申请/专利权人：山东海智星智能科技有限公司

申请日：2023-12-18

公开（公告）日：2024-04-09

公开（公告）号：CN117420868B

主分类号：G05D27/02

分类号：G05D27/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.09#授权;2024.02.06#实质审查的生效;2024.01.19#公开

摘要：本发明提供了一种基于物联网的智慧教室控制系统及方法，其中系统包括：应用层、云服务层和设备层；所述设备层，用于基于无线网络通过传感器设备将采集的教室环境数据进行传递，并对显示异常的所述教室环境数据对应的设备进行维护；所述云服务层，用于采集所述设备层发送的教室环境数据，并通过PID控制算法对所述设备层中的教室温控子系统进行智能控制；所述应用层中智能教学管理子系统，用于基于视觉分析算法根据所述教室环境数据中的教室视频数据进行教室座位就坐率计算；所述应用层还用于通过智能教学管理子系统对教学资料进行共享，并对教学任务进行管理。本发明既可以减少资源浪费，从而提高教学的高效性。

主权项：1.基于物联网的智慧教室控制系统，其特征在于，包括：应用层、云服务层和设备层；所述设备层，用于基于无线网络通过传感器设备将采集的教室环境数据进行传递，并对显示异常的所述教室环境数据对应的设备进行维护；所述云服务层，用于采集所述设备层发送的教室环境数据，并通过PID控制算法对所述设备层中的教室温控子系统进行智能控制；所述应用层中智能教学管理子系统，用于基于视觉分析算法根据所述教室环境数据中的教室视频数据进行教室座位就坐率计算；所述应用层还用于通过智能教学管理子系统对教学资料进行共享，并对教学任务进行管理；所述应用层中智能教学管理子系统包括：智能考勤模块：用于基于所述教室环境数据中的教室视频数据通过视觉分析算法对监视监控画面视频流进行人员检测，获取教室区域座位就坐率；所述智能考勤模块，还用于基于热力图分析技术对所述教室视频数据中人员分布进行分析，获取分析结果，根据所述分析结果对教室区域物体进行区分，得到教师行动轨迹、教室区域人头抬头率；互动教学模块，用于基于教室中预先设置的交互式触控投影屏幕，进行线上和线下双联互动教学，并生成教学记录；其中，所述互动教学类型包括：教学通知、教学答疑、音视频互动教学、文字互动教学、在线作业、在线考试与测试、小组协作活动和远程辅导教学；所述互动教学模块，还用于将所述教学记录按照所述互动教学类型进行分类，获取互动教学分类数据表；根据所述互动教学分类数据表生成对应的互动教学类型二维码，并将所述互动教学类型二维码反馈至资源管理模块进行存储；资源管理模块，用于对上传至资源库中的教学资源和互动教学二维码进行记录和存储，并与云服务层直接进行资源数据共享；所述智能考勤模块中教室区域座位就坐率的获取步骤如下：S1：通过所述教室视频数据获取教室各区域视频帧，基于所述教室各区域视频帧，进行图像非关键区域排除，筛选得到预设区域图像；S2：通过预设转换参数对所述预设区域图像颜色进行空间转换，得到预设颜色空间图像；S3：基于所述预设颜色空间图像，进行图像辨识度增强处理，获取强化图像，对所述强化图像中颜色空间数据进行二值化处理，对进行二值化处理后的图像进行膨胀腐蚀运算，得到无噪图像；S4：基于所述无噪图像，根据发色信息提取人头候选区域，通过Hough变换法将所述人头候选区域的图像空间映射至参数空间，生成检测目标图像；S5：对所述检测目标图像进行区域搜索，获取各目标区域，当所述目标区域大于或等于预设检测阈值时，将所述目标区域作为人头候选区域；当所述目标区域小于预设检测阈值时，将所述目标区域进行排除；S6：根据所述人头候选区域、人头半径和人员坐标进行连通区域统计，获取预设规格连通区域个数和连通区域总数，并根据所述预设规格连通区域个数和连通区域总数计算获取教室区域座位就坐率；所述检测目标图像计算式如下： ;其中，；式中，表示检测目标图像；表示空间参数；表示发色信息总数；表示发色信息i对应人头候选区域的图像空间；表示预设区域图像；表示预设转换参数；表示降噪系数;所述云服务层包括：接入采集模块、智能控制模块和存储共享模块；所述接入采集模块和所述设备层通过物联网设备中的通信模块连接；所述接入采集模块，用于采集所述设备层中获取的教室环境数据，并将所述教室环境数据发送至所述智能控制模块；所述智能控制模块，用于根据所述教室环境数据中的教室温湿度数据通过PID控制算法，生成控制指令，并通过所述控制指令对教室温控子系统进行智能控制；所述存储共享模块，用于将所述教室环境数据进行存储，并将所述教室环境数据与所述应用层和设备层进行数据共享；其中，所述教室环境数据包括：教室视频数据、教室灯光数据、教室温湿度数据、通风检测数据、二氧化碳检测数据、检测数据、烟雾检测数据和门窗开闭检测数据；所述智能控制模块具体用于：通过温湿度传感器采集教室的温湿度数据，将所述温湿度数据进行排序，获取温湿度数据序列；基于所述温湿度数据序列，进行室温达标分析，确定温湿度输入偏差值；其中，所述温湿度输入偏差值计算式如下： ；式中，表示温湿度输入偏差值；表示当前温湿度偏差值；表示室温达标参数；表示温湿度数据序列的偏差总值；其中，；式中，表示温湿度数据序列的偏差总值；表示第k个温湿度数据序列的偏差值；其中，；式中，表示当前温湿度偏差值；表示第k个温湿度数据序列的偏差值；表示温湿度数据序列的最近偏差值；表示温湿度传感器输出误差值；其中，；式中，表示温湿度数据序列的最近偏差值；表示预设控制目标值；表示控制对象当前值；根据所述温湿度输入偏差值和预设控制参数的初始值，进行在线模糊控制，确定当前教室温湿度的误差和误差变量，并建立模糊控制规则；其中，所述预设控制参数包括：第一预设控制参数、第二预设控制参数和第三预设控制参数；基于所述模糊控制规则，根据所述误差和误差变量构成模糊子集，并根据正态分布规则，得到各所述模糊子集的隶属度函数；对所述模糊子集的隶属度函数进行赋值，并通过模糊合成载体生成模糊矩阵表，根据所述模糊矩阵表，查询得到温湿度修正系数；根据所述温湿度修正参数、预设控制参数的初始值、当前教室温湿度的误差和误差变量，计算得到控制参数实时值；根据所述控制参数实时值，生成控制指令，并通过所述控制指令对教室温控子系统进行智能控制；所述控制参数实时值计算式如下： ；式中，表示第一预设控制参数实时值；表示第二预设控制参数实时值；表示第三预设控制参数实时值；表示第一预设控制参数的初始值；表示第二预设控制参数的初始值；表示第三预设控制参数的初始值；表示当前教室温湿度的误差；表示当前教室温湿度的误差变量；表示第一温湿度修正系数；表示第二温湿度修正系数；表示第三温湿度修正系数。

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