基于ZigBee與人臉識(shí)別的室內(nèi)燈控系統(tǒng)

楊勝和，賈 偉，李家成，孟世楨，劉峻瑜，田萌萌，羅保國(guó)，謝明山

（貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550000）

0 引 言

隨著智能技術(shù)的不斷發(fā)展，人們的生活逐漸向著智能化的方向前進(jìn)，對(duì)于燈光管理的要求也越來(lái)越高。但傳統(tǒng)管理方式存在一定的安全問(wèn)題，尤其是一些密室、保密場(chǎng)所等對(duì)燈光管理的要求比較高。利用智能技術(shù)不僅可以解決這些問(wèn)題，還可以節(jié)約能源，提高人們工作生活的質(zhì)量，改變?nèi)藗兊纳罘绞絒1-2]。目前，智能燈的控制方式主要包含遙控器、聲音、光控、感應(yīng)等，但是這些方法沒(méi)有很好地達(dá)到節(jié)能的目的。如采用聲控方式時(shí)，許多人喜歡在家養(yǎng)寵物，不可避免地會(huì)產(chǎn)生噪聲，導(dǎo)致聲控設(shè)備不按照人們的意愿工作，同樣會(huì)產(chǎn)生不必要的電能消耗。為此，本文提出了一種基于人臉識(shí)別的智能燈控制方法，設(shè)計(jì)了一種基于人臉識(shí)別技術(shù)的智能燈控制系統(tǒng)；同時(shí)通過(guò)傳感器將室內(nèi)溫濕度、異常氣體等信息傳送到手機(jī)終端，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫濕度等信息的檢測(cè)，從而為密室、保密場(chǎng)所等特殊區(qū)域的燈控提供了一種有效方法。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

室內(nèi)燈控系統(tǒng)主要由ZigBee核心板模塊、溫濕度傳感器模塊、LED燈控制模塊、數(shù)據(jù)后臺(tái)服務(wù)器模塊、路由器模塊等組成。系統(tǒng)的總體組成如圖1所示。系統(tǒng)首先通過(guò)本文提出的基于ArcFace的自然場(chǎng)景人臉識(shí)別算法識(shí)別終端采集的人臉，實(shí)現(xiàn)了對(duì)終端燈光的控制；同時(shí)通過(guò)傳感器將室內(nèi)溫濕度、異常氣體等信息傳送到手機(jī)終端，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫濕度等信息的檢測(cè)。

圖1 系統(tǒng)的總體組成

2 改進(jìn)的基于ArcFace算法的智能燈控制設(shè)計(jì)

ArcFace算法是在文獻(xiàn)[3-4]的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，提出了cos（θ+m）直接最大化的角度空間中的決策邊界，該角度空間是基于L2-norm的權(quán)重和特征生成的。與cos（mθ）和（cosθ-m）相比，ArcFace可以獲得更具辨識(shí)性的深度特征。為了提高移動(dòng)端識(shí)別的效率，本文采用文獻(xiàn)[5-8]提出的YOLOv3人臉檢測(cè)算法，該算法通過(guò)兩次采樣完成了多尺度檢測(cè)，在保持了較快的檢測(cè)速度的同時(shí)對(duì)小人臉具有較好的檢測(cè)效果；同時(shí)，算法對(duì)候選框采用了復(fù)合標(biāo)簽的建模方法，而不再是每個(gè)候選框只對(duì)應(yīng)一個(gè)類(lèi)別，因而YOLOv3在速度精度、泛化性等方面都取得了較好的效果。PFLD是一種最新的人臉關(guān)鍵點(diǎn)檢測(cè)算法，該算法提出了非限定條件下的具有理想檢測(cè)精度的輕量級(jí)landmark檢測(cè)模型。測(cè)試表明，PFLD算法在移動(dòng)設(shè)備上能達(dá)到超實(shí)時(shí)的性能。本文將PFLD與YOLOv3算法用于自然場(chǎng)景人臉檢測(cè)，旨在提高系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力以及對(duì)小人臉的檢測(cè)性能。本文基于ArcFace的人臉識(shí)別控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 人臉識(shí)別智能燈控制系統(tǒng)

3 服務(wù)器端軟件設(shè)計(jì)

本地服務(wù)器主要負(fù)責(zé)完成協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的分發(fā)[9-10]。協(xié)調(diào)器通過(guò)串口接入服務(wù)器，并通過(guò)路由器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與終端的傳輸。服務(wù)器程序由串口驅(qū)動(dòng)模塊、Socket通信程序模塊、界面模塊構(gòu)成，服務(wù)器管理界面如圖3所示。

圖3 服務(wù)器端管理界面

4 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)硬件節(jié)點(diǎn)模塊主要包括CC2530處理器、DHT11溫濕度傳感器、室內(nèi)氣體傳感器模塊、智能燈控制模塊、顯示模塊等。其中DHT11模塊、氣體傳感器模塊用于室內(nèi)溫濕度、氣體數(shù)據(jù)信息的采集，智能燈控模塊用于控制燈光的關(guān)閉與開(kāi)啟。系統(tǒng)主要硬件框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主要硬件框圖

4.1 氣體傳感器模塊

MQ-2傳感器對(duì)于煤氣、油煙氣體靈敏度最高，其優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，適合室內(nèi)的氣體的檢測(cè)。該傳感器具有較為良好的重復(fù)性、恢復(fù)性，能夠保持長(zhǎng)時(shí)間工作；監(jiān)測(cè)可燃?xì)怏w或煙霧體積分?jǐn)?shù)范圍為10-4～10-2。本系統(tǒng)氣體傳感器電路如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)氣體傳感器電路

4.2 DHT11溫濕度傳感器模塊

DHT11數(shù)字傳感器是一種能測(cè)量溫濕度的具有數(shù)字校準(zhǔn)功能的復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專(zhuān)用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，從而使得該傳感器具有極高的可靠性與良好的穩(wěn)定性。該傳感器硬件組成包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，從而可以與單片機(jī)相連。DHT11數(shù)字傳感器具有品質(zhì)好、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

4.3 燈控模塊設(shè)計(jì)

智能燈模塊如圖6所示，模塊通過(guò)繼電器HRS1H-SDC5V作為電源供電開(kāi)關(guān)；當(dāng)CC2530P1.1引腳輸出為高電平時(shí)，三極管S9014導(dǎo)通，繼電器開(kāi)關(guān)閉合，燈泡點(diǎn)亮；當(dāng)P1.1引腳輸出為低電平時(shí)，繼電器開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，燈泡熄滅。智能燈模塊中燈泡通過(guò)可充電鋰離子電池的USB口供電，從而提高了燈泡的便攜性。

圖6 智能燈模塊

5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

系統(tǒng)的本地服務(wù)器軟件通過(guò)VS2017編寫(xiě)，主要實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)上傳，并通過(guò)TCP/UP協(xié)議將服務(wù)器數(shù)據(jù)分發(fā)到手機(jī)端。手機(jī)端APP采用Eclipse平臺(tái)編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與智能燈的人臉識(shí)別控制。實(shí)驗(yàn)效果如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟硬件測(cè)試效果

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee與人臉識(shí)別的智能燈控制系統(tǒng)與溫濕度、氣體的測(cè)量和采集。實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)來(lái)源為真實(shí)人臉數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1所列。

表1 人臉識(shí)別的智能燈控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)寢室、教室、實(shí)驗(yàn)室三個(gè)不同地點(diǎn)的溫濕度、氣體數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，見(jiàn)表2所列。

表2 不同地點(diǎn)系統(tǒng)溫濕度、氣體采集數(shù)據(jù)比較

由表1、表2測(cè)試結(jié)果可知，系統(tǒng)能夠成功控制燈的開(kāi)啟并采集環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，且效果較好。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)密室、保密場(chǎng)所等要求比較高的場(chǎng)所，設(shè)計(jì)了一種無(wú)線的人臉識(shí)別智能燈控系統(tǒng)，提出了一種解決傳統(tǒng)燈光管理方式不安全、不方便等問(wèn)題的方法；通過(guò)構(gòu)建基于ZigBee的局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)溫濕度、氣體等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理，并通過(guò)手機(jī)終端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理。系統(tǒng)具有低成本、低功耗、高可靠性、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。但是系統(tǒng)仍然存在不足，如功能少、移動(dòng)端人臉識(shí)別要求實(shí)時(shí)性等。