陳永強，劉 韜

（蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州　 215104）

基于樹莓派的高校開放實驗室電源管理系統(tǒng)設(shè)計

陳永強，劉 韜

（蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104）

為解決高校開放實驗室的安全管理難題，設(shè)計并實現(xiàn)一種開放實驗室智能電源管理系統(tǒng).系統(tǒng)基于樹莓派和Arduino等開源創(chuàng)客平臺，依托云計算和移動互聯(lián)網(wǎng)，采用圖像處理算法與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)智能控制實驗室電閘通斷、實驗室環(huán)境感知與實時圖像采集等功能.系統(tǒng)能降低實驗室的安全風(fēng)險，提高實驗室智能管理水平.

開放實驗室；樹莓派；圖像處理；云計算

為培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才，各高校近年來大范圍地建設(shè)、擴容、升級實驗室.實驗室日漸增多，帶來實驗室管理的挑戰(zhàn).實驗室管理工作繁雜，成果不突出，教師往往不愿花費過多時間.同時，許多實驗室設(shè)備貴重，部分還有一定危險性，如強電、危險化學(xué)藥品等，這些實驗室由于安全原因一般除上課時間，基本不對外開放，利用率不高.

實驗室開放管理最重要的問題是安全問題，在電子類實驗室，主要是用電安全問題.目前在開放實驗室管理上，在健全制度的同時，主要方案是實驗室預(yù)約使用登記、實驗室助理與電子社團協(xié)助管理和應(yīng)用門禁系統(tǒng)、RFID系統(tǒng)跟蹤使用記錄［1-2］.但在日常管理中經(jīng)常有實驗室人員離開，但是電烙鐵沒斷電、強電設(shè)備沒有關(guān)閉的情況，會帶來安全隱患.

智能化是實驗室管理的發(fā)展方向，尤其在“互聯(lián)網(wǎng)+”的熱潮下，移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算和智能化迅速普及，為實驗室管理改革提供了機遇.本文探索基于樹莓派與圖像處理的高校開放實驗室智能電源管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，安全防線由系統(tǒng)自動化管理，減少管理員的管理時間，提高管理員的工作效率，提高實驗室利用率和開放性.

1　系統(tǒng)架構(gòu)

基于樹莓派與圖像處理的高校開放實驗室智能電源管理系統(tǒng)由三部分組成:圖像采集處理模塊、電閘控制模塊與云管理平臺.

圖像采集處理模塊是系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)圖像采集，智能判斷實驗室是否有人，代替管理員監(jiān)督實驗室狀態(tài)，如果實驗室沒有人，則及時斷電，防止發(fā)生火災(zāi)等隱患.模塊采用開源硬件樹莓派作為控制核心.樹莓派運行Linux系統(tǒng)，尺寸與信用卡相當(dāng).第二代產(chǎn)品具有900 MHz CPU，1 GB RAM，HDMI，以太網(wǎng)和4個USB端口等豐富的接口.第三代產(chǎn)品CPU升級到1.2 GHz，板載WiFi和低功耗藍(lán)牙（BLE）.攝像頭型號為RPI CAMERA BOARD，像素數(shù)為5百萬，1 080 p 為30幀/s，720 p為60幀/s.樹莓派使用5 V供電，外接支持HDMI的顯示器.

電閘控制模塊主要根據(jù)圖像采集處理模塊的判斷結(jié)果控制實驗室電閘的通斷.基本開發(fā)平臺選用Arduino.Arduino和樹莓派都是開源硬件，開源硬件具有全球性、穩(wěn)定性、開發(fā)速度快和成本低的特點，不僅擁有豐富的在線社區(qū)資源，其本身的硬件資源也非常豐富.開源硬件降低了硬件開發(fā)的門檻，封裝了大量底層API，屏蔽了底層硬件寄存器操作，適應(yīng)硬件軟件化的趨勢，培育了創(chuàng)客創(chuàng)新文化.采用Arduino能夠快速連接各種傳感器，通過W5100以太網(wǎng)模塊，可方便進(jìn)行HTTP通信.實驗室中電流較大，使用交流接觸器作為電閘控制電力通斷.而接觸器本身由固態(tài)繼電器控制，Arduino控制固態(tài)繼電器.智能電閘狀態(tài)和傳感器數(shù)據(jù)通過Arduino接入云管理平臺中.

云管理平臺實現(xiàn)系統(tǒng)控制和管理功能，系統(tǒng)框圖如圖1所示.管理員通過移動互聯(lián)網(wǎng)隨時隨地監(jiān)控實驗室運行狀態(tài)，遠(yuǎn)程控制實驗室電閘通斷.云平臺后端提供一系列API與樹莓派和Arduino通信.圖像采集處理模塊上傳的電閘數(shù)據(jù)與實驗室中傳感器采集的數(shù)據(jù)在云管理平臺前端可視化.平臺運行在阿里云計算ECS上，使用WAMP （Windows+Apache+MySQL+ PHP）提供API與管理界面服務(wù).

圖1　系統(tǒng)框圖

2　圖像處理算法

利用圖像處理算法檢測實驗室是否有人，主要是檢測實驗室中的運動情況，檢測運動物體最簡單的方法是背景差分法，其思想是將本幀圖像與背景模型圖像進(jìn)行差分，得到差分圖像，通過差分圖像獲得運動有關(guān)信息.背景圖像一般是在沒有人物的情況下手動拍攝多幀圖像取平均值得到.實際測試發(fā)現(xiàn)，在短期內(nèi)，背景差分法可有效判別人物是否運動和存在.但長期發(fā)現(xiàn)，光線變化會引起背景差分圖像變化，引起誤判，學(xué)生移動桌椅后離開也造成背景改變，因此背景模型圖像需要及時更新，減小誤判.

背景更新經(jīng)典算法為時間平均法，利用一段時間采集圖像的平均值作為背景更新圖像，但是容易出現(xiàn)混合現(xiàn)象［3］.文獻(xiàn)［4］介紹一種便捷的動態(tài)背景更新算法，通過時間間隔圖像差分方法和固定背景差分法相結(jié)合，針對非動態(tài)變化區(qū)域?qū)崟r更新背景，方法簡單，適合在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn).

在實驗室環(huán)境下，背景在短時間內(nèi)變化較小，因此使用整體更新代替區(qū)域更新，減輕運算量.判斷實驗室是否有人的圖像處理算法流程圖如圖2所示.首先通過樹莓派的攝像頭采集彩色圖像序列，二值化后判別是否為白天.如果為白天，采集連續(xù)兩幀圖像，分別濾波、二值化，進(jìn)行幀間差分運算.對差分圖像膨脹處理，提取輪廓，根據(jù)輪廓判斷兩幀圖像是否不同.如果有運動物體，則認(rèn)為實驗室中有人.如果幀間差分得到結(jié)果是無差別，再將本幀圖像與背景圖像進(jìn)行差分運算.由于本文采用背景自動更新算法，因此背景無需事先手動采集.根據(jù)背景差分圖像判斷本幀圖像與背景圖像是否有差別，如果差別較小，認(rèn)為實驗室無人，進(jìn)入循環(huán)繼續(xù)判斷.如果有差別，先進(jìn)行人臉識別，搜索圖像中是否存在人臉，人臉識別使用基于Haar特征的AdaBoost人臉檢測算法，該算法對近距離人臉識別率較高.如果找到人臉，則認(rèn)為有人.如果找不到人臉，此時有兩種情況，一種是實驗室中已經(jīng)沒有人，另一種是人物保持一個相對靜止?fàn)顟B(tài).在實驗室中正常情況下保持長時間靜止較為困難，采用高分辨率攝像頭可捕捉到較為微小的變化，因此根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定一個時間閾值T，比如10 min，作為緩沖期，如果距離上次運動時刻T min以上仍保持不動，進(jìn)行背景更新，采集當(dāng)前連續(xù)若干幀圖像取平均值作為背景，然后判斷為無人.

圖2　圖像處理算法流程圖

本文圖像處理硬件為樹莓派二代，采用Python語言編寫程序.由于攝像頭驅(qū)動比較特殊，使用Picamera模塊庫驅(qū)動.圖像處理算法庫使用OpenCV-Python.

3　云管理平臺設(shè)計

云平臺設(shè)計分為后端和前端兩部分.目前大部分的物聯(lián)網(wǎng)平臺后端采用開放API進(jìn)行數(shù)據(jù)交互.在API設(shè)計風(fēng)格中，基于RESTful的API設(shè)計在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域占據(jù)主流，包括亞馬遜、Yeelink等平臺都采用這種設(shè)計架構(gòu).REST是表現(xiàn)層狀態(tài)轉(zhuǎn)化［5］，如果一個架構(gòu)符合REST原則，就稱它為RESTful架構(gòu).RESTful架構(gòu)將數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)交互中的增查改刪（CRUD）操作與HTTP協(xié)議中的動詞POST、GET、PUT、DELETE一一對應(yīng)，將資源充分暴露，使用便捷、擴展性強、基于無狀態(tài)協(xié)議，非常適用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域.

本文使用PHP語言開發(fā)平臺后端.采用ThinkPHP3.2框架，ThinkPHP基于MVC模式，提供RestController，可提高API開發(fā)速度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性，部分API如表1所示，數(shù)據(jù)使用JSON編碼.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用開源的MySQL.在前端展示上，為了適配各種不同尺寸移動終端，采用響應(yīng)式布局.前端開發(fā)框架選用Bootstrap，其不僅提供了一系列CSS樣式，還提供了一套響應(yīng)式、移動設(shè)備優(yōu)先的流式柵格系統(tǒng).Bootstrap Switch和chart.js分別用作開關(guān)和圖表.

表1　API摘錄

4　系統(tǒng)運行

攝像頭采集的圖像序列經(jīng)過算法處理后得到實驗室是否有人的狀態(tài)量，目前人物在非靜止?fàn)顟B(tài)下判斷準(zhǔn)確率較高，移動鼠標(biāo)也可檢測到.在人物長時間靜止?fàn)顟B(tài)下，如果人臉檢測不到會引起誤判，未來可通過機器學(xué)習(xí)來提高.狀態(tài)量通過API傳送到云平臺數(shù)據(jù)庫中.Arduino通過API間隔時間查詢云平臺，如果開關(guān)狀態(tài)變化，及時控制電閘通斷.Arduino傳感器采集數(shù)據(jù)后上傳到云平臺.管理員使用移動設(shè)備可在任何網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下訪問管理頁面，查看實驗室是否有人使用，觀測實驗室環(huán)境數(shù)據(jù)，在緊急情況下，管理員可以在頁面上手動控制電閘通斷.電閘通斷發(fā)生變化時由云平臺發(fā)送郵件到管理員郵箱中.系統(tǒng)實物圖如圖3所示.

圖3　系統(tǒng)實物圖

5　結(jié)論

設(shè)計一種高校開放實驗室智能電源管理系統(tǒng)，在樹莓派和Arduino等開源創(chuàng)客平臺上利用圖像處理算法與云計算技術(shù)，將開放實驗室電源管理網(wǎng)絡(luò)化、智能化.實現(xiàn)實驗室環(huán)境與使用狀態(tài)實時智能監(jiān)控，總電閘智能通斷.結(jié)合移動互聯(lián)網(wǎng)管理手段，實驗室可在非工作時段開放給學(xué)生和教師，管理員不需要在現(xiàn)場值班，應(yīng)用移動設(shè)備可以安全管理實驗室，提高實驗室的開放性與安全性.

［1］ 崔鳴. 實驗登記系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］. 蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014，25（3）:65-69.

［2］ 劉柳，吳希陽，虞兵. 目前高校開放實驗室主要問題與應(yīng)對措施［J］. 輕工科技，2014（1）:122-123.

［3］ 鄒甲，楊柳銘. 基于RFID與ZigBee技術(shù)的智能高校實驗室開放管理系統(tǒng)［J］. 中國電力教育，2014（12）:170-171.

［4］ 夏偉才，曾致遠(yuǎn). 一種基于卡爾曼濾波的背景更新算法［J］. 計算機技術(shù)與發(fā)展，2007，17（10）:134-136.

［5］ 艾海舟，樂秀宇. 面向視覺監(jiān)視實時跟蹤的動態(tài)背景更新方法［J］. 計算機工程與應(yīng)用，2001，37（19）:104-106.

［6］ 吳衍標(biāo)，熊勇，姚煒，等. 基于RESTful Web的智能家居系統(tǒng)應(yīng)用［J］. 計算機應(yīng)用，2015（S2）:284-289.

（責(zé)任編輯:沈鳳英）

Design of Intelligent Power Management System for Laboratories Based on Raspberry Pi

CHEN Yong-qiang，LIU Tao
（School of Electronic Information Engineering，Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China）

To solve the problem of ensuring safe use of electricity in open laboratories， this paper explores and realizes a system which manages the lab power system automatically. The system is based on open source platform，such as Raspberry Pi and Arduino and utilizes cloud computing as well as mobile Internet technology. Image processing algorithm combined with Internet of things technology helps control the lab's power and realize the function of environmental perception and image capture. This system promotes the opening of lab and improves the smart level of lab management.

open laboratory；Raspberry Pi；image processing；cloud computing

TP393.4

A

1008-5475（2016）03-0066-04

10.16219/j.cnki.szxbzk.2016.03.014

2016-04-18；

2016-05-16

江蘇省高校大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練計劃資助項目（201511054013Y）；江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項目（PPZY2015A089）；蘇州市科技計劃資助項目（SZP201310）；蘇州市職業(yè)大學(xué)創(chuàng)新團隊基金項目（3100125）；蘇州市職業(yè)大學(xué)教學(xué)改革資助項目（SZDJG-14023）.

陳永強（1989-），男，江蘇徐州人，助教，碩士，主要從事物聯(lián)網(wǎng)研究.

陳永強，劉韜.基于樹莓派的高校開放實驗室電源管理系統(tǒng)設(shè)計［J］.蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報，2016，27（3）：66-69.