技术领域
[0001] 本
发明涉及智能光照调节领域，尤其涉及一种基于NB-IOT的教室光照自供能控制系统及方法。
背景技术
[0002]
能源问题是关乎发展的大问题，
太阳能作为一种新型能源不但储藏丰富而且没有污染。太阳每天有许多能源照到地球上，但被只有很少一部分被利用起来，因此为了能够在一定程度上节约资源，保护环境，多多利用太阳能是个很好的方案。
[0003] 室内的光环境是近年来比较热
门的一个研究课题，因为良好的光环境不但是视觉上的享受，而且能够很大程度上提高人的舒适度，进而提高工作和学习效率。相对于教室这个环境，桌面区域就比较重要。
[0004] 移动通信正在从人和人的连接，向人与物以及物与物的连接迈进，万物互联是必然趋势。然而当前的4G网络在物与物连接上能
力不足。事实上，相比蓝牙、ZigBee等短距离通信技术，移动蜂窝网络具备广
覆盖、可移动以及大连接数等特性，能够带来更加丰富的应用场景，理应成为
物联网的主要连接技术。本系统能够做到自动监测教室内桌面的照度并且利用NB-IOT通信和上位机进行调控。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于NB-IOT的教室光照自供能控制系统及方法，将嵌入式监控与NB-IOT通信相结合，以达到实时地调控室内光照的目的，同时嵌入式监控模
块加载图像
传感器，热释红外传感器以及光敏传感器，能够适应室内有人、无人，室内强光以及弱光等各种场景。
[0006] 为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0007] 一种基于NB-IOT的教室光照自供能控制系统，包括嵌入式监控模块、NB-IOT通信模块、上位机监控端、
LED灯控模块；所述嵌入式监控模块包括
单片机和与单片机通信连接的图像传感器，单片机通过图像传感器采集图像，识别出教室中的桌面区域，再通过曝光过程灰度值与
亮度的映射采集照度信息，并通过NB-IOT通信模块发送给上位机监控端；上位机监控端通过实时发送的照度信息调节LED灯控模块的亮度。
[0008] 进一步地，还包括与嵌入式监控模块相电连的自供能采集模块，由光伏
电池组和
蓄电池组成。
[0009] 进一步地，所述嵌入式监控模块还包括与单片机电连接的光敏
二极管，用于监测教室内环境光的照度。
[0010] 进一步地，所述嵌入式监控模块还包括与单片机电连接的热释红外传感器，单片机通
过热释红外传感器监测教室内人员的活动状态并将信息传递给上位机监控端，通过上位机监控端控制LED灯控模块的工作状态。
[0011] 进一步地，本系统还包括后备电源，所述后备电源与嵌入式监控模块电连接，用于给嵌入式监控模块提供电源。
[0012] 一种基于NB-IOT的教室光照自供能控制方法，包括如下步骤：
[0013] 步骤一，采集教室场景RGB图像并将RGB图像转换成HSV图像格式；
[0014] 步骤二，基于Hough
算法计算HSV图像中的直线，设定直线的斜率和直线间距的
阈值并对直线的边缘断线部分进行连接；
[0015] 步骤三，将每四条直线围住的区域做二值化处理，得到所有四边形区域；
[0016] 步骤四，从四边形区域中筛选桌面区域，去除桌面区域的高光区域；
[0017] 步骤五，根据桌面区域照度与亮度对应的反射系数，将桌面区域的亮度数据转化为照度数据；
[0018] 步骤六，根据桌面区域照度数据判定是否调节
灯具的亮度。
[0019] 根据桌面的
颜色信息，使用光敏二极管实时监测教室的光照值，调整相对应的阈值识别四边形区域中的桌面区域，将彩色图像转化为二值化图像，最终筛选出桌面区域。
[0020] 去除桌面区域的高光区域，具体方法为，首先通过图片
像素的灰度值映射出桌面的亮度信息，将筛选出的桌面区域图像转换为MSF图像后，在MSF图像中通过像素的第i个分量的颜色值与像素的3个分量最小的颜色值的差值与所有像素最小颜色值的平均值做比较，从而判定为漫反射像素点或
镜面反射点，从而消除镜面反射分量。
[0021] 本发明的基于NB-IOT的教室光照自供能控制系统及方法，具有如下有益效果：
[0022] 采用太阳能自供能模块，采集太阳能为
嵌入式系统供电，节约了部分
电能；
[0023] 嵌入式监控模块加载了图像传感器，热释红外传感器以及光敏二极管，系统能够自动实时地采集图像信息进行判断，同时
温度和光敏数据加以辅助，大大地提高了精确度；
[0024] 采用新兴的通信技术NB-IOT，是一种蜂窝网通信，不但覆盖广，连接强，
信号稳定，且低功耗，不会占用过多的网络资源。
附图说明
[0025] 构成
说明书一部分的附图描述了本发明的
实施例，并且连同描述一起用于解释本发明的原理，参照附图，可以更加清楚地理解本发明：
[0026] 图1是本发明一种基于NB-IOT的教室光照自供能控制系统的结构示意图；
[0027] 图2是本发明图像传感器的像素灰度值和曝光量的关系图；
[0028] 图3是广义的光学成像示意图；
[0029] 图4是本发明一实施例中教室场景模拟示意图。
具体实施方式
[0030] 下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
[0031] 如图1，本发明的一种基于NB-IOT的教室光照自供能控制系统，包括嵌入式监控模块、NB-IOT通信模块、上位机监控端、LED灯控模块；嵌入式监控模块包括单片机和与单片机通信连接的图像传感器，单片机通过图像传感器采集图像，识别出教室中的桌面区域，再通过曝光过程灰度值与亮度的映射采集照度信息，并通过NB-IOT通信模块发送给上位机监控端；上位机监控端通过实时发送的照度信息调节LED灯控模块的亮度。
[0032] 作为本发明的一实施例，如图4所示，本光照自供能控制系统还包括与嵌入式监控模块相电连的自供能采集模块，由光伏电池组和蓄电池组成。光电材料在阳光的照射下会产生光生载流子，从而在两端产生
电压差，在两端配上闭合回路之后就会有
电流产生，利用此特性可以制作光伏电池。通常采用多个光伏电池
串联或者并联成光伏电池组来使用，每个组件采用标准数量为36块光伏电池，集连后就可以作为电源使用，用来给蓄电池充电。
[0033] 考虑教室没有人的情况，LED灯控模块一直工作会造成能源浪费，因此，在嵌入式监控模块中设有与单片机电连接的热释红外传感器，单片机通过热释红外传感器监测教室内人员的活动状态并将信息传递给上位机监控端，通过上位机监控端控制LED灯控模块的工作状态。
[0034] 当检测教室内没有人员活动时，上位机监控端将LED灯控模块关闭，同时，单片机进入低功耗模式，最大程度节约电量；当教室内有人员活动，
环境温度会升高，单片机立即进入工作状态。
[0035] 图像传感器采集到的RGB彩色图像转化为HSV图像并设置一定的阈值进行识别，但在识别过程中往往会受环境光的影响，因此在嵌入式监控模块中设有与单片机电连接的光敏二极管，用于监测教室内环境光的照度，在根据所得环境光照度实时的调整阈值范围内更好的区域识别。
[0036] 一种基于NB-IOT的教室光照自供能控制方法，包括如下步骤：
[0037] 步骤一，采集教室场景RGB图像并将RGB图像转换成HSV图像格式；
[0038] 步骤二，基于Hough算法计算HSV图像中的直线，设定直线的斜率和直线间距的阈值并对直线的边缘断线部分进行连接；
[0039] 步骤三，将每四条直线围住的区域做二值化处理，得到所有四边形区域；
[0040] 步骤四，从四边形区域中筛选出桌面区域，去除桌面区域的高光区域；
[0041] 步骤五，根据桌面区域照度与亮度对应的反射系数，将桌面区域的亮度数据转化为照度数据；
[0042] 步骤六，根据桌面区域照度数据判定是否调节灯具的亮度。
[0043] 图像传感器所采集到的信息一般是RGB彩色图像，比较符合人眼的习惯。但对于相近的颜色，R，G，B的可能会差别很大。因此在数字
图像处理中通常采用HSV图像。再根据桌面的颜色信息对整张图像的HSV值设置相应的阈值，将彩色图像转化为二值化图像，进而识别四边形区域。
[0044] 所检测出的四边形区域还包括教室内除桌面以外的比如黑板或者奖状等其他四边形区域，因此通过颜色识别与形状识别相结合的方法，最终识别更加准确的桌面区域。
[0045] 由于环境光的影响，同一个阈值并不能适应所有的场景。在嵌入式监测模块内添加了一个光敏二极管，用于监测环境光的照度，通过所得环境中的光照数据对颜色识别的阈值进行调整。具体的H、S、V阈值与外界环境光照度的关系受许多因素的影响，比如桌面的颜色、桌面光滑程度以及图像传感器自身的传输特性等。
[0046] 假设室内光照度的范围大约是0-1000lx，分别设置光敏二极管的光照值为0-200lx以下，200lx-400lx，400lx-600lx，600lx-800lx，800lx-1000lx五种情况的阈值，若光照大于1000lx，仍然采用800lx-1000lx的阈值。当光敏二极管所测光照在对应的范围内时，使用对应的阈值进行桌面区域的识别，去除桌面区域的其他四边形区域，提高桌面区域的识别
精度。
[0047] 对于一个图像传感器，成像面的表面照度与曝光量的关系如图2所示：
[0048] H＝E×T (1)
[0049] 其中，H表示曝光量，E为成像表面照度，T为曝光时间。
[0050] 如图3所示，在成像表面照度E和
光源面的亮度L的关系如下；
[0051]
[0052] 其中，τ为成像系统的透射率，f为成像系统的焦距，d为成像系统的物距，F为相对孔径数。
[0053] 在一般的成像系统中，透镜的焦距f都远小于物距d，如图3所示可简化为：
[0054]
[0055] 因此，对于一个明确的成像系统， 为一个明确的量，可设为常数k，则曝光量H等于常数k与光源面的亮度L和曝光时间T的乘积；
[0056] H＝k×L×T (4)
[0057] 因此获取足够多的图像灰度值与物面亮度的相关信息，进而拟合出响应曲线以及公式，即可通过图片像素的灰度值直接映射出物面的亮度，从而得到桌面的亮度信息。
[0058] 假设桌面为理想的漫反射表面，则推算出桌面的照度信息。
[0059] L＝R×E (5)
[0060] 其中L为光源面的亮度，E为成像表面照度，R为反射系数，即漫反射表面的亮度和照度成正比。
[0061] 但是，为使得理想漫反射面的假设能够成立，在将亮度映射到照度之前需要处理掉桌面的高光区域。对于一个反射表面来说，其反射光可以看作镜面分量和漫反射分量的
叠加，表现为：
[0062] V＝mdD+msS (6)
[0063] 其中，V表示总的反射分量，D和S分别表示漫反射分量和镜面反射分量，而md和ms分别表示各自的权重系数。将原图像转化为MSF图像再进行去高光处理，计算过程如下所示；
[0064]
[0065] Vmin(p)＝min(V1(p),V2(p),V3(p)) (8)
[0066]
[0067]
[0068]
[0069] Vi(p)是像素p的第i个分量的颜色值，Vmin，i(p)表示像素p的3个分量最小的颜色值， 表示所有像素最小颜色值的平均值。若满足 则为漫反射像素点，相反，若满足 则为镜面反射点，为去除桌面的高光区域，去除
镜面反射点。
[0070] 获取照度数据以后，嵌入式监控模块通过NB-IOT通信模块将数据传递给
云平台，由云平台将数据传送给上位机。上位机可以为计算机
用户界面或者手机APP，作用是将观测得到的照度数据存储起来并且判断当前的照度值是否合适，如果不合适，则通过NB-IOT通信模块将需要调接的信息传输给LED灯控模块，改变LED灯的亮度，使教室内的光照始终保持在一个合适的范围内。
[0071] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应含在本发明的保护范围之内。
