基于目標(biāo)檢測的自動斷電實(shí)驗(yàn)臺控制器的設(shè)計(jì)

迪力阿熱木·吐爾地玉蘇甫 郭斌

摘要：目前，實(shí)驗(yàn)室安全越來越受到了人們的關(guān)注，隨著人工智能技術(shù)的普及，實(shí)驗(yàn)室安全設(shè)備層出不窮。該設(shè)計(jì)采用Openmv4 H7為核心、MT9V034攝像頭為采集設(shè)備、STM32F103C8T6模塊為控制設(shè)備、OLED12864為顯示模塊，實(shí)現(xiàn)了可以自定義時(shí)間間隔的自動控制模式以及手動模式的自動斷電控制模塊的多種功能。該模塊具有體積小，方便安裝等特點(diǎn)，能夠簡易地安裝到實(shí)驗(yàn)臺上。通過對傳統(tǒng)目標(biāo)檢測算法的研究與分析，研究了Openmv圖像預(yù)處理和灰度直方圖均衡化的方法，采用幀間差分檢測算法和關(guān)鍵幀的人物識別方法，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)識別功能，最終形成基于目標(biāo)檢測的自動斷電實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)，該實(shí)驗(yàn)臺可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)無人時(shí)自動斷電，從而保證了實(shí)驗(yàn)室的用電安全以及達(dá)到了節(jié)省能源的目的。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)室安全;控制器;目標(biāo)檢測;節(jié)省能源

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）18-0080-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 引言

隨著實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代化建設(shè)水平的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室用電安全管理措施的弊端越來越凸顯，很難有效地滿足各方面提出的要求，暴露出很多安全性問題，因此，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室自動斷電的實(shí)驗(yàn)臺顯得十分緊迫。這種基于目標(biāo)檢測的自動斷電實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)，不僅為人們帶來便利的同時(shí)，間接解決資源浪費(fèi)、發(fā)生火災(zāi)等漏洞產(chǎn)生的概率，對實(shí)驗(yàn)室安全管理意義及改進(jìn)策略探究上有重大意義。

2 研究現(xiàn)狀

早期，人們使用的電子設(shè)備與現(xiàn)在的電子設(shè)備有很大的不同。這些設(shè)備不僅表現(xiàn)在種類繁多，體積大小不一，功能復(fù)雜程度以及適用范圍的不同，對實(shí)驗(yàn)室用電設(shè)備實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)方面和實(shí)驗(yàn)室能源的管理有著巨大的差距[1]。如今，隨著社會的不斷發(fā)展、實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的擴(kuò)大、實(shí)驗(yàn)臺數(shù)目的大量增加，人們對實(shí)驗(yàn)室用電安全管理方面格外重視。與此同時(shí)，人工智能技術(shù)的發(fā)展及普及，使實(shí)驗(yàn)室安全設(shè)備層出不窮。

近期國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室電源管理系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，世界各國的大學(xué)都注重實(shí)驗(yàn)室資產(chǎn)的管理和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，形成了動態(tài)數(shù)據(jù)庫公司的實(shí)驗(yàn)室LabMasterLIMS、萊博韋爾的LabWareLIMS和實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的NautilusLIMS[2]等實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)。目前，由于越來越多的精密儀器在高校實(shí)驗(yàn)室中得到使用，實(shí)驗(yàn)室電源管理系統(tǒng)能夠保證實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的用電安全，是實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)中不可或缺的一部分，因此實(shí)驗(yàn)室的用電要求變得更加嚴(yán)格。近幾年，世界各地的學(xué)者，研發(fā)人員都在對實(shí)驗(yàn)室電源管理系統(tǒng)進(jìn)行研究，在他們的不斷努力下，實(shí)驗(yàn)室電源管理系統(tǒng)獲得了巨大的發(fā)展。

本文采用幀間差分檢測算法和關(guān)鍵幀的人物識別方法，對傳統(tǒng)的人工管理方式進(jìn)行改進(jìn)。實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識別功能、準(zhǔn)確地判斷無人時(shí)自動斷電，解決了用電安全、資源浪費(fèi)等問題，從而實(shí)現(xiàn)了基于目標(biāo)檢測的自動斷電實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)，對實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展起到了關(guān)鍵性作用[3]。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體框圖

根據(jù)系統(tǒng)的硬件組成需求分析，主要包括5個(gè)模塊：控制采集模塊、目標(biāo)檢測攝像頭模塊、12864OLED液晶顯示模塊、按鍵切換模塊、繼電器模塊。如圖1所示。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要分為控制采集模塊程序、機(jī)器視覺目標(biāo)檢測程序、各類數(shù)據(jù)顯示子程序和改變參數(shù)及控制手動模塊的按鍵程序。首先OPENMV IDE運(yùn)行程序，使用sensor.reset（）方法初始化相機(jī)傳感器，OPENMV上P4，P5對應(yīng)串口3，波特率為115200。攝像頭模塊運(yùn)行將開始的十秒左右出現(xiàn)的物體作為目標(biāo)特征，直至出現(xiàn)特征角點(diǎn)證明已經(jīng)識別記錄目標(biāo)特征。在檢測階段接收目標(biāo)輸入，通過幀間差分法對每一幀圖像畫面進(jìn)行目標(biāo)檢測，如果存在運(yùn)動目標(biāo)，則連續(xù)的幀和幀之間會有明顯的變化。關(guān)鍵幀的人物識別得到畫面中的指定目標(biāo)，用串口通信接收數(shù)據(jù)緩存，重定義fputc函數(shù)循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)，直到發(fā)送完畢。使能USART1，GPIO時(shí)鐘通過IIC協(xié)議驅(qū)動顯示屏打印數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺目標(biāo)檢測程序完成實(shí)驗(yàn)臺前是否有人的情況進(jìn)行數(shù)據(jù)保存;控制采集模塊程序完成對目標(biāo)檢測數(shù)據(jù)的讀取及輸出，并通過各類數(shù)據(jù)顯示子程序顯示對應(yīng)信息。流程圖如圖2所示。

3.3 算法實(shí)現(xiàn)

本文主要研究了經(jīng)典運(yùn)動目標(biāo)檢測，討論了幀間差分法的目標(biāo)檢測，該過程需要同關(guān)鍵幀的人物識別方法完成目標(biāo)識別和目標(biāo)定位任務(wù)，即確定給定圖像中的目標(biāo)類別和位置[4]，本設(shè)計(jì)通過幀間差分方法在一定程度上減少了時(shí)間和效率問題。

幀間差分法是由于攝像頭拍攝的圖像都是連續(xù)的，因此當(dāng)場景中存在運(yùn)動目標(biāo)時(shí)，運(yùn)動的物體會在兩張連續(xù)拍攝的圖片中處于不同的位置，造成兩張圖像的差距過大。該方法通過計(jì)算兩張圖像的差距，判斷灰度變化，當(dāng)變化超過預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，則判定為運(yùn)動目標(biāo)，以此完成對目標(biāo)的檢測。該方法有對動態(tài)背景不敏感，不需背景建模的優(yōu)點(diǎn)[5]。如圖3所示。

圖像序列中像素點(diǎn)的灰度值（x，y）設(shè)定為幀t（x，y）與幀t-1（x，y）之間差值的絕對值，以D（x，y）為閾值，并以下列公式表示像素點(diǎn)（x，y）作為前景或背景的區(qū)別原則：

[Dt x，y=|Itx，y-It-1x，y |]

[Dtx，y≤T，MT=0 Dtx，y>T，MT=1]

關(guān)鍵幀人物識別在目標(biāo)檢測識別和識別過程中起著至關(guān)重要的作用，直接影響到檢測的性能。與傳統(tǒng)的檢測算法相比，誤差大大降低，提高了人臉跟蹤的精準(zhǔn)性。因此該算法通過接收的數(shù)據(jù)傳輸給控制模塊，控制模塊在進(jìn)行處理發(fā)送到OLED顯示屏上。與此同時(shí)，幀間差分檢測算法的人物識別方法需要時(shí)刻進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，時(shí)刻做到數(shù)據(jù)傳輸工作。

4 核心功能設(shè)計(jì)

4.1 控制采集模塊

Keil公司是一家微控制器（MCU）軟件開發(fā)工具提供商，在世界處于行業(yè)的領(lǐng)先地位。該軟件主要用于開發(fā)微機(jī)，主要用于c51（AT89C51、STC89C51）等、arm單片機(jī)（LPC、STM32）、STM32微控制器用途廣泛，具有多種功能的可重復(fù)使用的引腳。STM32F103C8T6是一款由意法半導(dǎo)體公司（ST）推出的產(chǎn)品，基于Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，采用LQFP48對硬件進(jìn)行封裝，是ST公司微控制器中的STM32系列中的產(chǎn)品。STM32F103C8T6的GPIO有上拉、下拉輸入等八種模式，因此無須在外接按鈕時(shí)設(shè)計(jì)上拉電阻和下拉電阻[6]。如圖4所示。

STM32F103C8T6是一個(gè)中密度、高性能的產(chǎn)品，支持低功耗模式、休眠模式和停止模式，里面含有模數(shù)轉(zhuǎn)換器和定時(shí)器以及PWM定時(shí)器和通信接口，ARM Cortex-M3和48個(gè)LQFP等封裝。具有高功效的RISC以及速度為72MHz的頻率、存儲器和APB總線之間的兩個(gè)外部連接。

因此，它具有出色的實(shí)時(shí)性能，出色的效率，最大的集成度，跨家族引腳和軟件兼容性。

4.2 目標(biāo)檢測攝像頭模塊

OPENMV是可編程的一種攝像頭，相機(jī)本身內(nèi)置了圖像處理算法，處理器運(yùn)行頻率為400MHz，性能較強(qiáng)，深受大家的喜愛。同時(shí)，顏色跟蹤、人臉識別、目標(biāo)識別等機(jī)器視覺算法在OPENMV4 H7模塊上輕松解決[7]。OPENMV4 H7目標(biāo)檢測模塊支持0V7725、OV9650、0V2640、MT9V034等攝像頭模塊。MT9V034是帶有全局快門的傳感器模塊，非常適合需要精確視覺支持的人，因此，本系統(tǒng)中選擇了一款支持全局快門的傳感器MT9V034來作為本系統(tǒng)的攝像頭模塊。

識別特定圖像中的特定目標(biāo)并確定其位置和類別是目標(biāo)檢測攝像頭模塊的主要任務(wù)。由于不同物體的外觀、形狀和姿態(tài)以及環(huán)境的光照條件和遮擋物的影響都有很大的差異，目標(biāo)選擇在計(jì)算機(jī)使用領(lǐng)域是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。如圖5所示：

4.3 顯示模塊

終端顯示器在當(dāng)前的使用越來越廣泛，與此同時(shí)，對終端顯示器的性能需求也逐漸提高。因此，在各類實(shí)驗(yàn)室以及低功耗系統(tǒng)中，均廣泛使用了小體積、低功耗、高亮度、高對比度的OLED顯示屏。OLED（有機(jī)發(fā)光二極管屏）是一種新的顯示技術(shù)，其顯示模組主要有裸屏和背板PCB構(gòu)成，總體尺寸約為0.96英寸。使用被廣泛使用的LED驅(qū)動模塊SSD1306驅(qū)動裸屏[8]。大多數(shù)情況下，OLED顯示屏的尺寸為0.96英寸，分辨率為128*64。功耗低、節(jié)能、成品重量輕、抗震系數(shù)高、屏幕可視角度可達(dá)170度左右、微秒級響應(yīng)時(shí)間快、薄、輕、可彎曲，具有良好的顯示效果和便攜性，所以本系統(tǒng)中選擇OLED12864顯示器來作為本系統(tǒng)的顯示模塊。

另外，STM32F103C8T6控制模塊通過IIC協(xié)議驅(qū)動OLED屏幕，設(shè)置PB12為上拉輸入模式和通用推免輸出模式。如圖6所示。

5 系統(tǒng)測試與實(shí)現(xiàn)效果

5.1 實(shí)驗(yàn)方法

為了檢驗(yàn)基于目標(biāo)檢測的自動斷電實(shí)驗(yàn)臺的功能，我們在手動控制模式及自動控制模式狀態(tài)下做了多次實(shí)驗(yàn)。測試系統(tǒng)由主電路板、USB供電線、220V電源線組成，本測試系統(tǒng)硬件為實(shí)驗(yàn)室安全用電提供一定的保障，實(shí)物在電腦桌以及實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測試。如表1所示。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于目標(biāo)檢測的自動斷電實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)，按照兩個(gè)步驟去測試：第一個(gè)是自動模式狀態(tài)，由USB供電、繼電器控制220V電源，OPENMV攝像頭模塊進(jìn)行目標(biāo)檢測，檢測到了目標(biāo)電源立馬開啟，在中途目標(biāo)消失，倒計(jì)時(shí)開始，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，電源將自動關(guān)閉。默認(rèn)關(guān)閉時(shí)間為10分鐘，用戶根據(jù)實(shí)際情況按下第二、第三按鍵進(jìn)行改變參數(shù)。注意：在倒計(jì)時(shí)過程中重新檢測到目標(biāo)將停止倒計(jì)時(shí)繼續(xù)工作，若無就會關(guān)閉電源。第二是手動模式狀態(tài)，如上述自動模式過程一樣，唯一不同點(diǎn)是可隨時(shí)將電源開啟與關(guān)閉，不用等待倒計(jì)時(shí)。這兩種情況分別進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，得到了不錯(cuò)的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

首先，實(shí)驗(yàn)按照兩部分進(jìn)行測試，即自動模式狀態(tài)和手動模式狀態(tài)?？紤]測試的準(zhǔn)確性，測試時(shí)將OPENMV4 H7 MT9V034攝像頭的蓋子用閉合和打開的方式判斷檢測到目標(biāo)，且使用手機(jī)以及插板模擬實(shí)驗(yàn)臺效果。

圖（a）：該狀態(tài)為自動模式，打開OPENMV4 H7 MT9V034攝像頭，顯示Check_states：1，即檢測到目標(biāo)，電源自動開啟，手機(jī)充電。

圖（b）：該狀態(tài)為自動模式，關(guān)閉OPENMV4 H7 MT9V034攝像頭，顯示Check_states：0，即沒有檢測到目標(biāo)，電源倒計(jì)時(shí)10分鐘關(guān)閉，手機(jī)停止充電。

圖（c）：該狀態(tài)為手動模式，關(guān)閉OPENMV4 H7 MT9V034攝像頭，顯示Check_states：0，即沒有檢測到目標(biāo)，電源手動開啟，手機(jī)充電。

圖（d）：該狀態(tài)為手動模式，關(guān)閉OPENMV4 H7 MT9V034 攝像頭，顯示Check_states：0，即沒有檢測到目標(biāo)，電源手動關(guān)閉，手機(jī)停止充電。

注：該狀態(tài)為手動模式時(shí)，打開OPENMV4 H7 MT9V034攝像頭，顯示Check_states：1，即檢測到目標(biāo)，根據(jù)電源手動開啟/關(guān)閉，手機(jī)充電/停止充電。

6 結(jié)束語

為進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)室用電安全，確保實(shí)驗(yàn)室安全運(yùn)行并達(dá)到節(jié)約電能的目標(biāo)。論文設(shè)計(jì)了一種基于目標(biāo)檢測的自動斷電實(shí)驗(yàn)臺。程序在Keil平臺和Openmv IDE平臺上進(jìn)行編程，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測以及控制器功能。在算法上研究了Openmv對圖像進(jìn)行預(yù)處理，采用幀間差分檢測算法和關(guān)鍵幀的人物識別方法，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)臺可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)無人的時(shí)候自動斷電的效果，基本實(shí)現(xiàn)了本設(shè)計(jì)的所有要求。最后在多次測試過程中，本設(shè)計(jì)控制反應(yīng)快，顯示屏數(shù)據(jù)清晰，檢測目標(biāo)準(zhǔn)確，按鍵功能齊全。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】