幼儿园一体教室情景式自适应照明控制装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供幼儿园一体教室情景式自适应照明控制装置，控制单元基于光色传感单元、图像采集单元和人体检测单元分别获取各功能区测试点的色温与照度、场景图像和人体感应信号，基于经训练的场景检测器，根据图像、人体特征及当前时间等特征识别当前照明场景，通过建立调光照明分布表和光色评分函数，对可调光灯中LED串驱动电流的各种组合进行评价，通过多目标优化算法对驱动电流值的组合进行寻优，最后将寻优结果传送给驱动器进行调光。本发明专利技术能根据教室内的当前活动场景进行评分值调整，使得优化出的照明条件能满足不同活动场景如听课、游戏、手工、演示、就餐及午休等的光照要求，提高了调光的针对性，为幼儿提供了合理的照明环境。环境。环境。

【技术实现步骤摘要】
幼儿园一体教室情景式自适应照明控制装置
[0001]本申请为申请号201910287213.X、申请日2019年04月03日、专利技术名称“幼儿园一体教室情景式自适应照明系统、控制装置及控制方法”专利的分案申请。


[0002]本专利技术专利属于智能照明领域，具体涉及幼儿园一体教室情景式自适应照明控制装置。

技术介绍

[0003]在幼儿园的教育活动中，环境作为一种隐性课程，在开发幼儿智力、促进幼儿个性方面，越来越引起人们的重视。环境是重要的教育资源，应通过环境的创设和利用，有效促进幼儿的发展，其中，照明环境就是教育活动环境的一个重要组成部分。
[0004]幼儿园主要针对的3
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6岁小朋友，他们还处在身体发育阶段，最重要的是眼睛也在发育当中，如果幼儿园在灯光上的设计不够合理，就可能会造成光污染，对孩子的眼睛造成一定的损伤，因此一般在进行幼儿园装修设计时都会强调避免出现太刺眼的灯光。
[0005]随着社会投入的加大，目前，很多幼儿园的教室是按融活动室、寝室、盥洗室等一体化多用途室进行设计或改造的。相比过去单一的活动、教学教室用途，新的一体教室具有玩、学融合的功能特点，因此，在环境设计特别是照明控制上，出现了与传统教室照明设计不同的需求。
[0006]传统的幼儿园教室照明系统在实际运行过程中，仅能通过简单的几个开关对灯进行控制。这些灯的布置一般是按桌面的照度要求进行优化设计的，假定的应用场景也是教室各主要区域全亮或全灭。
[0007]随着智能照明技术的出现与发展，独立、调光的灯控手段已经非常容易获取和实现。因此，近年来，在多地的教室照明设计规范中均有规定，要求有条件的学校宜结合天然采光选用智能照明控制系统来实现恒照度控制和调光控制。例如，四川省的中小学校及幼儿园教室照明设计标准DB51/T
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2015中，就明确指出，有条件的教室，按教室功能设置照明情况、天然采光状况和教室工作模式宜采取分区、分组、自动调光控制措施，还要按该教室照度要求结合天然采光选用智能控制系统实现自动调光。
[0008]幼儿园教室通过将阳光直接引入室内，可以改善室内的封闭感和压迫感，同时还要借助人工光对自然光进行补充，从而使室内空间看起来更加的亲切自然。相比于传统的开关式控制，室内随光色变换呈现出的多样色彩也能给孩子带来更多的乐趣。同时，在幼儿园照明中，室内光色的设计也是孩子们进行沟通的重要元素，比如，幼儿在学习表演时，需要类似于舞台的照明环境，在演示区需要比普通场景下更多的立面照度，以增强识别功能、提高演示或表演的沟通效果。这样，才能使孩子在使用的过程中体验室内空间的美感，更大限度的让孩子获得认同，改变孩子的生活方式和孩子的生活质量。
[0009]除了通常意义上的环境光线亮度，智能的灯控需要考虑不同照明条件的照明效果。影响人视觉的环境照明因素有很多方面，除了照度水平、照度分布，还有颜色显现、光影
光色等。人眼有两个功能，一是感光功能，即光线经眼的光学系统抵达眼底在视网膜上形成物象；二是视觉信号处理功能，即视网膜将物象的光能转换并加工成神经冲动，经由神经节细胞将冲动传入人眼，从而产生视觉和非视觉效应。人眼视网膜上的第三类感光细胞即本征感光视网膜神经结细胞被发现后，已被证明它可以通过对进入人眼的可见光辐射产生一系列化学生物反应来控制人的生理节律、生物钟和人眼瞳孔大小，从而对人的生理、心理等产生影响。
[0010]照明的色温也对幼儿的认知、感受有很大影响。传统已有设计中，根据幼儿园特点，普通活动室、音体活动室、医务保健室、隔离室及办公用房一般采用目光色光源的灯具照明，其余场所如休息区、卫生间则采用白炽灯等低色温照明。借鉴传统的照明规律，一体教室中，幼儿的睡觉休息区，灯光应该设置的比较温馨，不刺眼；而教室学习区、游乐区的灯光要明亮实用，不能太暗也不能太亮；孩子用的卫生间灯光也要温暖、柔和；教室在整体上，则要避免光污染和强光线。这些照明需求，对于传统的开关式控制而言，很难实现，而基于离线设置的在线检测和自动调节，则能有效地在幼儿园教室中实现照明环境的智能调节。
[0011]目前，针对传统的教室照明，已经出现很多自动控制的方案。在这些已有的教室照明方案中，有的关注夜间人工光源照明时课桌的照度分布，如专利号为2017109662294的中国专利技术专利申请，用摄像仪检测人数，并根据各分区人数的不同来调节照度；而专利号为2014107085532的中国专利技术专利申请，在多媒体教室灯中根据投影仪是否使用来进行灯光和窗帘的控制。这些控制方案都主要针对晚上照明需求特点对某个目标如照度进行智能灯控，但幼儿园一体教室照明是一个复杂的系统，它主要面向幼儿在教室白天时间段的补光照明，而照明本身又与人的心理、生理活动紧密相关。根据幼儿园一体教室各功能分区、以及各种活动场景对照明的多方面要求，需要一个综合考虑照度、照度分布、冷暖色温等多种指标的智能调控系统。
[0012]专利技术专利内容
[0013]目前，还没有专门面向幼儿园一体教室的智能灯控系统。针对现有幼儿园一体教室中各功能分区及活动场景对照明环境的多样化需求，本专利技术的目的在于，提供一种幼儿园一体教室情景式自适应照明控制装置，离线状态下，根据幼儿特点建立活动区、演示区、休息区、饮水区、玩具区、盥洗区等6个功能区中不同活动场景下色温、照度、照度梯度及照度均匀度的光色评分函数，通过样本采集获得教室内可调光灯组不同驱动电流组合下各测试点的色温与照度，建立调光照明分布表；在线应用时，基于教室图像和人体传感器信号并结合当前时间特征识别出教室内当前活动模式如听课、游戏、手工、演示、就餐及午休等，各测试点根据位置选用各自的光色评分函数并计算色温、照度、照度均匀度和照度梯度4个因素的评分值，基于总评分值，多目标优化算法对可调光灯组各LED串的驱动电流值进行寻优，寻优结果被传送给驱动器后改变灯组出光，实现适合一体教室内各种活动的智能照明。
[0014]本专利技术的技术解决方案是，提供一种以下结构的幼儿园一体教室情景式自适应照明控制装置，其包括控制单元、用户接口单元，控制单元又包括输入模块、光色处理模块、图像处理模块、照明优化处理模块、调光映射模块、输出模块和存储模块，且控制单元被配置为：
[0015]基于幼儿园一体教室的功能模型，将其划分为活动区、演示区、休息区、饮水区、玩具区、盥洗区等6个功能区，根据各功能区的使用特性，在存储模块中建立教室内各功能区
被照面在不同场景下的光色评分函数；
[0016]输入模块从系统的光色传感单元、图像采集单元和人体检测单元分别获取幼儿园一体教室多个测试点的色温与照度信号、教室场景图像和预设区域的人员在位信号，
[0017]基于所述色温与照度信号，光色处理模块获取教室各区域的色温值、照度值、照度梯度值及照度均匀度值，
[0018]图像处理模块基于用训练图像集训练出的场景检测器，针对所述场景图像及该图像对应的所述人员在位信号，提取图像特征及人员位置特征，并根据所述图像特征、人员位置特征及当前时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.幼儿园一体教室情景式自适应照明控制装置，其包括控制单元、用户接口单元，控制单元又包括输入模块、光色处理模块、图像处理模块、照明优化处理模块、调光映射模块、输出模块和存储模块，且控制单元被配置为：基于幼儿园一体教室的功能模型，将其划分为活动区、演示区、休息区、饮水区、玩具区、盥洗区等6个功能区，根据各功能区的使用特性，在存储模块中建立教室内各功能区被照面在不同场景下的光色评分函数；输入模块从系统的光色传感单元、图像采集单元和人体检测单元分别获取幼儿园一体教室多个测试点的色温与照度信号、教室场景图像和预设区域的人员在位信号，基于所述色温与照度信号，光色处理模块获取教室各区域的色温值、照度值、照度梯度值及照度均匀度值，图像处理模块基于用训练图像集训练出的场景检测器，针对所述场景图像及该图像对应的所述人员在位信号，提取图像特征及人员位置特征，并根据所述图像特征、人员位置特征及当前时间特征，识别所述图像的照明场景，调光映射模块通过改变教室内可调光灯组内的各LED串的驱动电流值，并记录其对应的各LED串组合发光照明时各功能区测试点的色温值、照度值，来获得各LED串的调光照明分布表，基于所述调光照明分布表、光色评分函数和所识别出的照明场景，照明优化处理模块通过多目标优化算法，在可调光灯组各LED串驱动电流值的可取值空间范围内，对其进行寻优，并将寻优结果经调光映射模块和输出模块传送给对应LED串的驱动器，其中，寻优过程中对各LED串驱动电流组合的评分基于所述驱动电流组合对应出光及当前自然光混合照明的总光照。2.根据权利要求1所述的幼儿园一体教室情景式自适应照明控制装置，其特征在于，所述总光照的计算处理过程为：首先，针对所述个体的n路驱动电流参数值，查找调光照明分布表获取其对应组合单独发光时m个测试点各点的第一色温值、第一照度值，同时，通过对各测试点光色传感模块检测信号的处理获得其位置上当前自然光的第二色温值、第二照度值；接着，基于色温到色坐标的转换关系式，将所述第一、第二色温值转换为第一、第二xyz色坐标，同时基于光色传感模块的照度到亮度转换比例，将所述第一、第二照度值转换为第一、第二亮度；并将所述第一xyz色坐标、第一亮度转换为第一XYZ三刺激值，将所述第二xyz色坐标、第二亮度转换为第二XYZ三刺激值，将第一、第二XYZ三刺激值种的X、Y、Z三刺激值分别相加后获得总XYZ三刺激值；将总XYZ三刺激值转换为总xyz色坐标，并进一步转换为总色温，同时，将第一、第二照度相加得到总照度；最后，根据所述总照度、总色温值以及计算出的照度梯度、照度均匀度值，根据所识别出的照明场景的光色评分函数，计算所述个体的各因素评分值。3.根据权利要求1所述的幼儿园一体教室情景式自适应照明控制装置，其特征在于，所述光色评分函数包括照度、照度梯度及照度均匀度评分函数，且采用如下定义：对于照度，其评分函数为，
其中，E为当前照度，bE、cE为当前场景下根据统计所获得的、覆盖了设定比例人数的期望照度值的区间的下限值与上限值，aE、dE则分别为当前场景下另两个预设下限值与上限值；对于照度均匀度，其评分函数为，其中，U为当前照度均匀度，bU是按标准所设定的参考值，aU是一个预设的下限值；对于照度梯度，其评分函数为，其中，d为当前照度梯度，D是所设定的参考值，σ是一个预设的宽度值。4.根据权利要求1所述的幼儿园一体教室情景式自适应照明控制装置，其特征在于，所述光色评分函数包括色温评分函数，且采用如下定义：对于色温，当其最多人期望值属于中高色温时，其评分函数为，当色温最多人期望值属于中低色温时，其评分函数为，其中，W为当前色温，bW、cW为当前场景下根据统计所获得的、覆盖了设定比例人数的中高期望色温区间的下限值与上限值，aW、dW则分别为当前场景下另两个预设下限值与上限值，hW为当前场景下根据统计所获得的、覆盖了设定比例人数的中低期望色温区间的上限值。
5.根据权利要求3或4所述的幼儿园一体教室情景式自适应照明控制装置，其特征在于，所述场景包括听课、游戏、手工及就餐等场景，所述光色评分函数定义还采用如下规则：对于活动区：所述照度评分函数最高评分值对应的照度取值区间除了手工场景被限定在500～700Lx之间，其他场景则被限定在300～500Lx之间；在听课场景中，所述色温评分函数最高评分值对应的色温取值区间被限定在4500～6000K之间；在手工场景中，所述色温评分函数最高评分值对应的色温取值区间被限定在3700～4500K之间；在游戏场景中，所述色温评分函数最高评分值对应的色温取值区间按中低期望色温区间设定且其上限值被限定在4000K以下；在就餐场景中，所述色温评分函数最高评分值对应的色温取值区间按中低期望色温区间设定且其上限值被限定在3300K以下；对于饮水区：所述照度评分函数最高评分值对应的照度取值区间被限定在200～300Lx之间，所述色温评分函数最高评分值对应的色温...

【专利技术属性】
技术研发人员：王育红，邹细勇，井绪峰，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：