基于樹莓派的智慧教室的研究與設計

吳方，徐瑋良，鐘志森，鄭雄威，張杰龍

（北京理工大學珠海學院，珠海519088）

0 引言

隨著計算機技術(shù)和傳感器等技術(shù)的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡帶寬以及網(wǎng)絡速度的逐漸提升，物聯(lián)網(wǎng)也在逐漸進入迅猛發(fā)展時期。而教育信息化在國家政策的推動下正在迎來高峰，智慧教室作為物聯(lián)網(wǎng)的應用決定了教育環(huán)境的優(yōu)劣。本文在研究智慧教室應有的功能，采用了模數(shù)轉(zhuǎn)換、人臉識別、指紋識別以及深度學習等技術(shù)，對智慧教室進行了功能設計、軟硬件設計，實現(xiàn)了人臉指紋實時考勤、根據(jù)環(huán)境自動更改照明亮度溫度以及實時檢測學生狀態(tài)等智慧教室應有的功能。

1 智慧教室研究

一個合格的智慧教室主要是實現(xiàn)讓教室能夠自動化檢測環(huán)境，并進行相應調(diào)整，使其維持相對舒適的環(huán)境。例如，檢測環(huán)境的亮度，及時調(diào)整燈光使老師學生都能在一個不至于太亮或者太暗的環(huán)境，或者收集周圍的溫度使教室能維持在一個溫暖的溫度范圍。同時，它也能夠通過人臉和指紋實現(xiàn)實時的簽到，并主動向教師反饋，讓教師清楚學生的出勤情況。為了得到更好的學習效果，該系統(tǒng)能讓教師獲知學生的精神狀態(tài)，讓教師能夠進行適當?shù)恼n堂調(diào)整。

圖1 智慧教室總框架圖

在采集環(huán)境的溫度或者亮度等模擬的環(huán)境變量時，需要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換（即AD 轉(zhuǎn)換）把環(huán)境的模擬量轉(zhuǎn)換成我們所能看見的電壓值，進而判斷周圍環(huán)境的情況。在模數(shù)轉(zhuǎn)換的芯片中，選用了工業(yè)較為常用的PCF8591 芯片。在PCF8591 器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過雙線雙向I2C 總線以串行的方式進行傳輸。在該芯片的通道0 接入了光敏電阻電路，亮度的變化導致電阻值的變化從而影響了電壓值的變化，PCF8591 根據(jù)電壓的變化輸出相應數(shù)值從而達到檢測亮度的目的。

在對溫度的控制上設計了兩種方案，第一種是PCF8591 芯片的通道1 接入熱敏電阻。熱敏電阻和光敏電阻是相似，根據(jù)環(huán)境溫度的不同，熱敏電阻會體現(xiàn)出不一樣的電阻值，PCF8591 檢測到不同的電壓，會根據(jù)不同的電壓輸出不同的比例值，然后再用溫度計測量實際溫度值，找出PCF8591 輸出值與溫度值之間的比例關(guān)系，總結(jié)公式，再通過公式去計算溫度值。第二種是使用DS18B20 單總線芯片，DS18B20 是溫度傳感器，可以直接在芯片內(nèi)部計算出溫度值并進行輸出，精度能夠達到12 位二進制數(shù)（其中有4 位為小數(shù)），通過發(fā)送設定好的指令使DS18B20 讀取環(huán)境溫度并進行溫度轉(zhuǎn)換，最后輸出結(jié)果。第一種方法由于是接在已有的PCF8591 上，所以不用另外使用引腳，而且成本也比較低，占用空間較小，但該方法的缺點是精度比較低；第二種方法精度比較高，但需要另外占用I/O 口，成本比第一種略高，可以根據(jù)不同教室的實際情況去選用不同的方案。

在指紋識別技術(shù)上，該系統(tǒng)中選用AS608 芯片控制的指紋識別模塊，該模塊集成了獲取指紋圖像，生成特征信息，保存特征信息，對比特征信息以及搜索指紋等等功能，可以在本地儲存300 枚指紋信息。同時該模塊也支持通過UART 串口進行指紋信息的上傳和下載。

2 智慧教室功能設計

2.1 環(huán)境監(jiān)控設計

本系統(tǒng)由樹莓派4 作為系統(tǒng)的中心，通過樹莓派的GPIO 的設置連接各種能夠感知環(huán)境的傳感器，并且做出反饋。教室作為一個專門學習場所，能夠影響學習質(zhì)量的環(huán)境信息主要是亮度以及溫度。而亮度能通過燈光的大小去調(diào)整，溫度的高低也能通過對空調(diào)或風扇的調(diào)節(jié)進行調(diào)整。主要流程如圖2-圖3。

圖2 溫度采集流程

圖3 亮度采集流程

在已知的環(huán)境中進行檢測，獲取適合亮度相對應的電壓值范圍，獲取數(shù)據(jù)后計算適當?shù)牧炼确秶x值（在測試實驗環(huán)境中，較亮時AD 讀值為135，較暗時AD 讀值為216），當讀數(shù)高于預定最大值時標識亮度較暗，需打開照明系統(tǒng)，并按照一定比例，當值越大時，控制照明的PWM 波可實現(xiàn)照明亮度的高低。但由于位置不一樣，教室不同方位的亮度可能也不一樣，同時不同人對不同亮度的適應程度不一樣，而且有時候計算值并不一定非常準確，所以還需要添加一個開關(guān)以實現(xiàn)人為的亮度調(diào)整，實現(xiàn)自動模式和手動模式的切換。對于溫度的獲取類似，獲取環(huán)境溫度值后，根據(jù)實際對教室風扇或者空調(diào)進行調(diào)整。

智慧教室可以根據(jù)教室大小存在一個或者多個人體熱釋電傳感器，人體熱釋電傳感器可以接收到人體身體散發(fā)的微弱紅外線從而產(chǎn)生信號。當處于自動模式時，人體熱釋電傳感器可以檢測整個教室是否有人，從而判斷并控制整個教室設備電源開關(guān)，當有人的時候，整個教室電源自動打開，給教室燈光，電腦等各個設備供電。人體熱釋電模塊可以設置每隔3 分鐘或5分鐘做一次檢測，若超過規(guī)定時間檢測到?jīng)]有人存在，則關(guān)閉教室的電源，以最大程度節(jié)省教室用電。通過調(diào)節(jié)接收敏感度，還可以輔助檢測上課時是否有人遲到或者早退，可以讓老師更加專注于教學。

2.2 指紋識別設計

課室有時候不僅僅是上課的場所而且可以作為考試的場所。樹莓派也可以外接指紋采集器，每個人的指紋都是獨一無二的，通過對采集到的指紋跟數(shù)據(jù)庫提前收集到的指紋進行對比，再輔以人臉識別，能極大加快對考場學生的認證速度以及維護考場秩序。生物識別是現(xiàn)今身份識別最常用的方法，每個人的身體里都有著獨一無二的標識，現(xiàn)今使用得最廣泛就是指紋識別和人臉識別。

圖4 指紋模塊和攝像頭

由于UART 串口傳送的速率有限，如果全部指紋數(shù)據(jù)都儲存在指紋模塊外的數(shù)據(jù)庫中，會導致每次指紋比對都需要通過串口傳輸指紋數(shù)據(jù)從而導致識別速度慢。考慮到一般情況下一段時間內(nèi)需要使用指紋識別的人數(shù)有限，采取的方案是把采集到的指紋數(shù)據(jù)儲存到數(shù)據(jù)庫中，每次使用前先提前把需要用到的指紋數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫載入到模塊儲存中，然后再進行高速識別。

圖5 指紋識別流程

圖6 AS608指紋識別指令包格式

2.3 人臉識別設計

在傳統(tǒng)教室中，一個老師要面對很多個學生，有時候無法很準確地獲取學生狀態(tài)，而在智慧教室中，機器視覺不僅可以獲取人臉信息，還能夠提取人臉的特征點，根據(jù)采集到的特征點（如嘴巴的閉合等），通過深度學習，進而判斷學生是否困倦，并及時提交給教師，讓教師可以及時調(diào)整教學方式和加強教學管理。

樹莓派可以通過攝像頭進行視頻或者圖像的采集，通過人臉識別的算法，能夠精準識別出每個人的身份，從而簡化傳統(tǒng)而繁瑣的老師點名進行簽到的步驟，使得課堂不再用過多的時間在確認學生人數(shù)上，提高了課堂的學習效率。

在圖像識別領(lǐng)域，現(xiàn)在有很多個開源的項目都有著非常好的算法支持。比較常用的是基于C++的OpenCV，它提供Python 接口，可以讓大家很便捷地使用OpenCV。同時，基于OpenCV 和深度學習還有眾多的人臉識別項目。

圖7 人臉識別流程

圖8 身份識別

在Face Recognition 的人臉識別庫中不僅僅能做人臉識別，還能描繪出人臉部的特征點，描繪人臉部的輪廓，結(jié)合TensorFlow 等深度學習算法可以判斷人的情緒。

為了識別學生是否困倦，我們自己通過拍照或者網(wǎng)上搜索收集的幾百張正常臉的照片以及“困倦”臉的照片，提取出特征，并進行了驗證。

圖9 正常臉識別

圖10 “困倦”臉識別

2.4 數(shù)據(jù)庫設計

為了儲存大量地人物信息，必然需要用到數(shù)據(jù)庫，MySQL 是一個開源的、性能非常好的、支持跨系統(tǒng)而且體積非常小的數(shù)據(jù)庫。該項目中主要儲存的數(shù)據(jù)有人的身份信息（姓名、性別等）、對應的人臉信息、指紋信息。在需要的時候，從數(shù)據(jù)庫中提取出相關(guān)的信息進行比對。指紋的特征是固定的512B 大小，而人臉特征太過復雜則在提取特征的時候通過把浮點數(shù)改成一個長字符串從而可以使用數(shù)據(jù)庫中的變長字符串儲存。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)以樹莓派4B 作為主控平臺搭建了一個基于樹莓派的智慧教室系統(tǒng)，通過對教室環(huán)境監(jiān)測自動控制教室設備的開閉，自動調(diào)整課室的燈光溫度等，給師生提供一個舒適的課堂環(huán)境。同時，該系統(tǒng)具備身份識別的能力，可以較為準確快速地識別學生身份，以便教師考勤和識別代上課代考試等問題。再者該系統(tǒng)還可以通過定時檢測學生人臉來判斷學生是否存在早退、學習困倦等問題，輔助教師課堂管理。