感知装置；

42、动态采集单元，用于通过人体和亮度感知装置识别人体和亮度获得感知信号；

43、亮度调节单元，用于根据感知信号进行设备控制；

44、本发明的有益效果为：本发明提供一种人体和亮度感知的教室智能控制方法，合理并且科学地调节教室光线，极大地保护学生视力健康。同时教室的亮度调节可利于提高教学质量和效率。另外避免人为地控制开关灯难以避免人为操作疏忽的时候，造成能源的浪费，可以极大地节约能源，有利于社会的可持续发展。