基于圖像處理的教室節(jié)能控制系統(tǒng)

針對(duì)國(guó)內(nèi)高校普遍存在的照明場(chǎng)所電能嚴(yán)重浪費(fèi)的現(xiàn)象，提出一種智能控制燈的方法，根據(jù)教室的人數(shù)和人員在室內(nèi)分布的位置，對(duì)燈的開(kāi)關(guān)進(jìn)行自動(dòng)控制。實(shí)現(xiàn)“按需供電”的目的而達(dá)到節(jié)能的效果。本設(shè)計(jì)采用ARM9芯片S3C440A提供的攝像頭接口，采用OV9650芯片實(shí)現(xiàn)視頻的采集，利用人臉檢測(cè)的方式統(tǒng)計(jì)室內(nèi)人數(shù)，并通過(guò)串行總線發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī)。

【關(guān)鍵詞】智能教室 人臉檢測(cè) 圖像采集 計(jì)算機(jī)視覺(jué)

進(jìn)入21世紀(jì)，能源問(wèn)題是世界各國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。目前，我國(guó)電力工業(yè)發(fā)展速度很快，但是電力供應(yīng)不足和用電效率低下的狀況依然比較嚴(yán)重。因此推行照明節(jié)電技術(shù)節(jié)約電能是改善電力負(fù)荷緊張狀況的主要途徑之一。我國(guó)照明用電約占總發(fā)電量的12%左右，且以低效照明為主。因此成為終端節(jié)電的主要對(duì)象之一。照明用電大都屬于峰時(shí)用電，由此可見(jiàn)，照明節(jié)電具有節(jié)約電量和緩解高峰用電的雙重作用。針對(duì)普遍存在的大量的電能和其他能源的過(guò)度消耗和人為原因造成的資源浪費(fèi)這一現(xiàn)象，我們提出了一系列的檢測(cè)、協(xié)調(diào)、控制方式就地的對(duì)教室內(nèi)部設(shè)備采取智能控制，以達(dá)到節(jié)約能源的目的，同時(shí)對(duì)教室的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，以便及時(shí)了解室內(nèi)狀況。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)將控制系統(tǒng)分為兩層，由PC機(jī)組成的上位機(jī)和由ARM 9芯片組成的下位機(jī)，二者通過(guò)RS485總線相互連接，組成并實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、傳輸，同時(shí)上位機(jī)還可以發(fā)送命令對(duì)設(shè)備的相應(yīng)的控制。下位機(jī)的主控芯片采用的是三星公司生產(chǎn)的S3C2440 ARM 9芯片作為控制器，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，并通過(guò)串行總線RS485將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送的上位機(jī)中。在 S3C2440 ARM 9芯片上運(yùn)行移植了OpenCV的嵌入式Linux系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)將教室劃分為多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域分配一個(gè)攝像頭來(lái)采集視頻圖像。系統(tǒng)利用人臉檢測(cè)的方法統(tǒng)計(jì)視頻圖像中的人臉數(shù)量，綜合各個(gè)區(qū)域中的人數(shù)作為確定教室人數(shù)的方法。上位機(jī)采用在visual c++ 6.0中編寫的程序，通過(guò)串口采集下位機(jī)串口的數(shù)據(jù)，定時(shí)存放到數(shù)據(jù)庫(kù)中，也可以記錄采集到的響應(yīng)數(shù)據(jù)和對(duì)下位機(jī)發(fā)出控制命令來(lái)控制教室的設(shè)備。當(dāng)然，系統(tǒng)還可以查看數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的教室歷史信息。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖 1所示。

2 光照、溫度采集與處理

溫度的采集采用美國(guó)美信半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20芯片作為溫度傳感器。DS18B20是世界上第一片支持“一線總線”接口的一種高精度單總線溫度傳感器，它把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)提供給微控制器進(jìn)行處理，并且可根據(jù)實(shí)際需要通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)一位數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。具有測(cè)量精確度高、可靠性好、抗千擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于高精度測(cè)量溫度的各個(gè)領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)采用其作為教室溫度采集傳感器，分別在教室的四個(gè)角落的上方放置。在室內(nèi)溫度超出預(yù)定值時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟電風(fēng)扇進(jìn)行散熱。

光照強(qiáng)度的檢測(cè)選用TI公司的可編程光頻轉(zhuǎn)換器TSL230B作為光強(qiáng)檢測(cè)。TSL230B芯片主要由多晶硅光電二極管和單片COMS電流頻率集成轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。多晶硅光電二極管對(duì)光輻照度信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，把一定光譜的光轉(zhuǎn)換成電流，再由電流/頻率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖頻率。輸出方波或三角波的頻率完全由光輻照度決定，可程控調(diào)整靈敏度及滿量程的輸出頻率。分辨率極高，不受外圍元件影響，可以直接與微控制器連接，幾乎無(wú)須外圍元件。其特點(diǎn)是：

（1）不需要外接元件即可完成高分辨率的光照度/頻率轉(zhuǎn)換；

（2）靈敏度和滿度輸出頻率可編程調(diào)整；

（3）直接微處理器接口；

（4）單電源工作，寬供電電壓范圍：2.7～6V，具備掉電功能；

（5）絕對(duì)輸出頻率容限為20%；

（6）100kHz時(shí)非線性誤差典型值為0.2%；

（7）穩(wěn)定的0.01%/℃的溫度系數(shù)；

（8）先進(jìn)的LinCMOSTM工藝。

GB50034-2004《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的教師和一般閱覽室光照度的標(biāo)準(zhǔn)值300lx，因此本設(shè)計(jì)將此值作為基值，系統(tǒng)檢測(cè)到室內(nèi)光線強(qiáng)度高于此值是，自動(dòng)關(guān)閉燈的電源；當(dāng)室內(nèi)光線強(qiáng)度低于此值時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)人臉檢測(cè)統(tǒng)計(jì)的人數(shù)來(lái)確定是否開(kāi)燈。當(dāng)教室中的總?cè)藬?shù)小于10人時(shí)，只打開(kāi)一個(gè)區(qū)域的燈，當(dāng)室內(nèi)人數(shù)大于10人時(shí)，則根據(jù)各個(gè)區(qū)域的情況打開(kāi)相應(yīng)的燈。

3 位置檢測(cè)及人數(shù)統(tǒng)計(jì)方法

本設(shè)計(jì)利用攝像頭陣列采集室內(nèi)圖像，因此需要很好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，和對(duì)視頻采集設(shè)備的協(xié)調(diào)性。這個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)借助于廣泛使用的OpenCV平臺(tái)。OpenCV具有統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)和功能定義、強(qiáng)大的圖像和矩陣運(yùn)算能力、方便靈活的接口等特點(diǎn)，它集成了大量的圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面的通用算法是計(jì)算機(jī)視覺(jué)、圖像處理和模式識(shí)別等方面進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的理想工具。OpenCV中提供了CVCAM模塊對(duì)攝像頭和視頻流進(jìn)行操作和使用，但是鑒于其對(duì)多攝像頭操作出現(xiàn)的種種問(wèn)題，本設(shè)計(jì)直接使用Linux系統(tǒng)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)Video4Linux中視頻和音頻設(shè)備應(yīng)用程序提供的一系列API函數(shù)采集視頻序列圖像。系統(tǒng)對(duì)視頻序列圖像使用Adaboost算法人臉檢測(cè)的方法進(jìn)行實(shí)時(shí)人臉檢測(cè)，其算法雖然十分復(fù)雜，但應(yīng)用OpenCV提供的函數(shù)和分類器進(jìn)行人臉檢測(cè)將是十分容易。檢測(cè)步驟主要分為：加載分類器、加載待檢測(cè)的圖像和人臉檢測(cè)三部分。本設(shè)計(jì)直接使用OpenCV中提供好的文件haarcascade_frontalface_alt.xml作為目標(biāo)檢測(cè)分類，使用OpenCV中用于檢測(cè)圖像中目標(biāo)的函數(shù)cvHaarDetectObjects對(duì)輸入圖像進(jìn)行人臉檢測(cè)。函數(shù)cvHaarDetectObjects在制定的圖像中查找已經(jīng)可能包含的級(jí)聯(lián)分類器對(duì)象的矩形區(qū)域，并作為矩形序列區(qū)域返回。該過(guò)程的關(guān)鍵代碼如下：

static CvMemStorage* storage = 0；endprint

…

CvSeq* faces = cvHaarDetectObjects（ small_img， cascade， storage， 1.1， 2， 0， cvSize（30， 30） ）； //檢測(cè)圖像中的目標(biāo)

首先定義用于存放人臉的動(dòng)態(tài)內(nèi)存存儲(chǔ)器，然后通過(guò)調(diào)用函數(shù)cvHaarDetectObjects得到圖像中人臉位置的矩形序列。我們通過(guò)查看序列中的個(gè)數(shù)就可以判別圖像中又多少個(gè)人臉，進(jìn)而確定監(jiān)控的區(qū)域中的人數(shù)。根據(jù)攝像機(jī)成像模型可知，圖像與實(shí)際場(chǎng)景成線性比例，因此我們?cè)诘玫饺四樤趫D像中的位置矩陣之后，就可以利用這個(gè)比例來(lái)確定人在室內(nèi)的具體位置。通過(guò)人位置矩陣的拼接，即可得到整個(gè)室內(nèi)的人位置矩陣。在得到室內(nèi)總的人數(shù)、人位置矩陣后，根據(jù)2中的控制算法即可完成對(duì)室內(nèi)燈的控制。

4 串行通信與數(shù)據(jù)處理

將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，同時(shí)上位機(jī)也可以對(duì)下位機(jī)進(jìn)行一定的控制，這就需要數(shù)據(jù)的通信。RS485總線具有比RS232總線傳輸速度快，距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，能夠滿足主控機(jī)與下位機(jī)通信，因此選擇其作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偩€。參照文獻(xiàn)[8]對(duì)多線程串口編程工具CSerialPort類源程序的修改方法，本設(shè)計(jì)使用該文件搭建串口通信的框架。其工作的流程是：先設(shè)置好串口參數(shù)，然后開(kāi)啟串口檢測(cè)工作線程。對(duì)于接收數(shù)據(jù)而言，串口檢測(cè)工作線程檢測(cè)到串口接收到的數(shù)據(jù)、流控制事件或其他串口事件后，以消息方式通知主程序，激發(fā)消息處理函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；對(duì)于發(fā)送數(shù)據(jù)而言，我們可以直接向串口發(fā)送數(shù)據(jù)。

在串行總線上傳送數(shù)據(jù)時(shí)，要有一定的格式以免發(fā)生內(nèi)容混亂的現(xiàn)象。本設(shè)計(jì)采用的格式如下：傳輸開(kāi)始時(shí)，首先發(fā)送“55”、“AA”清楚總線上的干擾信號(hào)，然后標(biāo)識(shí)字符“A”“T”“L”“M”中的一個(gè)，緊接著發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，最后發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)接收到串口傳送的數(shù)據(jù)后，加入當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間，壓入數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以便將來(lái)的數(shù)據(jù)查詢和信息統(tǒng)計(jì)。其軟件運(yùn)行界面如圖2所示。

5 結(jié)論

本文研制的智能教室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思維新穎，采用人臉檢測(cè)功能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)人數(shù)的統(tǒng)計(jì)，能夠及時(shí)查詢教室的當(dāng)前信息和歷史信息，方便了工作人員的管理，通知對(duì)燈光和風(fēng)扇的智能化控制，達(dá)到了節(jié)電的效果。同時(shí)還可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行變更和擴(kuò)展，提高了系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性，可以進(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用和推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]（美國(guó)）（Bradski.G.）布拉德斯基.學(xué)習(xí)OpenCV（影印版）（LearningOpenCV）[M].東南大學(xué)出版社，2009.

[2]陳勝勇，劉盛等.基于OpenCV的計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)[M].科學(xué)出版社，2008.

[3]劉瑞禎，于仕琪.OpenCV教程：基礎(chǔ)篇[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[4]吳永橋，金康進(jìn)，施光林.基于AT89C52的日光燈照明節(jié)電控制系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2004（08）：36-38.

[5]趙重明.可編程光頻轉(zhuǎn)換器TSL230及其應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器，2000（08）：30-32.

[6]萬(wàn)方.基于ARM的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究.北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008（04）.

[7]趙黎.基于OpenCV的人臉檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科技信息，2008（18）：351.

[8]龔建偉，熊光明.visual c++ turbo c 串口通信編程實(shí)踐[M].電子工業(yè)出版社，2004（10）.

作者簡(jiǎn)介

劉軒源（1989-），男，遼寧省撫順市人。遼寧工業(yè)大學(xué)研究生。研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)智能技術(shù)。

劉春玲（1971-），女，遼寧省錦州市人。遼寧工業(yè)大學(xué)副教授。研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器與檢測(cè)技術(shù)、模式識(shí)別與信息處理。

作者單位

遼寧工業(yè)大學(xué) 遼寧省錦州市 121000endprint