基于圖像識(shí)別的教室照明節(jié)能控制系統(tǒng)

婁德燕 尹愛(ài)兵 金若愚

摘 要

針對(duì)高校教室照明用電浪費(fèi)問(wèn)題，在分析教室照明節(jié)能現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出一種基于圖像識(shí)別教室人員信息與光照自動(dòng)感應(yīng)相結(jié)合的照明節(jié)能控制系統(tǒng)，利用攝像頭采集教室圖像，運(yùn)用HOG+SVM的人頭識(shí)別算法與背景差進(jìn)行人數(shù)識(shí)別，再結(jié)合教室光照感應(yīng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)照明的節(jié)能控制，做到人在燈亮，人走燈滅。

關(guān)鍵詞

圖像識(shí)別;照明;控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TP391.41;TU113.66? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.052

目前高校教學(xué)樓主要依賴人工管理，經(jīng)常存在“長(zhǎng)明燈”現(xiàn)象，教室的電能資源浪費(fèi)嚴(yán)重。為節(jié)能減排，低碳環(huán)保，高校也開(kāi)展了豐富多彩的主題教育活動(dòng)，但仍沒(méi)有從根本上解決能源浪費(fèi)問(wèn)題。隨著教育信息化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化校園的建設(shè)，利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)識(shí)別教室人員信息，再利用光照傳感器獲取教室環(huán)境參數(shù)，最后由嵌入式設(shè)備融合處理，能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同場(chǎng)景的燈光進(jìn)行自動(dòng)切換，實(shí)現(xiàn)照明節(jié)能控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

目前高校教室主要依賴人工管理，由于教室多，個(gè)別學(xué)生自覺(jué)性與自我管理較差，教室照明經(jīng)常存在以下現(xiàn)象：

（1）正常開(kāi)燈后，人走忘記關(guān)燈，導(dǎo)致燈常亮;

（2）教室光線較差時(shí)開(kāi)燈，光線正常時(shí)沒(méi)有主動(dòng)關(guān)燈;

（3）教室人員分布不均，統(tǒng)一開(kāi)燈，無(wú)人區(qū)域燈亮。

這些可以關(guān)燈的情景沒(méi)有關(guān)燈，導(dǎo)致能源浪費(fèi)。為實(shí)現(xiàn)以上場(chǎng)景自動(dòng)關(guān)燈，本文提出一種基于圖像識(shí)別與光線自動(dòng)感應(yīng)的智能照明管理系統(tǒng)，既可以通過(guò)教室控制面板人工控制燈的亮滅，也可以通過(guò)機(jī)器視覺(jué)的人數(shù)識(shí)別與光照感應(yīng)，根據(jù)光照強(qiáng)度與人員位置信息開(kāi)關(guān)燈光的智能控制方案，實(shí)現(xiàn)了人走燈滅，減少了能源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能控制，實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示。系統(tǒng)主要由攝像采集、圖像識(shí)別、光照感知、控制處理、照明開(kāi)關(guān)等5個(gè)部分組成。

為方便教室人工控制照明，在教室墻壁上懸掛觸摸式控制面板，照明控制器根據(jù)控制面板的輸入指令控制每一個(gè)燈光的亮滅。智能控制，由安裝在教室中央的攝像頭對(duì)教室人員進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)圖像識(shí)別檢測(cè)出教室人員信息，確定某一燈光照明范圍內(nèi)人員信息及控制指令送入控制處理單元;為了解教室光照環(huán)境參數(shù)，選取教室某些位置安裝光照傳感器，采集不同位置光照強(qiáng)度。照明控制器根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的教室管理信息，結(jié)合教室人數(shù)、光照信息對(duì)燈光進(jìn)行自動(dòng)開(kāi)關(guān)，能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人和光照正常情況下燈光關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能控制。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 教室監(jiān)控系統(tǒng)

教室人員信息識(shí)別主要借助教室監(jiān)控平臺(tái)完成，目前教學(xué)監(jiān)控主要由教室攝像機(jī)、拾音器、主控單元、光纖通信網(wǎng)絡(luò)等組成。目前我院教室都安裝了監(jiān)控?cái)z像頭，攝像機(jī)采用云臺(tái)網(wǎng)絡(luò)球機(jī)，型號(hào)為DS-2DMI-504- IS，控制主機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制攝像頭監(jiān)控范圍。主控制室安裝數(shù)字硬盤錄像機(jī)DS-8632-NST，具有錄像、抓圖、回放、備份等多種功能。人員識(shí)別處理在教室監(jiān)控系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，為減少監(jiān)控處理壓力，可適當(dāng)增加一臺(tái)服務(wù)器，在服務(wù)器上完成圖像處理工作，識(shí)別出教室人員信息。

2.2 照明控制器

照明控制器是教室照明控制的節(jié)點(diǎn)，需要完成教室人工開(kāi)關(guān)燈操作、控制照明傳感器采集教室照明信息、接收監(jiān)控中心的控制指令、驅(qū)動(dòng)每個(gè)燈的開(kāi)關(guān)操作等任務(wù)。人工操作，選用觸摸屏控制照明，更加方便快捷。由于電容屏更容易通過(guò)手動(dòng)觸控，因此選用群創(chuàng)7寸彩色電容觸摸屏TFT LCD AT070TN92，其分辨率800480，能實(shí)現(xiàn)觸控與顯示操作。教室各個(gè)位置照明強(qiáng)度不同，為調(diào)節(jié)照明，讓整個(gè)教室都能滿足正常光線需要，選用BH1750FVI采集指定區(qū)域光照強(qiáng)度。BH1750FVI是一種兩線串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器，能探測(cè)較大范圍內(nèi)的光強(qiáng)度變化（1lx-65535lx），光源依賴性弱，支持I2C總線接口，用于檢測(cè)教室光照環(huán)境。與監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)通信，如果選用有線布線，教室改造成本大，可以采用無(wú)線局域網(wǎng)方案，借助校園網(wǎng)WiFi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳遞，采用ESP8266模塊實(shí)現(xiàn)。教室燈光通過(guò)繼電器控制電源的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)照明控制。根據(jù)系統(tǒng)要求，嵌入式處理芯片選用ARM公司的STM32F429芯片。STM32F429是一種基于ARM Cortex-M4 32bit的微控制器，高達(dá)20路通信接口（I2C、SPI、UART、USB、CAN、SDIO等），還有一個(gè)專用TFT LCD接口，最主頻為180MHz，液晶觸摸屏顯示控制與ST M32F429的LCD-TFT顯示控制器相連，光強(qiáng)度傳感器通過(guò)I2C接口連接，WiFi通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)信息互通，繼電器通過(guò)GPIO驅(qū)動(dòng)，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)所需電源通過(guò)220V市電進(jìn)行交直流變換得到24V直流電壓，再利用LM2574、TPS61040等芯片進(jìn)行DC/DC轉(zhuǎn)換為AT070TN92、STM32F429、ESP8266等所需的直流電源。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 基于圖像識(shí)別的人數(shù)統(tǒng)計(jì)算法

教室監(jiān)控系統(tǒng)采集到教室人員視頻信息，要識(shí)別出某一區(qū)域內(nèi)具體人數(shù)，首先需要判斷是否有人。對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的視頻識(shí)別，可以采用幀差法、背景建模法等方法。由于教室場(chǎng)景相對(duì)固定，人員行動(dòng)比較緩慢，因此，采用背景差分法，在教室無(wú)人時(shí)進(jìn)行圖像采集，以此為背景幀，在人員識(shí)別時(shí)圖像進(jìn)行差分，對(duì)差分圖像進(jìn)行人員識(shí)別。為準(zhǔn)確控制教室每隔燈光，對(duì)教室安裝燈光覆蓋范圍進(jìn)行區(qū)域分割，畫出每個(gè)燈光照明范圍，對(duì)該區(qū)域人數(shù)運(yùn)用HOG+SVM進(jìn)行人頭識(shí)別，統(tǒng)計(jì)出該區(qū)域人數(shù)。HOG（方向梯度直方圖）是當(dāng)前計(jì)算機(jī)視覺(jué)、模式識(shí)別領(lǐng)域很常用的一種描述圖像局部紋理的特征，教室由于桌椅遮擋，人員行動(dòng)緩慢，因此采用人頭進(jìn)行局部紋理特征分析，提取出人頭特征參數(shù)，然后采用SVM（支持向量機(jī)）進(jìn)行分類。由于目前沒(méi)有專門的人頭分類器數(shù)據(jù)庫(kù)，需要自己采集人頭正樣本，再采集沒(méi)有人頭的負(fù)樣本，通過(guò)HOG+SVM進(jìn)行訓(xùn)練，獲取人頭分類數(shù)據(jù)庫(kù)。在人頭識(shí)別時(shí)，利用該數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)測(cè)指定區(qū)域的人數(shù)，從而統(tǒng)計(jì)人員信息。

3.2 燈光控制軟件程序

圖2給出了照明控制軟件實(shí)現(xiàn)程序，系統(tǒng)啟動(dòng)后對(duì)繼電器、觸摸屏、WiFi模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，正常模式進(jìn)入自動(dòng)模式。人工操作可在觸摸屏上切換成人工模式，此時(shí)處理器采集觸摸屏指令，根據(jù)操作要求完成照明控制切換。當(dāng)進(jìn)入自動(dòng)模式時(shí)，首先等待監(jiān)控室控制指令，當(dāng)接收到無(wú)線WiFi傳遞的控制指令與教室人員信息后，判斷某一燈光照明區(qū)域是否有人，當(dāng)無(wú)人時(shí)不需任何操作。當(dāng)檢測(cè)到該區(qū)域有人時(shí)，再啟動(dòng)光照采集傳感器采集照明強(qiáng)度，當(dāng)光照較低，需要開(kāi)啟燈光時(shí)驅(qū)動(dòng)照明繼電器開(kāi)啟對(duì)應(yīng)燈光，否則，保持不動(dòng)。在運(yùn)行過(guò)程中，人員檢測(cè)每隔2秒掃描一次，有人立即切換開(kāi)啟燈光。但當(dāng)人離開(kāi)時(shí)，每隔1分鐘左右才關(guān)閉燈光，否則人員來(lái)回頻繁轉(zhuǎn)換會(huì)損害燈管，系統(tǒng)也可以設(shè)置定時(shí)進(jìn)行關(guān)燈操作。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)教室照明控制需求分析，介紹了一種基于圖像識(shí)別教室人員信息與光照自動(dòng)感應(yīng)相結(jié)合的智能燈光控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)燈光無(wú)人自動(dòng)開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能控制。

參考文獻(xiàn)

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