基于樹(shù)莓派的高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳永強(qiáng)，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(shù)莓派的高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳永強(qiáng)，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(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的安全管理難題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室智能電源管理系統(tǒng).系統(tǒng)基于樹(shù)莓派和Arduino等開(kāi)源創(chuàng)客平臺(tái)，依托云計(jì)算和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，采用圖像處理算法與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能控制實(shí)驗(yàn)室電閘通斷、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境感知與實(shí)時(shí)圖像采集等功能.系統(tǒng)能降低實(shí)驗(yàn)室的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高實(shí)驗(yàn)室智能管理水平.

開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室；樹(shù)莓派；圖像處理；云計(jì)算

為培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才，各高校近年來(lái)大范圍地建設(shè)、擴(kuò)容、升級(jí)實(shí)驗(yàn)室.實(shí)驗(yàn)室日漸增多，帶來(lái)實(shí)驗(yàn)室管理的挑戰(zhàn).實(shí)驗(yàn)室管理工作繁雜，成果不突出，教師往往不愿花費(fèi)過(guò)多時(shí)間.同時(shí)，許多實(shí)驗(yàn)室設(shè)備貴重，部分還有一定危險(xiǎn)性，如強(qiáng)電、危險(xiǎn)化學(xué)藥品等，這些實(shí)驗(yàn)室由于安全原因一般除上課時(shí)間，基本不對(duì)外開(kāi)放，利用率不高.

實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放管理最重要的問(wèn)題是安全問(wèn)題，在電子類(lèi)實(shí)驗(yàn)室，主要是用電安全問(wèn)題.目前在開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室管理上，在健全制度的同時(shí)，主要方案是實(shí)驗(yàn)室預(yù)約使用登記、實(shí)驗(yàn)室助理與電子社團(tuán)協(xié)助管理和應(yīng)用門(mén)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(shí)驗(yàn)室人員離開(kāi)，但是電烙鐵沒(méi)斷電、強(qiáng)電設(shè)備沒(méi)有關(guān)閉的情況，會(huì)帶來(lái)安全隱患.

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

1　系統(tǒng)架構(gòu)

基于樹(shù)莓派與圖像處理的高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)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(tái).

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(shí)驗(yàn)室是否有人，代替管理員監(jiān)督實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)，如果實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有人，則及時(shí)斷電，防止發(fā)生火災(zāi)等隱患.模塊采用開(kāi)源硬件樹(shù)莓派作為控制核心.樹(shù)莓派運(yùn)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(gè)USB端口等豐富的接口.第三代產(chǎn)品CPU升級(jí)到1.2 GHz，板載WiFi和低功耗藍(lán)牙（BLE）.攝像頭型號(hào)為RPI CAMERA BOARD，像素?cái)?shù)為5百萬(wàn)，1 080 p 為30幀/s，720 p為60幀/s.樹(shù)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(shí)驗(yàn)室電閘的通斷.基本開(kāi)發(fā)平臺(tái)選用Arduino.Arduino和樹(shù)莓派都是開(kāi)源硬件，開(kāi)源硬件具有全球性、穩(wěn)定性、開(kāi)發(fā)速度快和成本低的特點(diǎn)，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(kāi)源硬件降低了硬件開(kāi)發(fā)的門(mén)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(shì)，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(guò)W5100以太網(wǎng)模塊，可方便進(jìn)行HTTP通信.實(shí)驗(yàn)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(guò)Arduino接入云管理平臺(tái)中.

云管理平臺(tái)實(shí)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(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)隨地監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行狀態(tài)，遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室電閘通斷.云平臺(tái)后端提供一系列API與樹(shù)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(shí)驗(yàn)室中傳感器采集的數(shù)據(jù)在云管理平臺(tái)前端可視化.平臺(tái)運(yùn)行在阿里云計(jì)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(cè)實(shí)驗(yàn)室是否有人，主要是檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室中的運(yùn)動(dòng)情況，檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體最簡(jiǎn)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(guò)差分圖像獲得運(yùn)動(dòng)有關(guān)信息.背景圖像一般是在沒(méi)有人物的情況下手動(dòng)拍攝多幀圖像取平均值得到.實(shí)際測(cè)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(yùn)動(dòng)和存在.但長(zhǎng)期發(fā)現(xiàn)，光線變化會(huì)引起背景差分圖像變化，引起誤判，學(xué)生移動(dòng)桌椅后離開(kāi)也造成背景改變，因此背景模型圖像需要及時(shí)更新，減小誤判.

背景更新經(jīng)典算法為時(shí)間平均法，利用一段時(shí)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(dòng)態(tài)背景更新算法，通過(guò)時(shí)間間隔圖像差分方法和固定背景差分法相結(jié)合，針對(duì)非動(dòng)態(tài)變化區(qū)域?qū)崟r(shí)更新背景，方法簡(jiǎn)單，適合在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn).

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，背景在短時(shí)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(yùn)算量.判斷實(shí)驗(yàn)室是否有人的圖像處理算法流程圖如圖2所示.首先通過(guò)樹(shù)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(yùn)算.對(duì)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(yùn)動(dòng)物體，則認(rèn)為實(shí)驗(yàn)室中有人.如果幀間差分得到結(jié)果是無(wú)差別，再將本幀圖像與背景圖像進(jìn)行差分運(yùn)算.由于本文采用背景自動(dòng)更新算法，因此背景無(wú)需事先手動(dòng)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(shí)驗(yàn)室無(wú)人，進(jìn)入循環(huán)繼續(xù)判斷.如果有差別，先進(jìn)行人臉識(shí)別，搜索圖像中是否存在人臉，人臉識(shí)別使用基于Haar特征的AdaBoost人臉檢測(cè)算法，該算法對(duì)近距離人臉識(shí)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(shí)有兩種情況，一種是實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)沒(méi)有人，另一種是人物保持一個(gè)相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài).在實(shí)驗(yàn)室中正常情況下保持長(zhǎng)時(shí)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(yàn)設(shè)定一個(gè)時(shí)間閾值T，比如10 min，作為緩沖期，如果距離上次運(yùn)動(dòng)時(shí)刻T min以上仍保持不動(dòng)，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(wú)人.

圖2　圖像處理算法流程圖

本文圖像處理硬件為樹(shù)莓派二代，采用Python語(yǔ)言編寫(xiě)程序.由于攝像頭驅(qū)動(dòng)比較特殊，使用Picamera模塊庫(kù)驅(qū)動(dòng).圖像處理算法庫(kù)使用OpenCV-Python.

3　云管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

云平臺(tái)設(shè)計(jì)分為后端和前端兩部分.目前大部分的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)后端采用開(kāi)放API進(jìn)行數(shù)據(jù)交互.在API設(shè)計(jì)風(fēng)格中，基于RESTful的API設(shè)計(jì)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域占據(jù)主流，包括亞馬遜、Yeelink等平臺(tái)都采用這種設(shè)計(jì)架構(gòu).REST是表現(xiàn)層狀態(tài)轉(zhuǎn)化［5］，如果一個(gè)架構(gòu)符合REST原則，就稱(chēng)它為RESTful架構(gòu).RESTful架構(gòu)將數(shù)據(jù)庫(kù)與數(shù)據(jù)交互中的增查改刪（CRUD）操作與HTTP協(xié)議中的動(dòng)詞POST、GET、PUT、DELETE一一對(duì)應(yīng)，將資源充分暴露，使用便捷、擴(kuò)展性強(qiáng)、基于無(wú)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(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺(tái)后端.采用ThinkPHP3.2框架，ThinkPHP基于MVC模式，提供RestController，可提高API開(kāi)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(kù)系統(tǒng)采用開(kāi)源的MySQL.在前端展示上，為了適配各種不同尺寸移動(dòng)終端，采用響應(yīng)式布局.前端開(kāi)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(dòng)設(shè)備優(yōu)先的流式柵格系統(tǒng).Bootstrap Switch和chart.js分別用作開(kāi)關(guān)和圖表.

表1　API摘錄

4　系統(tǒng)運(yùn)行

攝像頭采集的圖像序列經(jīng)過(guò)算法處理后得到實(shí)驗(yàn)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(dòng)鼠標(biāo)也可檢測(cè)到.在人物長(zhǎng)時(shí)間靜止?fàn)顟B(tài)下，如果人臉檢測(cè)不到會(huì)引起誤判，未來(lái)可通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)提高.狀態(tài)量通過(guò)API傳送到云平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中.Arduino通過(guò)API間隔時(shí)間查詢(xún)?cè)破脚_(tái)，如果開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化，及時(shí)控制電閘通斷.Arduino傳感器采集數(shù)據(jù)后上傳到云平臺(tái).管理員使用移動(dòng)設(shè)備可在任何網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下訪問(wèn)管理頁(yè)面，查看實(shí)驗(yàn)室是否有人使用，觀測(cè)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)，在緊急情況下，管理員可以在頁(yè)面上手動(dòng)控制電閘通斷.電閘通斷發(fā)生變化時(shí)由云平臺(tái)發(fā)送郵件到管理員郵箱中.系統(tǒng)實(shí)物圖如圖3所示.

圖3　系統(tǒng)實(shí)物圖

5　結(jié)論

設(shè)計(jì)一種高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室智能電源管理系統(tǒng)，在樹(shù)莓派和Arduino等開(kāi)源創(chuàng)客平臺(tái)上利用圖像處理算法與云計(jì)算技術(shù)，將開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室電源管理網(wǎng)絡(luò)化、智能化.實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與使用狀態(tài)實(shí)時(shí)智能監(jiān)控，總電閘智能通斷.結(jié)合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)管理手段，實(shí)驗(yàn)室可在非工作時(shí)段開(kāi)放給學(xué)生和教師，管理員不需要在現(xiàn)場(chǎng)值班，應(yīng)用移動(dòng)設(shè)備可以安全管理實(shí)驗(yàn)室，提高實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放性與安全性.

［1］ 崔鳴. 實(shí)驗(yàn)登記系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］. 蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，25（3）:65-69.

［2］ 劉柳，吳希陽(yáng)，虞兵. 目前高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室主要問(wèn)題與應(yīng)對(duì)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(shí)驗(yàn)室開(kāi)放管理系統(tǒng)［J］. 中國(guó)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(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2007，17（10）:134-136.

［5］ 艾海舟，樂(lè)秀宇. 面向視覺(jué)監(jiān)視實(shí)時(shí)跟蹤的動(dòng)態(tài)背景更新方法［J］. 計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（201511054013Y）；江蘇高校品牌專(zhuān)業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目（PPZY2015A089）；蘇州市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（SZP201310）；蘇州市職業(yè)大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基金項(xiàng)目（3100125）；蘇州市職業(yè)大學(xué)教學(xué)改革資助項(xiàng)目（SZDJG-14023）.

陳永強(qiáng)（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(qiáng)，劉韜.基于樹(shù)莓派的高校開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，27（3）：66-69.