李林雋+周怡安

摘 要：針對高校自習(xí)室中廣泛存在的燈常亮、風(fēng)扇常開等不環(huán)?，F(xiàn)象，采用基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與無線傳輸，結(jié)合視頻檢測與圖像處理技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)智能控制系統(tǒng)，以達(dá)到充分利用教學(xué)資源、節(jié)能環(huán)保、創(chuàng)造舒適學(xué)習(xí)環(huán)境的目的。系統(tǒng)具有可靠性好、精度高、速度快的優(yōu)點(diǎn)，有一定推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);傳感器;視頻檢測;分區(qū)照明

中圖分類號：TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：2095-1302（2015）01-00-03

0 ?引 ?言

隨著能源的日益緊張，節(jié)能工作已在全國各地蓬勃發(fā)展起來。相對于商業(yè)樓宇，校園里的照明燈具相對較多，據(jù)測算，其照明耗電占到學(xué)校所有耗電的30～60%。在高校中，學(xué)生經(jīng)常需要在課余時(shí)間使用自習(xí)室，雖然有些學(xué)校會在教學(xué)樓的大廳顯示出空閑的教室，但哪些教室有空余座位就需要學(xué)生一層一層的跑，極其不方便。而學(xué)校為了滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求會開放大量的自習(xí)室供學(xué)生使用，因此存在著不管有沒有人卻燈常亮、風(fēng)扇常開等不環(huán)保的現(xiàn)象，帶來電力的浪費(fèi)。一個(gè)教室的浪費(fèi)看似很少，但如果擴(kuò)大到全國的所有學(xué)校，浪費(fèi)將十分驚人。針對以上情況，本文基于視頻檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)自習(xí)室的節(jié)能，既充分利用了教學(xué)資源，降低學(xué)校運(yùn)行費(fèi)用，又節(jié)能環(huán)保，提高學(xué)校的科學(xué)管理水準(zhǔn)，為學(xué)生創(chuàng)造了舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境。本項(xiàng)目研究成果在餐廳、醫(yī)院、圖書館等很多公共場所也具有應(yīng)用的潛力，具有一定經(jīng)濟(jì)和社會效益。

1 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目基于視頻檢測技術(shù)進(jìn)行自習(xí)室中人數(shù)采集，利用物聯(lián)網(wǎng)為核心的控制技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要解決以下問題：提供教室空余座位信息，讓學(xué)生快捷省力地尋找到合適的自習(xí)室，避免跑上跑下;避免自習(xí)室燈常亮、風(fēng)扇常開的的用電浪費(fèi)不環(huán)?，F(xiàn)象，自習(xí)室無人時(shí)關(guān)閉所有電源;智能調(diào)節(jié)自習(xí)室的溫度，當(dāng)溫度高于某一溫度時(shí)風(fēng)扇或空調(diào)的電源才供電;提供教室分區(qū)照明，在教室人少時(shí)進(jìn)一步節(jié)電。

智能自習(xí)室控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：自習(xí)室出入人數(shù)記錄教室人數(shù)的屏幕顯示;自習(xí)室分區(qū)照明控制;教室環(huán)境數(shù)據(jù)采集與控制;采集數(shù)據(jù)的無線傳輸。

智能自習(xí)室控制系統(tǒng)組成主要分為數(shù)據(jù)采集、傳輸與控制、輸出與顯示三大部分，如圖1所示。

圖1 ?系統(tǒng)組成框圖

（1）數(shù)據(jù)采集部分

系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)包括：紅外傳感器采集進(jìn)出自習(xí)室的人數(shù)。溫濕度和光照傳感器采集到的教室環(huán)境參數(shù)，包括溫度、濕度、光強(qiáng)。攝像頭采集教室的實(shí)時(shí)圖像，傳送到PC機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。

（2）傳輸與控制部分

系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)器進(jìn)行總控制，傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee無線傳輸?shù)竭_(dá)協(xié)調(diào)器。若教室中無人，則照明、風(fēng)扇等電源全部關(guān)閉;若有人，需先判斷是否光強(qiáng)達(dá)不到要求，如果需要開燈則通過圖像對比分析出人所在的區(qū)域，開啟該區(qū)域的照明，若溫度達(dá)到設(shè)定值，則風(fēng)扇自動開啟。紅外傳感器采集的數(shù)據(jù)在單片機(jī)中進(jìn)行處理，統(tǒng)計(jì)出自習(xí)室的人數(shù)，與教室能容納的總?cè)藬?shù)相減，則能計(jì)算出自習(xí)室的空余座位數(shù)。

（3）輸出與顯示部分

在單片機(jī)控制下完成在LCD屏幕上顯示當(dāng)前自習(xí)室的人數(shù)。圖像處理及對比的結(jié)果在PC機(jī)Matlab環(huán)境下顯示相應(yīng)圖片。

2 ?系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

智能自習(xí)室系統(tǒng)利用了單片機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字圖像技術(shù)來實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功能。以下主要從自習(xí)室進(jìn)出人數(shù)記錄、自習(xí)室分區(qū)照明控制、自習(xí)室溫濕度控制三個(gè)部分來介紹實(shí)現(xiàn)的原理。

2.1 ?自習(xí)室進(jìn)出人數(shù)統(tǒng)計(jì)

（1）方案選擇

對自習(xí)室中人數(shù)的檢測已有很多方法。方法一通常在學(xué)校的圖書館和閱覽室中廣泛使用，即在門口安裝一臺刷卡機(jī)，每個(gè)同學(xué)進(jìn)出時(shí)需刷卡通過。這種方法不僅可以統(tǒng)計(jì)出每個(gè)教室的人數(shù)，而且能統(tǒng)計(jì)出學(xué)生上自習(xí)的次數(shù)，但刷卡機(jī)安裝投資較高，也不方便學(xué)生進(jìn)出教室。另一種方法在某些智能教室的方案中有提及，即在自習(xí)室中的每個(gè)座位底下安裝一個(gè)壓力傳感器，當(dāng)有人坐下時(shí)，傳感器感知信息并傳遞給相關(guān)處理器進(jìn)行記錄和統(tǒng)計(jì)。相比前一種，此方法復(fù)雜性增加，成本投資高，傳感器很容易被損壞，不易維護(hù)。第三種方法是同時(shí)在教室門的里外各放置一個(gè)熱釋電紅外傳感器，教室門外的標(biāo)記為1，教室門里的標(biāo)記為2。當(dāng)有人進(jìn)入時(shí)順序?yàn)椋?，2），離開時(shí)為（2，1），進(jìn)入則計(jì)數(shù)加1，離開減1，從而統(tǒng)計(jì)出教室內(nèi)的人數(shù)。通過分析，最后一種方法結(jié)構(gòu)簡單，成本低，只要限制在門口學(xué)生只能單排通過就不會有漏計(jì)。因此本系統(tǒng)中采用紅外傳感器進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)自習(xí)室進(jìn)出人數(shù)的統(tǒng)計(jì)。

（2）硬件實(shí)現(xiàn)

自習(xí)室人數(shù)統(tǒng)計(jì)部分由紅外傳感器檢測模塊、單片機(jī)、LCD顯示模塊、電源四部分組成。當(dāng)紅外傳感器檢測部分檢測到有物體經(jīng)過時(shí)，紅外接收電路的串聯(lián)電阻會分壓減小，使電壓比較器的正向輸入端小于負(fù)向輸入端的電壓，電壓比較器輸出一個(gè)低電平信號，該信號將供單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)控制。人數(shù)計(jì)數(shù)結(jié)果在LCD顯示模塊中顯示出來。

（3）軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，自習(xí)室人數(shù)的統(tǒng)計(jì)采用外部中斷方式計(jì)數(shù)。當(dāng)有單片機(jī)中斷引腳接收到一低電平時(shí)，單片機(jī)就自動進(jìn)入中斷服務(wù)程序，處理外部的中斷問題。計(jì)數(shù)部分考慮到三種可能出現(xiàn)的情況：1）無人通過。兩個(gè)傳感器發(fā)給單片機(jī)的信號維持高電平，不產(chǎn)生中斷信號，單片機(jī)計(jì)數(shù)不變。2）有人正常進(jìn)出教室。進(jìn)入時(shí)會按順序觸發(fā)二個(gè)傳感器。3）有人非正常進(jìn)出教室。即觸發(fā)某一個(gè)傳感器后離開或長時(shí)間未觸發(fā)第二個(gè)傳感器，這種情況要求需要設(shè)定通過門口的時(shí)間。處理流程如圖2所示。

設(shè)門外的傳感器對應(yīng)單片機(jī)的外部中斷引腳INT0，門內(nèi)的傳感器對應(yīng)外部中斷引腳INT1，單片機(jī)每隔8 ms左右會采集一次INT0和INT1引腳。設(shè)通過時(shí)間為255次掃描的總時(shí)間。首先根據(jù)收到的中斷INT0和INT1信號進(jìn)行判斷，若檢測到有INT0信號，就馬上關(guān)閉INT0的中斷，立即開始檢測INT1，在通過時(shí)間內(nèi)若檢測到INT1信號則人數(shù)加1，若未檢測到就重新檢測INT0和INT1信號。同理，若先檢測到INT1有信號，馬上關(guān)閉INT1的中斷，立即開始檢測INT0，在通過時(shí)間內(nèi)若檢測到了INT0信號則人數(shù)減1，若未檢測到則重新檢測INT0和INT1信號。

圖2 ?脈沖計(jì)數(shù)中斷流程圖

2.2 ?自習(xí)室溫度控制

（1）方案選擇

溫濕度的檢測與控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中比較典型的應(yīng)用之一，已逐漸應(yīng)用到我們生活的方方面面，技術(shù)非常成熟。傳統(tǒng)的溫度檢測大多采用熱敏電阻，可靠性較差，對溫度的測量準(zhǔn)確率低，電路復(fù)雜。目前多采用單片機(jī)來控制數(shù)字化溫度傳感器，測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)。

（2）硬件部分

本項(xiàng)目中溫濕度以及光照傳感器采用的是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的采集模塊，只需進(jìn)行軟件編程控制即可。技術(shù)指標(biāo)：

溫度傳感器：范圍-20 ℃～+130 ℃;分度：0.1 ℃。

濕度傳感器：范圍0～100%，分度0.1%。

光照度傳感器：范圍0～10 000 lx，分度1 lx。

（2）軟件設(shè)計(jì)

溫濕度控制的軟件設(shè)計(jì)主要包含溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集與顯示，對繼電器模塊的控制等，部分流程圖如圖3所示：當(dāng)檢測到溫度大于等于事先設(shè)定的溫度閾值時(shí)，開啟協(xié)調(diào)器上的控制風(fēng)扇或空調(diào)的繼電器，啟動風(fēng)扇或空調(diào);當(dāng)溫度小于該設(shè)定溫度時(shí)，返回繼續(xù)讀取溫濕度數(shù)據(jù)，若原風(fēng)扇處于開啟狀態(tài)則關(guān)閉繼電器。

2.3 ?自習(xí)室分區(qū)照明控制

（1）方案選擇

燈光的分區(qū)照明最常用的方式是采用遙控控制，沒有實(shí)現(xiàn)自動化。近年有采用熱釋紅外傳感器進(jìn)行分區(qū)照明的應(yīng)用，即用紅外傳感器檢測是否有人體存在。結(jié)合當(dāng)前采集到的教室光強(qiáng)信號進(jìn)行智能判斷，完成對教室分區(qū)照明的智能控制。這種方法由于熱釋紅外傳感器探測范圍有限，且對運(yùn)動物體敏感，若學(xué)生進(jìn)入教室后不動則探測不到人體，容易誤關(guān)燈，帶來不便?？紤]到目前學(xué)校里幾乎每個(gè)教室都有視頻監(jiān)控，如果將自習(xí)室門口的人數(shù)計(jì)數(shù)與教室內(nèi)攝像頭捕捉到的人員信息進(jìn)行綜合考慮的話，則可以大大提高可靠性。

（2）軟件設(shè)計(jì)

圖像處理法：

設(shè)置每個(gè)自習(xí)室有一個(gè)USB攝像頭，每個(gè)自習(xí)室分為兩個(gè)照明區(qū)域。每隔一段時(shí)間系統(tǒng)自動對自習(xí)室進(jìn)行圖像采集，并與自習(xí)室沒人時(shí)拍攝的圖像進(jìn)行對比，判斷區(qū)域內(nèi)是否有人，從而控制該區(qū)域的照明。流程圖如圖4所示。

視頻檢測法：

圖像處理法只簡單地使用了自習(xí)室背景模板和自習(xí)室當(dāng)前取樣圖像進(jìn)行對比，得到該區(qū)域是否有人的結(jié)論，而沒有考慮到教室里一天到晚、一年四季光線的強(qiáng)弱變化是不同的，會對圖像對比結(jié)果造成影響，可能會引起判斷失誤。采用視頻檢測技術(shù)，利用教室中已安裝的攝像頭進(jìn)行多幀圖像處理，用前n幀重構(gòu)背景圖像，后面的幀進(jìn)行人員識別，從而計(jì)算出自習(xí)室中的人數(shù)。

圖3溫、濕度控制流程 ? ? ? ? ? 圖4自習(xí)室分區(qū)照明流程

3 ?結(jié)果驗(yàn)證

（1）自習(xí)室進(jìn)出人數(shù)記錄功能

調(diào)整好模擬自習(xí)室內(nèi)紅外傳感器位置，打開電源。屏幕顯示進(jìn)行初始化，初值界面設(shè)定初值為“00000”。 用測試物體依次經(jīng)過紅外傳感器1，紅外傳感器2。每進(jìn)行一次操作觀察一次屏幕顯示的結(jié)果。用測試物體依次經(jīng)過紅外傳感器2，紅外傳感器1，每進(jìn)行一次操作觀察一次屏幕顯示的結(jié)果。

（2）自習(xí)室分區(qū)照明控制功能

圖像處理法：將測試物體置于自習(xí)室內(nèi)所分配的兩個(gè)區(qū)域內(nèi)，觀察日光燈的亮滅情況及電腦屏幕界面所顯示的圖像對比情況。如圖5共分為4種情況，每種情況中左圖是教室情況，右圖是對應(yīng)USB攝像頭采集圖像的處理結(jié)果。

（a）左右均無人，燈全關(guān)閉 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（b）左右都有人，燈都開啟

（c）左側(cè)有人，左燈亮 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （d）右側(cè)有人，右燈亮

圖5 ?自習(xí)室分區(qū)照明情況

視頻檢測法：根據(jù)教室中安置的攝像頭進(jìn)行視頻檢測，重構(gòu)背景圖像，進(jìn)行人數(shù)統(tǒng)計(jì)，如圖6。其中（a）為視頻輸入，要求攝像機(jī)不動;（b）為從視頻中重建的背景圖;（c）為檢測圖，通過當(dāng)前幀與背景幀的對比，找到有變化的部分二值表示，并利用腐蝕技術(shù)統(tǒng)計(jì)人員個(gè)數(shù)，在人員外圍畫框;（d）人員跟蹤圖，根據(jù)檢測到的情況在當(dāng)前視頻幀相應(yīng)位置上畫框。

（a） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （b）

（c） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（d）

圖6 ?視頻檢測法得到自習(xí)室人數(shù)

（3）自習(xí)室溫濕度控制功能

控制系統(tǒng)平臺設(shè)定啟動電扇/空調(diào)的溫度測試點(diǎn)，如26.5 ℃。將熱源靠近溫度傳感器，逐漸增溫，使其到達(dá)設(shè)定的溫度，風(fēng)扇啟動。隨著熱源的遠(yuǎn)離，溫度下降，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定溫度時(shí)，繼電器關(guān)閉，可以觀察到風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動。

風(fēng)扇轉(zhuǎn)動的前提條件為自習(xí)室中的溫度達(dá)到了設(shè)定的目標(biāo)溫度，并且自習(xí)室中有人。當(dāng)自習(xí)室內(nèi)溫度未達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)溫度時(shí)或自習(xí)室中無人時(shí)，風(fēng)扇不轉(zhuǎn)動，起到了節(jié)能的效果，避免了用電浪費(fèi)。

（4）利用網(wǎng)頁進(jìn)行實(shí)時(shí)人數(shù)顯示

為了方便學(xué)生查找自習(xí)室現(xiàn)有人數(shù)，可以將各個(gè)自習(xí)室的數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳到教學(xué)樓一樓的一塊大屏幕上，方便學(xué)生進(jìn)行選擇。也可以通過智能手機(jī)APP進(jìn)行查詢，學(xué)生可以按教室查人數(shù)、按人數(shù)多少推薦教室等很多方式，以最快捷的方式查找到理想的自習(xí)教室。

4 ?結(jié) ?語

本項(xiàng)目基于物聯(lián)網(wǎng)為核心的控制技術(shù)，利用各種傳感器進(jìn)行溫、濕度，光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)采集，綜合運(yùn)用數(shù)字圖像處理和視頻檢測等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自習(xí)室控制系統(tǒng)的智能化。創(chuàng)新點(diǎn)和優(yōu)勢在于：（1）本項(xiàng)目基于物聯(lián)網(wǎng)為核心的控制技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為物聯(lián)網(wǎng)在智能校園找到新的應(yīng)用，解決了學(xué)生在自習(xí)室中遇到的一些問題。（2）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有先進(jìn)性，是未來的發(fā)展方向，相應(yīng)的傳感模塊可以和其他的應(yīng)用很好結(jié)合，將發(fā)揮更大的效用。（3）通過視頻檢測技術(shù)等方式提供自習(xí)教室準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)人數(shù)信息，避免使用紅外傳感器方式時(shí)多人同時(shí)離開教室造成誤判現(xiàn)象的發(fā)生，影響對照明及控溫的管理的有效性。（4）基于圖像處理技術(shù)提供自習(xí)教室分區(qū)照明，可以充分利用學(xué)校已有的資源，創(chuàng)造了更加優(yōu)越的學(xué)習(xí)環(huán)境，具有一定應(yīng)用和推廣價(jià)值。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求的智能化控制功能，進(jìn)一步可在以下幾方面進(jìn)一步改進(jìn)：（1）通過電子標(biāo)簽的方法優(yōu)化自習(xí)室出入人數(shù)記錄，獲取每位進(jìn)出學(xué)生的信息，建立數(shù)據(jù)庫，可供查詢。（2）通過數(shù)學(xué)建模，在保證學(xué)生舒適度的情況下減少自習(xí)室的開放，進(jìn)一步節(jié)電。（3）改進(jìn)背景建模的分割方法，以適應(yīng)教室中光照緩慢變化和搖擺樹葉等緩慢變化的背景圖像;對于光照突變的幀圖像，可以進(jìn)行二次分割，提高分割方法的魯棒性和分割精度。

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