基于視頻檢測的自習室智能控制系統(tǒng)

李林雋+周怡安

摘 要：針對高校自習室中廣泛存在的燈常亮、風扇常開等不環(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)計實現(xiàn)智能控制系統(tǒng)，以達到充分利用教學資源、節(jié)能環(huán)保、創(chuàng)造舒適學習環(huán)境的目的。系統(tǒng)具有可靠性好、精度高、速度快的優(yōu)點，有一定推廣價值。

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 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：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，其照明耗電占到學校所有耗電的30～60%。在高校中，學生經(jīng)常需要在課余時間使用自習室，雖然有些學校會在教學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生一層一層的跑，極其不方便。而學校為了滿足學生的學習需求會開放大量的自習室供學生使用，因此存在著不管有沒有人卻燈常亮、風扇常開等不環(huán)保的現(xiàn)象，帶來電力的浪費。一個教室的浪費看似很少，但如果擴大到全國的所有學校，浪費將十分驚人。針對以上情況，本文基于視頻檢測技術(shù)實現(xiàn)自習室的節(jié)能，既充分利用了教學資源，降低學校運行費用，又節(jié)能環(huán)保，提高學校的科學管理水準，為學生創(chuàng)造了舒適的學習環(huán)境。本項目研究成果在餐廳、醫(yī)院、圖書館等很多公共場所也具有應用的潛力，具有一定經(jīng)濟和社會效益。

1 ?系統(tǒng)設(shè)計

本項目基于視頻檢測技術(shù)進行自習室中人數(shù)采集，利用物聯(lián)網(wǎng)為核心的控制技術(shù)進行設(shè)計，主要解決以下問題：提供教室空余座位信息，讓學生快捷省力地尋找到合適的自習室，避免跑上跑下;避免自習室燈常亮、風扇常開的的用電浪費不環(huán)保現(xiàn)象，自習室無人時關(guān)閉所有電源;智能調(diào)節(jié)自習室的溫度，當溫度高于某一溫度時風扇或空調(diào)的電源才供電;提供教室分區(qū)照明，在教室人少時進一步節(jié)電。

智能自習室控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：自習室出入人數(shù)記錄教室人數(shù)的屏幕顯示;自習室分區(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：紅外傳感器采集進出自習室的人數(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。攝像頭采集教室的實時圖像，傳送到PC機進行后續(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_協(xié)調(diào)器。若教室中無人，則照明、風扇等電源全部關(guān)閉;若有人，需先判斷是否光強達不到要求，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，若溫度達到設(shè)定值，則風扇自動開啟。紅外傳感器采集的數(shù)據(jù)在單片機中進行處理，統(tǒng)計出自習室的人數(shù)，與教室能容納的總?cè)藬?shù)相減，則能計算出自習室的空余座位數(shù)。

（3）輸出與顯示部分

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

2 ?系統(tǒng)實現(xiàn)

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

2.1 ?自習室進出人數(shù)統(tǒng)計

（1）方案選擇

對自習室中人數(shù)的檢測已有很多方法。方法一通常在學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，每個同學進出時需刷卡通過。這種方法不僅可以統(tǒng)計出每個教室的人數(shù)，而且能統(tǒng)計出學生上自習的次數(shù)，但刷卡機安裝投資較高，也不方便學生進出教室。另一種方法在某些智能教室的方案中有提及，即在自習室中的每個座位底下安裝一個壓力傳感器，當有人坐下時，傳感器感知信息并傳遞給相關(guān)處理器進行記錄和統(tǒng)計。相比前一種，此方法復雜性增加，成本投資高，傳感器很容易被損壞，不易維護。第三種方法是同時在教室門的里外各放置一個熱釋電紅外傳感器，教室門外的標記為1，教室門里的標記為2。當有人進入時順序為（1，2），離開時為（2，1），進入則計數(shù)加1，離開減1，從而統(tǒng)計出教室內(nèi)的人數(shù)。通過分析，最后一種方法結(jié)構(gòu)簡單，成本低，只要限制在門口學生只能單排通過就不會有漏計。因此本系統(tǒng)中采用紅外傳感器進行檢測，實現(xiàn)自習室進出人數(shù)的統(tǒng)計。

（2）硬件實現(xiàn)

自習室人數(shù)統(tǒng)計部分由紅外傳感器檢測模塊、單片機、LCD顯示模塊、電源四部分組成。當紅外傳感器檢測部分檢測到有物體經(jīng)過時，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向輸入端的電壓，電壓比較器輸出一個低電平信號，該信號將供單片機進行計數(shù)控制。人數(shù)計數(shù)結(jié)果在LCD顯示模塊中顯示出來。

（3）軟件設(shè)計

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

設(shè)門外的傳感器對應單片機的外部中斷引腳INT0，門內(nèi)的傳感器對應外部中斷引腳INT1，單片機每隔8 ms左右會采集一次INT0和INT1引腳。設(shè)通過時間為255次掃描的總時間。首先根據(jù)收到的中斷INT0和INT1信號進行判斷，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 ?脈沖計數(shù)中斷流程圖

2.2 ?自習室溫度控制

（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用之一，已逐漸應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，對溫度的測量準確率低，電路復雜。目前多采用單片機來控制數(shù)字化溫度傳感器，測量精度高、抗干擾能力強。

（2）硬件部分

本項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，只需進行軟件編程控制即可。技術(shù)指標：

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

溫濕度控制的軟件設(shè)計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：當檢測到溫度大于等于事先設(shè)定的溫度閾值時，開啟協(xié)調(diào)器上的控制風扇或空調(diào)的繼電器，啟動風扇或空調(diào);當溫度小于該設(shè)定溫度時，返回繼續(xù)讀取溫濕度數(shù)據(jù)，若原風扇處于開啟狀態(tài)則關(guān)閉繼電器。

2.3 ?自習室分區(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，沒有實現(xiàn)自動化。近年有采用熱釋紅外傳感器進行分區(qū)照明的應用，即用紅外傳感器檢測是否有人體存在。結(jié)合當前采集到的教室光強信號進行智能判斷，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，且對運動物體敏感，若學生進入教室后不動則探測不到人體，容易誤關(guān)燈，帶來不便?？紤]到目前學校里幾乎每個教室都有視頻監(jiān)控，如果將自習室門口的人數(shù)計數(shù)與教室內(nèi)攝像頭捕捉到的人員信息進行綜合考慮的話，則可以大大提高可靠性。

（2）軟件設(shè)計

圖像處理法：

設(shè)置每個自習室有一個USB攝像頭，每個自習室分為兩個照明區(qū)域。每隔一段時間系統(tǒng)自動對自習室進行圖像采集，并與自習室沒人時拍攝的圖像進行對比，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室背景模板和自習室當前取樣圖像進行對比，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行多幀圖像處理，用前n幀重構(gòu)背景圖像，后面的幀進行人員識別，從而計算出自習室中的人數(shù)。

圖3溫、濕度控制流程 ? ? ? ? ? 圖4自習室分區(qū)照明流程

3 ?結(jié)果驗證

（1）自習室進出人數(shù)記錄功能

調(diào)整好模擬自習室內(nèi)紅外傳感器位置，打開電源。屏幕顯示進行初始化，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，每進行一次操作觀察一次屏幕顯示的結(jié)果。

（2）自習室分區(qū)照明控制功能

圖像處理法：將測試物體置于自習室內(nèi)所分配的兩個區(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行視頻檢測，重構(gòu)背景圖像，進行人數(shù)統(tǒng)計，如圖6。其中（a）為視頻輸入，要求攝像機不動;（b）為從視頻中重建的背景圖;（c）為檢測圖，通過當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)計人員個數(shù)，在人員外圍畫框;（d）人員跟蹤圖，根據(jù)檢測到的情況在當前視頻幀相應位置上畫框。

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

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

圖6 ?視頻檢測法得到自習室人數(shù)

（3）自習室溫濕度控制功能

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

風扇轉(zhuǎn)動的前提條件為自習室中的溫度達到了設(shè)定的目標溫度，并且自習室中有人。當自習室內(nèi)溫度未達到設(shè)定的目標溫度時或自習室中無人時，風扇不轉(zhuǎn)動，起到了節(jié)能的效果，避免了用電浪費。

（4）利用網(wǎng)頁進行實時人數(shù)顯示

為了方便學生查找自習室現(xiàn)有人數(shù)，可以將各個自習室的數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳到教學樓一樓的一塊大屏幕上，方便學生進行選擇。也可以通過智能手機APP進行查詢，學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教室。

4 ?結(jié) ?語

本項目基于物聯(lián)網(wǎng)為核心的控制技術(shù)，利用各種傳感器進行溫、濕度，光照強度等數(shù)據(jù)采集，綜合運用數(shù)字圖像處理和視頻檢測等技術(shù)實現(xiàn)了自習室控制系統(tǒng)的智能化。創(chuàng)新點和優(yōu)勢在于：（1）本項目基于物聯(lián)網(wǎng)為核心的控制技術(shù)進行設(shè)計，為物聯(lián)網(wǎng)在智能校園找到新的應用，解決了學生在自習室中遇到的一些問題。（2）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有先進性，是未來的發(fā)展方向，相應的傳感模塊可以和其他的應用很好結(jié)合，將發(fā)揮更大的效用。（3）通過視頻檢測技術(shù)等方式提供自習教室準確的實時人數(shù)信息，避免使用紅外傳感器方式時多人同時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)提供自習教室分區(qū)照明，可以充分利用學校已有的資源，創(chuàng)造了更加優(yōu)越的學習環(huán)境，具有一定應用和推廣價值。

系統(tǒng)實現(xiàn)了設(shè)計要求的智能化控制功能，進一步可在以下幾方面進一步改進：（1）通過電子標簽的方法優(yōu)化自習室出入人數(shù)記錄，獲取每位進出學生的信息，建立數(shù)據(jù)庫，可供查詢。（2）通過數(shù)學建模，在保證學生舒適度的情況下減少自習室的開放，進一步節(jié)電。（3）改進背景建模的分割方法，以適應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，可以進行二次分割，提高分割方法的魯棒性和分割精度。

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