人工智能化教室集散節(jié)能控制系統(tǒng)*

呂凌鋒 ， 李新君 ， 劉 煜

（湖南人文科技學(xué)院，湖南 婁底 417000）

0 引言

近年來，隨著智能家居技術(shù)的發(fā)展，對于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的智能化改造尤為火熱。對于高校教室的控制系統(tǒng)的改造層出不窮，例如，文獻[1]為節(jié)電提出了一種運用紅外測溫模塊，大致判斷是否有人存在，從而對教室燈光進行一定控制和管理的設(shè)計。文獻[2]設(shè)計了一種多傳感器的教室人員檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)燈光的智能自動控制。文獻[3]設(shè)計了一種基于指紋識別技術(shù)和傳感器技術(shù)的智能教室系統(tǒng)。文獻[4]設(shè)計了一種基于溫度和光度傳感器實現(xiàn)溫度和濕度智能控制的教室系統(tǒng)。然而，本課題組在調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，上述提到的這些控制系統(tǒng)仍存在以下不足之處：

1）對于識別控制，大多采用紅外檢測或者多傳感器技術(shù)，但紅外檢測容易受到溫度的干擾，后者由于需要使用較多的傳感器，會造成不必要的運行損耗，而且大量的傳感器存在較大器件損壞的隱患，不利于后期的電路維護和檢修。

2）目前的智能教室設(shè)計在檢測人員方面采用的識別方法準確度較低，容易產(chǎn)生誤判。對檢測現(xiàn)場環(huán)境要求高，不能達到實際應(yīng)用的要求。

3）對于電氣設(shè)備的控制方式比較單一，僅通過溫度判斷是否開啟電風(fēng)扇，容易造成不必要的電能損耗。

基于上述所發(fā)現(xiàn)的不足，本設(shè)計采用了K210模塊構(gòu)建圖像處理功能，利用機器視覺，采用循環(huán)檢測的方式來實現(xiàn)人員檢測的精準識別。在電氣設(shè)備控制上，采用雙層判斷，有效地規(guī)避因溫度過高而導(dǎo)致電氣設(shè)備誤開的情況。

1 總體設(shè)計

基于人工智能的教室節(jié)能控制系統(tǒng)主要分為兩大部分的設(shè)計，檢測部分及電氣控制部分。在檢測部分，使用人臉識別及測溫模塊分別對教室的人員、溫度進行檢測和判斷。通過串口通信進行檢測信號的讀取、STC89C52單片機作為主控制器進行信號的處理和輸出。實現(xiàn)電氣控制部分的電燈和電風(fēng)扇的自動啟動和自動停止目的。矩陣按鍵用于調(diào)節(jié)時間顯示模塊，對錯誤時間進行修正設(shè)置[5-6]。整個系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 硬件設(shè)計

硬件部分主要分為以下六個模塊，包括主控制器（STC89C52單片機）模塊，K210模塊，測溫模塊，時鐘模塊，通信和顯示模塊?？刂撇糠挚傠娐穲D如圖2所示。

圖2 總控制電路圖

主控制器選擇了STC89C52單片機，該單片機具有兩個定時器，剛好能夠滿足時間的刷新、按鍵模塊的檢測功能和串口的檢測功能。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也相對簡單，開發(fā)和運用更加快速。

在識別部分，本系統(tǒng)采用亞博K210進行開發(fā)和設(shè)計。K210是一款基于RIAC-V精簡指令集的微型控制單元。由于其自身帶有一塊自主研發(fā)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器，能夠高性能地完成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運算功能，相對來說，構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)越復(fù)雜，其識別精度越高。該模塊具有集成好的LCD顯示界面及攝像頭模塊，支持波特率為9 600的串口通信，能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計需求。

溫度檢測上，采用DS18B20溫度檢測模塊進行溫度的測量和顯示。作為一種常用的數(shù)字溫度傳感器，其價格較低，抗干擾能力強，測量精度高，可應(yīng)用于機房測溫，農(nóng)業(yè)大棚測溫等各種日常場所的測溫。能夠在保證測量精度的前提下，有效降低本系統(tǒng)的制作成本。該檢測模塊工作電壓為3 V～5.5 V，測

通信模塊采用傳統(tǒng)的U A R T（U n i v e r s a l Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發(fā)器）進行兩個設(shè)備的通信。由于檢測上位機和控制下位機都能夠支持波特率為9 600的串口通信，該接線只需要兩根線作為數(shù)據(jù)傳輸，相比于其他的并行通信方式，能極大節(jié)約通信線的使用，解決實際應(yīng)用的成本問題。

顯示模塊上，使用LCD1602作為顯示屏。該模塊能夠顯示數(shù)字、字母、英文字符等，而且其功率小，能夠滿足本系統(tǒng)對于星期、日期、溫度的顯示功能。定的溫度范圍在-55 ℃～125 ℃之間，符合裝置測溫設(shè)計的范圍要求。

時鐘模塊采用DS1302芯片，該芯片能夠提供年、月、日、時、分和秒的實時信息，滿足本系統(tǒng)對于日期，時間的檢測需求，同時，該芯片的功耗較低，能盡可能減少系統(tǒng)工作功耗。

1.2 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)主要分為三部分進行軟件設(shè)計：識別算法設(shè)計，識別部分設(shè)計和電路控制部分設(shè)計。

1）識別算法設(shè)計。采用百度AI平臺訓(xùn)練人臉識別模型。在模型的訓(xùn)練上，采用MobileNet網(wǎng)絡(luò)對224×224的圖片進行堆積depthwise separable convolution（深度分離卷積）和strides=2（步長=2）的下采樣至7×7，通過平均池化，將特征變成1×1，再依據(jù)預(yù)測類別大小加入全連接層進行模型的訓(xùn)練[7]。其中，通過階梯型訓(xùn)練方法對模型的epoch和decay進行梯度的變化[8-10]。此外，通過連續(xù)時準確率達到穩(wěn)定值后停止訓(xùn)練的方式，加快模型訓(xùn)練速度。MobileNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 MobileNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)表

2）識別部分設(shè)計。通過上電初始K210，初始化各模塊，然后對攝像頭所拍攝的內(nèi)容和Kmodel模型進行加載，加載后進行對比。當對比后的閾值大于0.7，則檢測為人臉進行畫框操作。最后通過設(shè)置為9 600的串口3輸出不同的指令。識別程序流程圖如圖3所示。

圖3 識別程序流程圖

3）電路控制部分設(shè)計。首先上電，初始化STC89C52所連接的各部分外設(shè)模塊，初始化后，對日期、時間、星期進行檢測和刷新顯示，然后調(diào)用串口程序進行串口監(jiān)控。串口接收指令后進行相應(yīng)動作，最后進行矩陣按鍵的監(jiān)控，當檢測到按鍵動作后，執(zhí)行相應(yīng)的程序動作。電路控制部分流程圖如圖4所示。

圖4 電路控制程序流程圖

2 測試結(jié)果

接通串口通信電路，K210識別模塊進行上電初始化，LCD顯示屏顯示紅色字符串Hello!和藍色字符串Demo: Face Detect!表示LCD顯示模塊正常。攝像頭對應(yīng)的拍攝畫面會在顯示屏上刷新，當檢測到人臉時，顯示屏上會對人臉所在的區(qū)域進行大致的框選，此時對應(yīng)的IO口3輸出Led on指令，單片機主控制模塊接收指令后，進行對應(yīng)的開啟流水燈動作。此時，再次檢測當前教室溫度值是否大于設(shè)定值，若大于設(shè)定值，立即啟動蜂鳴器鳴叫電路程序進行蜂鳴器鳴叫。反之啟動蜂鳴器關(guān)閉電路。當攝像頭未檢測到人臉時，串口輸出Led off指令，對應(yīng)的控制八個LED燈滅的電路工作，并保持蜂鳴器電路關(guān)斷。

經(jīng)過多次測試，本設(shè)計在人臉識別部分能夠精準快速地對檢測目標進行識別和框選定位，在對LED燈和蜂鳴器電路的控制效果測試上，控制效果非常穩(wěn)定可靠；溫度檢測效果上，比較接近真實溫度。滿足了預(yù)期的精準識別和可靠電路控制的設(shè)計效果。

3 總結(jié)

本文基于K210構(gòu)建人臉識別功能，STC89C52單片機構(gòu)建電路控制功能，通過視覺識別的圖像處理技術(shù)，實現(xiàn)了對教室電氣設(shè)備的智能化自動控制節(jié)能控制系統(tǒng)的設(shè)計。隨著深度學(xué)習(xí)和識別算法的發(fā)展，通過實際的實物測試，滿足了系統(tǒng)的預(yù)期功能。通過使用MobileNet網(wǎng)絡(luò)進行構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，有效地將識別的精準度控制在0.9，為后續(xù)的電路控制和精準節(jié)能提供了有利的條件。

當前高校的教室控制系統(tǒng)大部分仍采用傳統(tǒng)的手動控制系統(tǒng)進行室內(nèi)設(shè)備控制。隨著深度學(xué)習(xí)和識別算法的發(fā)展，節(jié)能減排的思想觀念逐漸占據(jù)主流。此時，對于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的改造會極為迫切，智能化教室會出現(xiàn)極大的需求，該設(shè)計的應(yīng)用前景極為廣闊。