基于Raspberry Pi的智能教室系統(tǒng)

張力文++薛仕高　張雅晴　李俊青

摘 要：本系統(tǒng)以樹(shù)莓派為核心控制器，配置攝像頭、紅外對(duì)射傳感器、溫濕度傳感器等設(shè)備，采用單片機(jī)和繼電器作為智能節(jié)點(diǎn)開(kāi)關(guān)，運(yùn)用圖像處理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在web端對(duì)教室用電設(shè)備的遠(yuǎn)程管理和智能控制，并對(duì)教室的上座率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。起到了節(jié)約能源、減輕管理人員工作量、提高學(xué)生查找自習(xí)室效率的作用。

關(guān)鍵詞：樹(shù)莓派；智能控制；圖像處理；上座率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.126

1 引言

新年來(lái)，高等教育越來(lái)越受重視，各大高校頻頻擴(kuò)建教學(xué)樓，教室的用電負(fù)荷也不斷增加。而目前教室用電設(shè)備的管理主要依靠樓層的管理人員，實(shí)時(shí)性差，容易造成資源浪費(fèi)。另外，多數(shù)高校沒(méi)有對(duì)學(xué)生提供空閑自習(xí)室的信息查詢服務(wù)。針對(duì)上述情況，本文設(shè)計(jì)了基于樹(shù)莓派的智能教室系統(tǒng)。

樹(shù)莓派由注冊(cè)于英國(guó)的慈善組織“Raspberry Pi 基金會(huì)”開(kāi)發(fā)，是一款基于 ARM 的微型電腦主板，它基于 Linux 的操作系統(tǒng)、提供 Python 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境，同時(shí)也支持 C、Java 等編程語(yǔ)言。它提供40個(gè)GPIO接口供用戶搭建外圍電路，還提供了以太網(wǎng)接口、USB接口，HDMI視頻輸出接口等。樹(shù)莓派不僅具備了PC的基本功能，并且接口豐富，價(jià)格低廉，為我們提供了一個(gè)理想的嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)[1]。

2 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以樹(shù)莓派作為控制器，并配置紅外傳感器、溫濕度傳感器、usb攝像頭等設(shè)備。樹(shù)莓派通過(guò)485總線與單片機(jī)進(jìn)行通訊，通過(guò)TCP/IP協(xié)議，與上位機(jī)建立聯(lián)系。并采用單片機(jī)和繼電器結(jié)合的方式作為智能開(kāi)關(guān)。[2]樹(shù)莓派通過(guò)攝像頭定時(shí)抓拍照片并應(yīng)用圖像處理技術(shù)，分辨人所在的方位，從而達(dá)到有人的時(shí)候才開(kāi)始工作的節(jié)能這一目標(biāo)[3]。

3 模塊設(shè)計(jì)

3.1 智能光控模塊

當(dāng)教室有課時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)里的課程表來(lái)控制教室燈光的開(kāi)啟與關(guān)閉；當(dāng)教室沒(méi)課時(shí)，學(xué)生進(jìn)入教室，安裝在進(jìn)門處的紅外線傳感器感應(yīng)，教室燈光全部開(kāi)啟，通過(guò)程序設(shè)定使攝像頭定時(shí)拍照，并對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理、高斯濾波等操作，提取人的頭部輪廓。再將教室座位進(jìn)行區(qū)域劃分，調(diào)用opencv的邊緣檢測(cè)函數(shù)來(lái)確定人在教室中所處的位置。如果對(duì)應(yīng)的位置有人，燈光處于開(kāi)啟狀態(tài)，反之，燈光則處于關(guān)閉狀態(tài)。

3.2 智能溫控模塊

空調(diào)控制模塊主要由空調(diào)控制器、溫濕度傳感器構(gòu)成。通過(guò)溫濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)的溫度并分析數(shù)據(jù)，與預(yù)設(shè)值相比較，當(dāng)室內(nèi)溫度高于最高門限值時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟空調(diào)。低于最低門限值時(shí)自動(dòng)關(guān)閉空調(diào)。從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)溫度變化實(shí)時(shí)控制空調(diào)運(yùn)行溫度。

3.3 上座率查詢模塊

根據(jù)上述圖像處理技術(shù)計(jì)算出上座率信息，用戶可以在移動(dòng)終端查詢信息，提高了學(xué)生查找自習(xí)室的效率，也提升了教室的利用率。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，通過(guò)搭建教室的網(wǎng)絡(luò)來(lái)采集環(huán)境中的溫濕度、圖像等信息，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)教室環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)web端進(jìn)行訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。本系統(tǒng)不僅可以節(jié)約能源，又提高了管理人員的工作效率和學(xué)生查找空閑自習(xí)室的效率。大大提升了現(xiàn)代化教室的智能性和便利性。

“北京市大學(xué)生科學(xué)研究與創(chuàng)業(yè)行動(dòng)計(jì)劃”（項(xiàng)目編號(hào)：S201610022068）

參考文獻(xiàn)：

[1]張永安.基于樹(shù)莓派的智能家居系統(tǒng)[J].電子世界，2016（15）：53.

[2]樊振宇，戴小鵬，彭心雨，申聰.基于Raspberry Pi的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].福建電腦，2016（09）：11-13.

[3]劉繼元.基于樹(shù)莓派的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[J].電子世界，2016（08）：24-25.