基于物聯網的教學樓內人員檢測系統的設計與實現

何惜琴，王食軍，蘇偉嘉

（閩南理工學院 電子與電氣工程學院，福建 泉州 362700）

0 引 言

教學樓是學校教學的主要場所，室內電燈多、照明時間長；作為大型的公共建筑，其能源消耗巨大。教學樓內的人員監控是高校樓宇管理中的一個重要環節。大多數高校在樓宇人員監控方面主要都是通過觀看監視器或人為巡查來確認樓宇中是否還有人。然而，單純依靠人為監控樓宇的狀態往往容易漏查樓宇死角，或者因人為疏忽導致誤查。這種情況下，一方面可能存在教室沒人時燈依然打開的情況，浪費電能；另一方面也可能在斷電和封樓時仍有人員還在教學樓之中，導致嚴重后果。已有研究人員通過開發樓宇自動化系統解決這一問題，但是樓宇自動化系統內部布線復雜且成本高昂。基于單一單片機技術開發教室照明節能智能控制系統，雖然在一定程度上可以實現節能，但是對教學樓內人員檢測仍會存在誤判情況，并且沒有實現聯網，不能通過手機操作，操作不夠簡便直觀。本文提出將圖像處理技術與無線傳感器網絡技術相結合，設計一種教學樓內人員檢測系統。管理人員利用該系統，可以直接通過手機APP實時掌握整個教學樓中各個教室內人員的數據，減少由監控死角或者人為疏忽等原因而導致的不良后果。

1 系統的總體設計

圖1是本系統的總體設計框圖。系統分成一個中樞節點和多個終端節點，各個節點分布在不同的樓層、教室和走廊。利用圖像處理技術來分析是否有人在目標區域，同時結合MG5818微波感應模塊，感應周圍是否有人，解決攝像頭存在盲區的問題。然后利用ZigBee模塊所組成的無線局域網絡將各個節點采集到的數據發送給中樞節點。中樞節點將數據通過ESP8266 WiFi模塊發送至云端。利用OneNet云平臺來存放數據。管理人員可以通過手機APP直接獲取當前教學樓中各個區域的人員數據。

圖1 系統的總體設計框圖

1.1 ZigBee主控模塊

本系統中主設備和從設備的主控電路ZigBee模塊由CC2530芯片、晶振電路和天線電路組成，如圖2所示。其中RF_N和RF_P外接天線電路，實現無線通信的功能。WiFi芯片通過UART串口與主設備ZigBee進行通信和傳輸數據。

圖2 ZigBee最小系統電路

1.2 攝像頭模塊

攝像頭模塊采用OpenMV，處理過的數據通過該模塊的串口3發送給ZigBee模塊，主要連接串口PB10、PB11這兩個引腳，連接ZigBee模塊要實現共地，其主控核心電路如圖3所示。

圖3 OpenMV STM32H743VIT6主控核心電路

1.3 微波感應模塊

本設計用到MG5818微波感應傳感器，其電路如圖4所示。MG5818連接到ZigBee模塊的P0_6引腳，通過I/O口電平的變化來判斷教室是否有人存在。當檢測到當前區域有人時，I/O口輸出一個高電平，反之輸出低電平。其中微波感應傳感器的檢測范圍可以通過串口進行設置。

圖4 MG5818微波感應傳感器電路

1.4 無線通信模塊

系統中的無線通信模塊采用WiFi模塊，主要由ESP8266芯片及其外圍電路組成。ESP8266芯片將系統采集的數據發送到云端。系統啟動時設備主動發起連接，連接后可以與云平臺進行數據交互。

2 系統軟件設計

系統中ZigBee協調器、路由器和手機APP的整體工作流程如圖5所示。

圖5 ZigBee組網及APP工作流程

ZigBee協調器模塊：開始先初始化，等待路由器加入網絡，接收路由器發來的數據，將數據通過串口發送到ESP8266，ESP8266再將數據通過WiFi發送到手機APP上。管理員可以在手機APP上查看當前的教室人員狀態。

ZigBee路由器模塊：先初始化，與協調器組成網絡后，攝像頭開始工作。采集圖像后對圖像進行處理，判斷圖像中是否有人。如果有人，則發送信息給協調器，否則返回到攝像頭繼續讀取圖像進行處理。MG5818微波感應同步開始工作，當感應到區域有人，則發送信息給協調器，否則繼續感應。

3 上位機的設計

上位機設計使用的是點燈科技（blinker），它支持多種連接方式、超快速接入、多硬件及低代碼開發。本系統使用ESP8266 WiFi模塊來連接點燈科技，實現在手機APP端查看教室是否有人功能。

blinker每個界面（UI）組件在設備端都可以創建一個對應的對象。本系統創建了一個按鈕組件，設置按鈕組件模式為開關模式，通過為按鈕綁定回調函數實現檢測系統的打開、關閉兩種控制。上位機的工作流程如圖6所示。ESP8266讀取ZigBee通過串口發送過來的數據，并將處理后的數據返回給APP。APP組件會根據數據結果顯示不同的顏色和文本，以區分當前教室的人員狀態。

圖6 上位機工作流程

4 系統調試

將本系統搭建在一棟教學樓內進行測試，在多間教室搭設ZigBee路由器節點，在走廊處搭設一個ZigBee協調器節點。ZigBee路由器節點作為檢測系統的前端，需要完成攝像頭和微波傳感器對當前教室人員狀態的采集，然后發送給協調器。ZigBee協調器節點作為系統的中樞，需要完成整個無線傳感器網絡的組建，同時將各個路由器發送過來的數據進行整理上傳到云端服務器，最后在APP端顯示各個教室的人員狀態。

4.1 組網測試

系統開機，對教室中ZigBee模塊路由器和教室外部協調器之間進行組網。當模塊之間組網成功，天線下方的黃色LED燈會亮，如圖7、圖8所示。

圖7 ZigBee路由器

圖8 ZigBee協調器

4.2 攝像頭工作測試

用電腦連接攝像頭測試攝像頭模塊的工作狀態，當檢測到有人時，檢測圖框左上角會顯示PERSON；反之，顯示NO PERSON，分別如圖9和圖10所示。

圖9 攝像頭檢測到有人時的狀態

圖10 攝像頭檢測到沒人時的狀態

4.3 APP端查看教室狀態測試

本實驗檢測的教室大小為15 m×10 m。檢測設備和環境如圖11、圖12所示。

圖11 檢測設備

圖12 檢測環境

當檢測到教室有人時，WiFi模塊會向手機APP發送一個信號，手機收到信號后，顯示教室狀態的組件顏色及文本會發生變化。顯示紅色代表當前教室有人，顯示綠色代表無人，結果非常直觀。圖13和圖14分別為教室無人和有人時手機APP的監控狀態。

圖13 教室無人時APP狀態

圖14 部分教室有人時APP狀態

4.4 測試結果分析

系統開機時，模塊與模塊之間自動組網，實時檢測教室是否有人存在，檢測到的數據會被實時發送到用戶手機APP，達到遠程監控的目的。經過實際測試，在教學樓內各個教室中的路由器節點均可以通過最近的路由器節點將數據轉發至協調器中，并通過協調器上傳到云端。

5 結 語

本文的教學樓人員檢測系統結合了圖像處理技術與物聯網技術，具有良好的信息接收和反應能力。利用無線傳感器成本低和能耗低的優勢，節約了內部復雜布線的成本，并能夠進行大規模組網。攝像頭和微波傳感器可以準確快速判定教學樓內是否有人，避免了因樓宇內存在監控死角或人為疏忽而導致的誤判。同時能將檢測的結果發送至云端，管理人員只要通過手機APP即可直接獲得檢測結果，有效提高了對教學樓的管理效率，適合在高校中推廣使用。