一種基于人體識別的按需照明節能控制系統的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種基于人體識別的按需照明節能控制系統，該基于人體識別的按需照明節能控制系統包括：用于檢測人體位置的攝像裝置；多個照明裝置；控制裝置，與所述攝像裝置信號連接，所述控制裝置與每個照明裝置通過繼電器點連接；并獲取所述攝像裝置采集的人體信號在設定的坐標系中的位置坐標，所述控制裝置根據獲取的位置坐標，通過繼電器控制與該位置坐標相對應的照明裝置照明。本發明的有益效果是：本發明提供給的控制系統通過視覺對場所內的人體進行識別，分析其位置信息，然后通過處理終端和控制電路，根據人員分布信息發出控制信號，對照明燈光進行相應調節，從而達到按需照明的目的，進而降低建筑能耗，實現對照明的智能調節。
【專利說明】—種基于人體識別的按需照明節能控制系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及到計算機視覺感知的【技術領域】，尤其涉及到一種基于人體識別的按需照明節能控制系統。
【背景技術】
[0002]在教室、車站、展覽館等公共場所，人員流動頻繁，進入場所的人數及其所處的位置具有很強的不確定性。在這些場所內，以照明為代表的提供公共服務的設施，通過現有的控制方式，無法針對上述不確定性做出及時反應:一方面不能滿足個體的需求，實現按需照明，另一方面也造成了能源的浪費。
[0003]為了解決上述問題，現有的方案一般是利用聲控或光控來實現對照明燈打開位置或數量的控制。基于聲控的方案，一般用于走廊和廁所，開燈時間短，不適用于需要長時間、不間斷開燈的場所。而基于光控的方案一般是通過安裝在門口的紅外傳感器大致確定進入場所的人數，然后根據人數控制照明燈打開的數量。雖然現有的光控方案在一定程度上實現了對照明的自動控制，但是也存在著明顯的弊端，即不能根據場所內人員的分布控制照明燈，其缺陷主要集中在以下兩個方面:一是，當進入場所的人數較少時，開燈數也較少，并且處于打開狀態的照明燈位置固定，場所的使用者不能根據自己的需要選擇所處的位置，因此無法提供良好的用戶體驗；二是，紅外傳感器受溫度和光線的影響較大，同時也易受熱源干擾，在清點具體人數上可能出現紕漏。總而言之，用于自動調節室內空間照明的現有設備多靠聲光計數控制，雖然能在一定程度上減少能源的消耗，但是無法為室內人員提供有針對性的環境調節方案，無法提供適如人意的體驗感受，有時反而會造成能源的不必要浪費。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是為了克服現有技術的不足，提供了一種基于人體識別的照明節能控制系統。
[0005]本發明是通過以上技術方案實現:
[0006]本發明提供了一種基于人體識別的照明節能控制系統，該基于人體識別的照明節能控制系統包括:
[0007]用于檢測人體位置的攝像裝置；
[0008]多個照明裝置；
[0009]控制裝置，與所述攝像裝置信號連接，所述控制裝置與每個照明裝置通過繼電器點連接；并獲取所述攝像裝置采集的人體信號在設定的坐標系中的位置坐標，所述控制裝置根據獲取的位置坐標，通過繼電器控制與該位置坐標相對應的照明裝置照明。
[0010]優選的，所述控制裝置包括計算機及與所述計算機連接的單片機，所述計算機用于根據所述攝像裝置采集的人體信號與設定的坐標系的對應關系獲取人體信號在所述設定坐標系中的坐標位置。
[0011]優選的，所述攝像裝置包括多個Kinect攝像頭。
[0012]優選的，所述Kinect攝像頭包括:設置位置不對稱的紅外投影機、彩色攝像頭和紅外攝像頭。
[0013]優選的，所述繼電器為延時繼電器。
[0014]本發明的有益效果是:本發明提供給的控制系統通過視覺對場所內的人體進行識別，分析其位置信息，然后通過處理終端和控制電路，根據人員分布信息發出控制信號，對照明燈光進行相應調節，從而達到按需照明的目的，進而降低建筑能耗，實現對照明的智能調節。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明實施例提供的基于人體識別的照明節能控制系統的結構框圖；
[0016]圖2是本發明實施例提供的攝像裝置的工作原理圖。
【具體實施方式】
[0017]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例及附圖，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0018]本發明實施例提供了一種基于人體識別的照明節能控制系統，該基于人體識別的照明節能控制系統包括:用于檢測人體位置的攝像裝置10 ；
[0019]多個照明裝置20;
[0020]控制裝置40，與所述攝像裝置10信號連接，所述控制裝置40與每個照明裝置20通過繼電器30點連接；并獲取所述攝像裝置10采集的人體信號在設定的坐標系中的位置坐標，所述控制裝置40根據獲取的位置坐標，通過繼電器30控制與該位置坐標相對應的照明裝置20照明。
[0021]具體的，所述控制裝置40包括計算機42及與所述計算機42連接的單片機42，所述計算機42用于根據所述攝像裝置10采集的人體信號與設定的坐標系的對應關系獲取人體信號在所述設定坐標系中的坐標位置。
[0022]其中的攝像裝置10包括多個Kinect攝像頭。該Kinect攝像頭包括:設置位置不對稱的紅外投影機、彩色攝像頭和紅外攝像頭。其中的繼電器30為延時繼電器30。
[0023]為了方便對本實施例的理解，下面結合附圖1及附圖2對其進行詳細的說明。
[0024]圖1給出了此系統的整體設計思路。具體而言，主要包括以下四個方面:
[0025](I)實現場景視頻數據流的捕捉-具體由Kinect攝像頭來實現；
[0026](2)人體識別的實現及其位置信息的獲取——通過基于C++語言的應用程序開發來完成；
[0027](3)計算機42與燈光控制器之間數據通信協議的制定一采用RS232C物理層標準；
[0028](4)基于單片機42和繼電器30的燈光控制器控制回路。
[0029]其中，核心為人體的識別及其位置信息的獲取。具體實現是通過Kinect攝像頭獲取目標空間的深度數據流，然后將人體信息從背景噪聲中分離出來；在此基礎上，對識別出人體信息進行分析計算，得出人體的位置坐標；最后，通過制定計算機42與單片機42之間的通信協議，根據人體的空間坐標，控制相應位置處的照明設施。
[0030]2.1獲取場景數據流并分析場景內人員的位置信息
[0031]場景內的空間信息是通過Kinect攝像頭來獲取的。Kinect攝像頭是微軟于2010年發布的Xbox360體感游戲配件。它是一種3D體感攝影機[I]，具有三只不對稱的“眼睛”——紅外投影機、彩色攝像頭和紅外攝像頭。其中，彩色攝像頭提供彩色圖像；紅外投影機發射激光覆蓋Kinect的可視范圍；紅外攝像頭通過接收物體反射的激光，識別目標物體的“深度場”，為處理計算機42提供深度數據。
[0032]圖2給出了深度圖像的識別模式，這里以攝像機為原點建立攝像機坐標系，以攝像機軸線為Z軸，以垂直于Z軸平面建立XY坐標系，其中Z軸坐標值表示實際的物體至攝像機平面的距離，XY坐標值表示圖像幀在攝像機上對應的坐標，具體的XY坐標系由成像傳感器的分辨率決定。Kinect的視場為頂角為57度的圓錐形,有效分辨距離為4096mm,最大識別距離為8192mm。
[0033]考慮到這里關注的主要是場景中的人員位置信息，因此采用的是深度數據流。同時，為了保證系統的實時可靠性和動態追蹤精度，這里將最后在計算機42上顯示的深度圖像幀數鎖定在30幀，以免緩存區溢出造成系統崩潰。每幀深度圖像分辨率為640X480，每個像素的前13位攜帶深度信息，后3后攜帶用戶ID。
[0034]在基于Kinect攝像頭獲取人體信息和位置的過程中，通過基于C++語言開發的應用程序，首先給不同用戶分配不同的ID，以區別不同的分析對象。然后，采用輪詢模式實時讀取并存儲Kinect生成的深度圖像數據。最后，根據每幀深度圖像中各像素攜帶的深度數據和用戶ID，對人體進行識別，并跟蹤其位置變化。
[0035]當用戶ID為0，說明該位置沒有找到用戶，比如值為I和2，則表明識別“用戶I”、“用戶2”。而識別出用戶時，計算其位置坐標，即X、Z坐標，其中
[0036]Z = d，d為深度，直接提取；
[0037]X = ((depthPixelBodyLeft-depthPixeIBodyRight)/2+depthPixeIBodyRight)
XP ；
[0038]其中P為每個像素的寬度:
[0039]P = 2d X tan (28.5) /640 ；
[0040]將得到的用戶坐標值與系統中預設的燈光位置比較，從而為開關相應位置的燈光提供數據分析。
[0041]2.2根據人員分布分析控制照明燈的調節
[0042]在人體識別及其所處位置的分析后，通過制定計算機42與燈光控制器之間的通信協議，根據人體和照明燈的位置，對照明燈的調節進行控制。考慮到人體及位置分析子系統與燈光控制器之間距離較近，這里采用RS232C物理層標準，實現點到點的異步數據通信。在實現控制信號輸出的過程中，考慮到本系統包括多種可插接的串行接口設備，當燈光控制器插入系統后，其端口號是由系統隨機分配的，因此，通過人工配制其端口號，實現計算機42和控制器之間的通信。
[0043]此外，為了保證可靠的數據傳輸與燈光控制，數據鏈路層協議應采用帶確認的命令/應答機制，如果得不到及時正確的應答，收發雙方需重新確認身份，并建立同步關系。在數據鏈路層中，我們使用三種類型的幀，分別為身份確認幀、通訊狀態確認幀和燈光控制命令幀:身份確認幀用于實現燈光控制器的即插即用功能，簡化復雜的通信端口手工配置過程；通信狀態確認幀主要用于燈光控制器的通信控制功能一因為燈光控制器并不能隨時接收新的燈光控制命令，只有上次的燈光控制命令執行完畢后，才能接收新的命令；燈光控制命令幀主要用于燈光控制器的燈光控制命令功能。
[0044]燈光控制命令幀的格式為“前同步字(7EH) +命令/應答+信息(變長)+CRC+后同步字(7EH)”。其中，信息字段的定義如下:第一個字節用于控制的光源個數，第二個字節及后續字節，每位對應于一個光源的開關狀態，O為關，I為開，其位序號對應于光源序號。這里根據需要，最多設置了 16個可控光源。
[0045]3理論能耗計算及功能分析
[0046]按照目前的設計方案來看，本系統耗電的設備和器件有Kinect攝像頭、照明燈、電腦、包括繼電器30在內的電路板上的各個器件以及線路傳輸過程中的電流損耗，它們的耗能如下:(1)電腦(以臺式機為例)功率一般為P。= 250W左右，對于有Ntj個房間的建筑物，平均每個房間I小時耗電為wc = 6/ (24N0) kWh ；⑵Kinect攝像頭的功率為pK = 12W，單個攝像頭工作I小時，耗電為wK = 0.012kffh ； (3)照明燈(以高校教室為例)一般采用的是長度為1230mm的T8管的日光燈，功率為40W，一盞照明燈通常由兩個燈管組成，故一盞燈的功率為= 80W, 一個小時耗電wK = 0.08kffh左右；(4)包括繼電器30在內的電路板上的各個器件，其耗電相對而言很低，遠小于前述三種器材的耗電量，所以暫時忽略不計。
[0047]由于不同建筑物內不同房間內照明燈的分布和人員流動情況不同，從較為簡單的情況出發，分析本系統節約的耗電量。假設某個建筑物(以教學樓為例)有K個同樣的房間，每個房間有隊盞燈，照明燈成兩排，均勻分布。當某人H進入房間走到某個座位后，打開此座位上方的照明燈。設H在座位逗留時間為tw，他離開此座位后，則將相應的照明燈關閉。根據上述假設，H進入房間后，房間內打開的始終只有一盞燈，累計打開的時間為、，照明燈耗電PJW。這里假設每人次的在房間逗留的時間都相同。那么，照明燈總的耗電量為NHpdw。加上電腦和Kinect攝像頭的耗電，即為總的耗電量。根據上述假設，整個建筑物在有本系統參與控制的情況下，一天的耗電量為W = 乂(^^+24?1?)+24?。。
[0048]這里先以高校內教室的晚自習用電為例，計算本系統節約的耗電量。設某教學樓內有Ntl = 100個教室。教室有大有小，從我國高等院校的一般情況來看，每個教室的座位幾十到一百個左右，照明燈6-20盞左右(除去講臺上方的照明燈)。這里設每個教室有兩列共10盞燈(即隊=10)，每盞燈有2個Τ8燈管。晚自習期間，每個教室的人數一般在幾人到幾十人左右(學習淡旺季不同)，考慮到本系統主要是針對能源浪費設計，同時為了簡化計算，這里假設每晚有10個同學在教室上自習，即Nh = 10，并設每位同學在需要打開照明燈的時間段在教室逗留的時間為tw = 4h。教室內同時逗留的人數為5人，每次有人進入，均按照最稀疏分布(即人與人之間的距離平方和最大，一排一個人)。
[0049]根據上述假設，整個建筑物在有本系統參與控制的情況下，一天的耗電量為W =N0X (NHpLtff+24pK) +24pc = 354.8kWh。如果是手動控制，對于上述五排燈的教室，每排2盞燈一般用一個開關控制。因此，打開一個開關，會同時打開兩蓋燈。根據上述假定，此時，耗電量為W’ = 2N0NHpLtff = 640kWh。因此，與手動控制相比，一天節省的用電量為Λ W = W’ -W =285.2kWh。如果教室的數量增加，其節能效果會更顯著。24小時所節省的電量AW與教室數量K之間的關系。當教室數少于5間時，節能曲線會出現負值，這是因為控制系統自身耗電引起的。不過，一般情況下，教學樓內的教室數量都在大于5間。對于上述100間教室，一年教室的使用天數按277天計(根據《全國年節及紀念日放假辦法》[5]，除去春節外，共有8天法定節假日，再加上80天寒暑假期，一年的教室正常被使用的天數為277左右)，合計79000.4kffh, 一度電按0.52元計，合計約41080.21元，不到一年就可以收回投入，效益比較可觀；若教室達到200間，一年合計節省耗電159662.8kWh，合計約83024.66元，節能效果更加誘人。
[0050]綜上，本系統將計算機42視覺感知與燈光智能控制結合，通過對相關場景進行建模和分析計算，根據人員的位置分布，控制場景內的照明設施。系統已制作出的試驗原型設備，具有機構簡單、成本相對較低的特點，便于架設，或者嵌入建筑物感知系統，可以為用戶接受，易于推廣。此外，控制部分使用模塊化設計，針對不同的場合，搭配不同的模塊，可以控制相應的設備，通用性好，易于維護。本系統既可以用于博物館、教室、車站等人員分散、流動具有不確定性的公共場所，也可與監控攝像頭相結合實現自動報警，具有較廣闊的應用前景。
[0051 ] 以上僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于人體識別的按需照明節能控制系統，其特征在于，包括: 用于檢測人體位置的攝像裝置； 多個照明裝置； 控制裝置，與所述攝像裝置信號連接，所述控制裝置與每個照明裝置通過繼電器點連接；并獲取所述攝像裝置采集的人體信號在設定的坐標系中的位置坐標，所述控制裝置根據獲取的位置坐標，通過繼電器控制與該位置坐標相對應的照明裝置照明。
2.根據權利要求1所述的基于人體識別的照明節能控制系統，其特征在于，所述控制裝置包括計算機及與所述計算機連接的單片機，所述計算機用于根據所述攝像裝置采集的人體信號與設定的坐標系的對應關系獲取人體信號在所述設定坐標系中的坐標位置。
3.根據權利要求1所述的基于人體識別的照明節能控制系統，其特征在于，所述攝像裝直包括多個Kinect攝像頭。
4.根據權利要求1所述的基于人體識別的照明節能控制系統，其特征在于，所述Kinect攝像頭包括:設置位置不對稱的紅外投影機、彩色攝像頭和紅外攝像頭。
5.根據權利要求1所述的基于人體識別的照明節能控制系統，其特征在于，所述繼電器為延時繼電器。
【文檔編號】H05B37/02GK104363673SQ201410480130
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年9月17日 優先權日:2014年9月17日
【發明者】張灝, 邵山峰 申請人:張灝