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基于视频数据分析的建筑智能照明系统研究

日期:2020年10月15日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:34
论文价格:100元 论文编号:lw202010071050559537 论文字数:33655 所属栏目:在职研究生论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:在职研究生论文 On-the-job graduate paper

本文是一篇在职研究生论文,本系统针对大型公共建筑中,传统照明设备控制功能单一,电能消耗严重等问题,对智能建筑照明系统进行了相应的研究。在查阅相关文献的基础上,从公共建筑智能照明控制方向出发,结合当前建筑所存在的照明用电浪费严重,室内照明设备无人监管等问题提出的解决方案。本系统主要包括“人在回路”空间分布识别和智能照明控制系统两部分,其设计具有抗干扰能力强,支持手动、自动调节、延长灯具寿命等优点,有助于实现智能化照明并节约能源。


第一章  绪论


1.1  课题研究背景及意义

建筑工业是国民经济的重要产业,是关系国家竞争力和国计民生的关键行业。然而,伴随着全球新一轮科技革命的到来,加快传统建筑产业的数字化、智能化,成为当前我国经济转型发展的新动力。随着全球工业化与城市化进程的不断加快,建筑能源需求总量急剧增加,导致能源危机、城市环境恶化,成为全球面临的重大问题。美国和欧洲发达国家建筑能耗占国家总能耗的 30%~40%,而我国建筑能耗占全国能源消耗总量的 20.62%左右,特别是公共建筑,能耗占整个建筑能耗的 38.53%[1],我国建筑能耗构成比例如图 1.1 所示。全球建筑照明系统能耗占世界总电能耗的 19%[2],美国照明用电量占美国总电能消耗的 10% [3],我国办公建筑照明能耗约占建筑总电耗的 30%。近年来,我国照明能耗的“黑洞”还将进一步扩大,传统建筑照明设备运行能耗在满足人类文明的发展进程中日益显现其不足。智能建筑作为极具发展潜力的高新技术产业,融多学科、多种高新技术于一体,对降低建筑能耗具有重大意义,是现代建筑工业改造和发展的重要方向,必须加快人工智能驱动的新一代智能建筑技术体系的建立,而构建智能建筑照明系统正是该体系的关键核心技术。

图 1.1 2016 年我国建筑能耗构成比例

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1.2  国内外研究现状

1.2.1  建筑智能照明系统

随着人工智能技术的发展,建筑设备设计和运行正朝着智能化的方向发展,传统的技术和方法已经无法满足于当前人们对于智能化控制的需求[10]。智能建筑是利用现代技术,将建筑物的设备、结构和服务等功能有机结合,为用户提供安全舒适的智能化、信息化的人性化建筑环境,是集合现代高端科学技术之大成的产物[11],而智能建筑照明系统是智能建筑系统重要组成部分,近年来相关技术和产业发展非常迅速。发光二极管(Light-Emitting Diode, LED)灯具有稳定性强、抗震性强、效能高和环保的特点[12],在照明系统中得到广泛应用,逐渐取代传统照明灯,作为节能和环保的照明设备。Microchip 公司在 2017 年 LED智能照明技术会议上,提出了结合蓝牙无线网络[13,14],广域低功耗(Low-Power Wide-Area, LPWA)技术[15]和 Zigbee 3.0[16]通讯技术的单片机,不仅推动了智能建筑朝向智能化、信息化和联网化方向的发展[17,18],也大大提升了照明系统的节能环保效果。世界移动通信大会(Mobile World Congress, MWC)会议上,小米公司推出了 LED 智能灯,可以实现远程控制、灯光调节和语音识别灯。

近年来,国内外的专家学者在照明系统的通讯方式和控制策略进行了深入研究,Sung-Yong 和 Sung-Jae 等人基于时分多路复用算法开发出一套分布式照明控制系统,通过使用循环时分复用算法,降低成本,提高可靠性,但容易导致终端数量过大、不利于具体施工的问题[19]。Kaneko Yosuke 和 Kitagami Shinji 提出了应用于办公室照明系统的计算照明控制算法,该算法可以根据光照分布情况调节灯具供电电流值[20]。Soori 等人设计了一套节能办公照明控制系统,从人员视觉舒适和能源消耗两个方面考虑系统有效性,通过仿真实验进行了验证  [21]。Jinsung Byun 等人提出了基于人员满意度的智能照明节能系统,提出了空间特性和人员满意度模型参数,以提高人员满意度、降低能耗;但在实际应用中的性能评估比较困难,不利于推广[22]。国内学者王锡琴等提出了一套将自然光照和人工设计的照明系统相结合的照明系统,该系统依据照明和建筑采光的关系,自动调节光照,当自然光照不足的时开启照明,当自然光照充足时切断照明,在保证良好光照环境的同时,节约能源[23]。王荣、高颖等人基于 LonWorks 技术,提出了 LED 照明系统的节能控制策略,能够准确计算开关灯时间和照明强度,提高了能源的利用率和照明系统的综合控制和管理,实现了远程操控和系统模块化[24]。

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第二章  基于视频的人在回路照明控制系统结构


2.1  建筑室内智能照明系统需求与功能分析

2.1.1  建筑室内照明需求分析

针对传统公共建筑照明系统控制功能单一,具有节能效果不明显,不便于升级、维护等问题,“十三五”城市规划提出照明节能任务目标,即至“十三五”结束末,完善城市绿色照明标准体系,提高城市照明设备的建设和维护水平,推广 LED 等新型照明产品[47]。对此,针对我国 2013 年颁布的《建筑照明设计标准》GB50034-2013 提出了一系列修订文件 [45,46],相关文件指出新一代大型公共建筑照明控制系统应采用绿色照明模式,在满足规定照度和照明质量要求的前提下,进行节能。当前智能照明系统需求主要为在保证视觉舒适度的同时,可以实现个性化照明设计,即在不同场景、针对不同人群、房间开启不同模式,能够使系统功能得到增强,降低能源消耗,进而提高照明系统的智能性、实用性。随着人们生活水平的提高,对照明系统需求也逐步提高,照明控制系统智能化发展是大势所趋,也会变得更加安全和舒适。

针对公共建筑(会议室、教室等)人工照明系统的需求,智能照明控制系统应满足以下要求:

(1) 依据室内人员分布情况,分别控制单个照明灯具的开、关,在保证照明舒适的情况下节约能源。

(2) 用户依据自己喜好,手动控制当前室内照明灯具。 硬件设计要求:

(1)  系统成本低,普适性高,能够大范围推广。

(2)  模块化、集成化、利于更换维修。

(3)  系统可靠性高,维修率低,不易损坏。

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2.2  照明控制系统结构设计

2.2.1  人在回路的照明控制方法

本系统由“人在回路”空间分布识别模型与照明控制系统组成,原理如图 2.1 所示。摄像头获取当前室内环境视频数据;基于卷积神经网络(Convolutional neural network, CNN)[48]的室内人员检测算法进行多人检测与识别,判断当前室内是否有人并计算人员在视频图像中的位置;室内人员定位模型将视频人员图像位置向空间映射,确定室内多人空间位置坐标及分布;灯具群控策略依据人员分布定位与灯具区域划分关联关系,确定灯具开关控制量,向灯具照明系统发送“开”“关”控制信号,进行单一灯具照明控制,以达到室内所需要的光照环境,形成“人在回路”智能照明控制系统。

本系统可通过智能照明控制系统自动控制照明灯具“开”“关”状态,也可通过室内人员手动控制灯具“开”“关”状态,改变了传统照明控制功能单一的缺点,提高了建筑照明节能效果。

图 2.1  基于视频数据分析的智能建筑照明系统原理图

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第三章 基于视频的室内人员检测方法 .................... 21

3.1 目标检测算法 ............................... 21

3.1.1 YOLO 网络框架 ............................ 21

3.1.2 SSD 网络框架 .......................... 23

第四章 基于人员检测的室内人员定位模型 .................... 31 

4.1 CMAC 神经网络 ............................... 31

4.2 Y-CMAC 网络框架模型 ................................ 33

4.3 实验验证与分析 ................................. 34

第五章 智能照明系统开发 ..................... 41

5.1 智能照明系统硬件设计 ........................ 41

5.1.1 系统硬件开发 ...................... 41

5.1.2灯光控制模块设计 ........................ 42


第五章  智能照明系统开发


5.1 智能照明系统硬件设计

5.1.1 系统硬件开发

智能照明控制系统硬件开发包括 USB-Modbus 无线通信模块、灯光控制模块。USB-Modbus 无线通信模块采用 HC-12 芯片,主要功能是实现主控计算机与灯光控制模块之间数据与指令的发送、接收,主控计算机通过该模块向灯光控制模块发送人员定位分区信息,以控制灯具的开、关状态,硬件结构如图 5.1 所示。

图 5.1  硬件框架结构图

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第六章  总结和展望


6.1  总结

本系统针对大型公共建筑中,传统照明设备控制功能单一,电能消耗严重等问题,对智能建筑照明系统进行了相应的研究。在查阅相关文献的基础上,从公共建筑智能照明控制方向出发,结合当前建筑所存在的照明用电浪费严重,室内照明设备无人监管等问题提出的解决方案。本

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