文/張哲瑋 王瑋 曹園

毫無疑問，實驗教學(xué)在現(xiàn)代大學(xué)教育中是一個重要的環(huán)節(jié)。因此，實驗室的管理與安全直接影響著教學(xué)與科研質(zhì)量。隨著科技的發(fā)展，實驗室的管理智能化、高效化是必然的趨勢。因此，從實際學(xué)習(xí)生活經(jīng)歷出發(fā)，本文提供了一種更加全面、安全并且可靠的實驗室管理系統(tǒng)解決方案。

1 傳統(tǒng)實驗室管理系統(tǒng)

實驗室管理系統(tǒng)主要的方式大多以網(wǎng)絡(luò)為主，輔以門禁卡進行管理。如魏志軍等[2]提出了一種利用射頻識別技術(shù)進行人員身份驗證以及實驗設(shè)備管理，軟件則基于Java 語言和Spring 框架，提出了一種實驗室管理系統(tǒng)解決方案。對于人員流動較大的實驗室，這種系統(tǒng)是一種不錯的解決方案。但對于一些人員固定，人數(shù)較少的實驗室則顯得相對復(fù)雜。此外，射頻卡丟失也會造成極大的不便。

此外，數(shù)據(jù)庫也是一種該系統(tǒng)的主要解決方案。如喻晗等[3]提出了一種利用MongoDB數(shù)據(jù)庫和安卓客戶端實現(xiàn)學(xué)術(shù)選課與預(yù)習(xí)及留言等功能的實驗室管理系統(tǒng)。但沒有將實驗室的安全加入系統(tǒng)，使得系統(tǒng)功能稍顯單薄。再如李真等[4]提出的利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及單片機來進行安全驗證以及統(tǒng)計實驗設(shè)備的使用情況，為管理人員提出反饋。這種系統(tǒng)可以實現(xiàn)實驗室考勤和節(jié)能，效果出色。但是沒有設(shè)計實驗室主動安全檢測系統(tǒng)，對于意外闖入以及實驗室內(nèi)部出現(xiàn)火情時沒有好的解決方案

2 實驗室管理系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

實驗室管理系統(tǒng)應(yīng)該包括但不限于以下幾種功能：考勤，實驗室安全和人員安全。因此，我們將其有機結(jié)合起來，利用OpenCV 自帶的函數(shù)實現(xiàn)人臉檢測進而完成考勤，利用多種傳感器實現(xiàn)對實驗室安全的探測，利用幀差法實現(xiàn)對人狀態(tài)的判斷從而決定是否報警。

2.2 考勤以及身份識別

本部分采用OpenCV 3 庫，在Python 下編寫程序。OpenCV 3 中提供了Eigenfaces，F(xiàn)isherfaces 和LBPH 三種識別人臉的算法。其中，本項目采用第一種。Eigenfaces 是通過CV 種最常見的PCA 算法實現(xiàn)的。其本質(zhì)是識別某個訓(xùn)練集的主要部分，并計算出訓(xùn)練集的相對于樣本庫的發(fā)散度，發(fā)散度越小，說明越接近樣本庫。主要代碼如下：

model = cv2.face.EigenFaceRecognizer_create() #調(diào)用模型

model.train(np.asarray(x)，np.asarray(y)) #訓(xùn)練模型

因此，在使用該系統(tǒng)前，應(yīng)該先對實驗室人員進行頭像采集工作，可以采取連拍的方法，每人拍攝大約200 張圖片左右。按人保存成數(shù)組。再通過該算法對數(shù)據(jù)庫進行訓(xùn)練，訓(xùn)練完成即可使用。

2.3 設(shè)備安全檢測

該部分采用嵌入式系統(tǒng)樹莓派，使樹莓派驅(qū)動各個傳感器并處理得到的信息，同時將異常信息上報給計算機或者直接發(fā)送給管理人員。需要的元件有：無線網(wǎng)卡模塊，攝像頭模塊，壓力傳感器，煙霧傳感器等。具體辦法是，按實際接線配置好樹莓派的引腳，同時編寫好各個傳感器的驅(qū)動。當(dāng)傳感器檢測到可疑信息時，通過無線網(wǎng)卡模塊向電子郵箱發(fā)送報警短信，同時通過攝像頭模塊對可疑信息進行拍照取證，從而實現(xiàn)設(shè)備安全檢測。下面是以壓力傳感器為例的一段代碼：

2.4 人員安全檢測

該部分采用開源機器視覺處理庫OpenCV3，使用混合高斯背景建模的方法提取輸入數(shù)據(jù)的相鄰兩幀圖像之間的差別信息，利用CLAHE 算法增強二值圖像對比度，得到的圖像經(jīng)過Solel 算子進行邊緣檢測，使用最大類間誤差法二值化獲得對比度更強的二值化圖像，隨后通過形態(tài)學(xué)變化（膨脹和腐蝕），以及中值濾波和高斯濾波，得到移動人體的二值圖像。

本方法中，通過提取圖像中人體的寬度與高度、人體投影面積、人體重心、人體重心速率、人體長寬對比得到的運動目標(biāo)的運動狀態(tài)。使用機器學(xué)習(xí)的方法，利用決策樹構(gòu)建一個運動狀態(tài)判斷模型，對人體跌倒行為進行預(yù)測。一旦檢測到人跌倒，立即啟動報警系統(tǒng)。報警系統(tǒng)可以和傳感器報警系統(tǒng)共用。

3 結(jié)語

本方法將計算機視覺技術(shù)應(yīng)用到實驗室管理中，軟、硬件成本低，要求少。同時可以增加實驗室的管理效率，降低管理者工作量。同時，本方法不僅可以應(yīng)用在小型實驗室，同時可以應(yīng)用在一般家庭中，應(yīng)用范圍廣，經(jīng)濟前景好。