摘 要：针对高校自习室中广泛存在的灯常亮、风扇常开等不环保现象，采用基于ZigBee的物联网技术进行数据收集与无线传输，结合视频检测与图像处理技术设计实现智能控制系统，以达到充分利用教学资源、节能环保、创造舒适学习环境的目的。系统具有可靠性好、精度高、速度快的优点，有一定推广价值。
关键词：物联网;传感器;视频检测;分区照明
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）01-00-03
0 引 言
随着能源的日益紧张，节能工作已在全国各地蓬勃发展起来。相对于商业楼宇，校园里的照明灯具相对较多，据测算，其照明耗电占到学校所有耗电的30～60%。在高校中，学生经常需要在课余时间使用自习室，虽然有些学校会在教学楼的大厅显示出空闲的教室，但哪些教室有空余座位就需要学生一层一层的跑，极其不方便。而学校为了满足学生的学习需求会开放大量的自习室供学生使用，因此存在着不管有没有人却灯常亮、风扇常开等不环保的现象，带来电力的浪费。一个教室的浪费看似很少，但如果扩大到全国的所有学校，浪费将十分惊人。针对以上情况，本文基于视频检测技术实现自习室的节能，既充分利用了教学资源，降低学校运行费用，又节能环保，提高学校的科学管理水准，为学生创造了舒适的学习环境。本项目研究成果在餐厅、医院、图书馆等很多公共场所也具有应用的潜力，具有一定经济和社会效益。
1 系统设计
本项目基于视频检测技术进行自习室中人数采集，利用物联网为核心的控制技术进行设计，主要解决以下问题：提供教室空余座位信息，让学生快捷省力地寻找到合适的自习室，避免跑上跑下;避免自习室灯常亮、风扇常开的的用电浪费不环保现象，自习室无人时关闭所有电源;智能调节自习室的温度，当温度高于某一温度时风扇或空调的电源才供电;提供教室分区照明，在教室人少时进一步节电。
智能自习室控制系统主要实现以下功能：自习室出入人数记录教室人数的屏幕显示;自习室分区照明控制;教室环境数据采集与控制;采集数据的无线传输。
智能自习室控制系统组成主要分为数据采集、传输与控制、输出与显示三大部分，如图1所示。
图1 系统组成框图
（1）数据采集部分
系统需要采集的数据包括：红外传感器采集进出自习室的人数。温湿度和光照传感器采集到的教室环境参数，包括温度、湿度、光强。摄像头采集教室的实时图像，传送到PC机进行后续处理。
（2）传输与控制部分
系统通过物联网协调器进行总控制，传感器模块采集到的数据经ZigBee无线传输到达协调器。若教室中无人，则照明、风扇等电源全部关闭;若有人，需先判断是否光强达不到要求，如果需要开灯则通过图像对比分析出人所在的区域，开启该区域的照明，若温度达到设定值，则风扇自动开启。红外传感器采集的数据在单片机中进行处理，统计出自习室的人数，与教室能容纳的总人数相减，则能计算出自习室的空余座位数。
（3）输出与显示部分
在单片机控制下完成在LCD屏幕上显示当前自习室的人数。图像处理及对比的结果在PC机Matlab环境下显示相应图片。
2 系统实现
智能自习室系统利用了单片机、物联网和数字图像技术来实现所设计的系统功能。以下主要从自习室进出人数记录、自习室分区照明控制、自习室温湿度控制三个部分来介绍实现的原理。
2.1 自习室进出人数统计
（1）方案选择
对自习室中人数的检测已有很多方法。方法一通常在学校的图书馆和阅览室中广泛使用，即在门口安装一台刷卡机，每个同学进出时需刷卡通过。这种方法不仅可以统计出每个教室的人数，而且能统计出学生上自习的次数，但刷卡机安装投资较高，也不方便学生进出教室。另一种方法在某些智能教室的方案中有提及，即在自习室中的每个座位底下安装一个压力传感器，当有人坐下时，传感器感知信息并传递给相关处理器进行记录和统计。相比前一种，此方法复杂性增加，成本投资高，传感器很容易被损坏，不易维护。第三种方法是同时在教室门的里外各放置一个热释电红外传感器，教室门外的标记为1，教室门里的标记为2。当有人进入时顺序为（1，2），离开时为（2，1），进入则计数加1，离开减1，从而统计出教室内的人数。通过分析，最后一种方法结构简单，成本低，只要限制在门口学生只能单排通过就不会有漏计。因此本系统中采用红外传感器进行检测，实现自习室进出人数的统计。
（2）硬件实现
自习室人数统计部分由红外传感器检测模块、单片机、LCD显示模块、电源四部分组成。当红外传感器检测部分检测到有物体经过时，红外接收电路的串联电阻会分压减小，使电压比较器的正向输入端小于负向输入端的电压，电压比较器输出一个低电平信号，该信号将供单片机进行计数控制。人数计数结果在LCD显示模块中显示出来。
（3）软件设计
本设计中，自习室人数的统计采用外部中断方式计数。当有单片机中断引脚接收到一低电平时，单片机就自动进入中断服务程序，处理外部的中断问题。计数部分考虑到三种可能出现的情况：1）无人通过。两个传感器发给单片机的信号维持高电平，不产生中断信号，单片机计数不变。2）有人正常进出教室。进入时会按顺序触发二个传感器。3）有人非正常进出教室。即触发某一个传感器后离开或长时间未触发第二个传感器，这种情况要求需要设定通过门口的时间。处理流程如图2所示。 设门外的传感器对应单片机的外部中断引脚INT0，门内的传感器对应外部中断引脚INT1，单片机每隔8 ms左右会采集一次INT0和INT1引脚。设通过时间为255次扫描的总时间。首先根据收到的中断INT0和INT1信号进行判断，若检测到有INT0信号，就马上关闭INT0的中断，立即开始检测INT1，在通过时间内若检测到INT1信号则人数加1，若未检测到就重新检测INT0和INT1信号。同理，若先检测到INT1有信号，马上关闭INT1的中断，立即开始检测INT0，在通过时间内若检测到了INT0信号则人数减1，若未检测到则重新检测INT0和INT1信号。
图2 脉冲计数中断流程图
2.2 自习室温度控制
（1）方案选择
温湿度的检测与控制是工业生产过程中比较典型的应用之一，已逐渐应用到我们生活的方方面面，技术非常成熟。传统的温度检测大多采用热敏电阻，可靠性较差，对温度的测量准确率低，电路复杂。目前多采用单片机来控制数字化温度传感器，测量精度高、抗干扰能力强。
（2）硬件部分
本项目中温湿度以及光照传感器采用的是物联网系统中的采集模块，只需进行软件编程控制即可。技术指标：
温度传感器：范围-20 ℃～+130 ℃;分度：0.1 ℃。
湿度传感器：范围0～100%，分度0.1%。
光照度传感器：范围0～10 000 lx，分度1 lx。
（2）软件设计
温湿度控制的软件设计主要包含温湿度传感器数据采集与显示，对继电器模块的控制等，部分流程图如图3所示：当检测到温度大于等于事先设定的温度阈值时，开启协调器上的控制风扇或空调的继电器，启动风扇或空调;当温度小于该设定温度时，返回继续读取温湿度数据，若原风扇处于开启状态则关闭继电器。
2.3 自习室分区照明控制
（1）方案选择
灯光的分区照明最常用的方式是采用遥控控制，没有实现自动化。近年有采用热释红外传感器进行分区照明的应用，即用红外传感器检测是否有人体存在。结合当前采集到的教室光强信号进行智能判断，完成对教室分区照明的智能控制。这种方法由于热释红外传感器探测范围有限，且对运动物体敏感，若学生进入教室后不动则探测不到人体，容易误关灯，带来不便。考虑到目前学校里几乎每个教室都有视频监控，如果将自习室门口的人数计数与教室内摄像头捕捉到的人员信息进行综合考虑的话，则可以大大提高可靠性。
（2）软件设计
图像处理法：
设置每个自习室有一个USB摄像头，每个自习室分为两个照明区域。每隔一段时间系统自动对自习室进行图像采集，并与自习室没人时拍摄的图像进行对比，判断区域内是否有人，从而控制该区域的照明。流程图如图4所示。
视频检测法：
图像处理法只简单地使用了自习室背景模板和自习室当前取样图像进行对比，得到该区域是否有人的结论，而没有考虑到教室里一天到晚、一年四季光线的强弱变化是不同的，会对图像对比结果造成影响，可能会引起判断失误。采用视频检测技术，利用教室中已安装的摄像头进行多帧图像处理，用前n帧重构背景图像，后面的帧进行人员识别，从而计算出自习室中的人数。
图3温、湿度控制流程 图4自习室分区照明流程
3 结果验证
（1）自习室进出人数记录功能
调整好模拟自习室内红外传感器位置，打开电源。屏幕显示进行初始化，初值界面设定初值为“00000”。 用测试物体依次经过红外传感器1，红外传感器2。每进行一次操作观察一次屏幕显示的结果。用测试物体依次经过红外传感器2，红外传感器1，每进行一次操作观察一次屏幕显示的结果。
（2）自习室分区照明控制功能
图像处理法：将测试物体置于自习室内所分配的两个区域内，观察日光灯的亮灭情况及电脑屏幕界面所显示的图像对比情况。如图5共分为4种情况，每种情况中左图是教室情况，右图是对应USB摄像头采集图像的处理结果。
（a）左右均无人，灯全关闭 （b）左右都有人，灯都开启
（c）左侧有人，左灯亮 （d）右侧有人，右灯亮
图5 自习室分区照明情况
视频检测法：根据教室中安置的摄像头进行视频检测，重构背景图像，进行人数统计，如图6。其中（a）为视频输入，要求摄像机不动;（b）为从视频中重建的背景图;（c）为检测图，通过当前帧与背景帧的对比，找到有变化的部分二值表示，并利用腐蚀技术统计人员个数，在人员外围画框;（d）人员跟踪图，根据检测到的情况在当前视频帧相应位置上画框。
（a） （b）
（c） （d） 图6 视频检测法得到自习室人数
（3）自习室温湿度控制功能
控制系统平台设定启动电扇/空调的温度测试点，如26.5 ℃。将热源靠近温度传感器，逐渐增温，使其到达设定的温度，风扇启动。随着热源的远离，温度下降，当低于设定温度时，继电器关闭，可以观察到风扇停止转动。
风扇转动的前提条件为自习室中的温度达到了设定的目标温度，并且自习室中有人。当自习室内温度未达到设定的目标温度时或自习室中无人时，风扇不转动，起到了节能的效果，避免了用电浪费。
（4）利用网页进行实时人数显示
为了方便学生查找自习室现有人数，可以将各个自习室的数据统一传到教学楼一楼的一块大屏幕上，方便学生进行选择。也可以通过智能手机APP进行查询，学生可以按教室查人数、按人数多少推荐教室等很多方式，以最快捷的方式查找到理想的自习教室。
4 结 语
本项目基于物联网为核心的控制技术，利用各种传感器进行温、湿度，光照强度等数据采集，综合运用数字图像处理和视频检测等技术实现了自习室控制系统的智能化。创新点和优势在于：（1）本项目基于物联网为核心的控制技术进行设计，为物联网在智能校园找到新的应用，解决了学生在自习室中遇到的一些问题。（2）物联网技术具有先进性，是未来的发展方向，相应的传感模块可以和其他的应用很好结合，将发挥更大的效用。（3）通过视频检测技术等方式提供自习教室准确的实时人数信息，避免使用红外传感器方式时多人同时离开教室造成误判现象的发生，影响对照明及控温的管理的有效性。（4）基于图像处理技术提供自习教室分区照明，可以充分利用学校已有的资源，创造了更加优越的学习环境，具有一定应用和推广价值。
系统实现了设计要求的智能化控制功能，进一步可在以下几方面进一步改进：（1）通过电子标签的方法优化自习室出入人数记录，获取每位进出学生的信息，建立数据库，可供查询。（2）通过数学建模，在保证学生舒适度的情况下减少自习室的开放，进一步节电。（3）改进背景建模的分割方法，以适应教室中光照缓慢变化和摇摆树叶等缓慢变化的背景图像;对于光照突变的帧图像，可以进行二次分割，提高分割方法的鲁棒性和分割精度。
参考文献
[1]李震，李骈臻，邹绍源，等. 基于机器视觉技术的教室照明节能控制[J].计算机工程与技术，2012，33（4）：1648-1652.
[2]赵志敏，张柳芳.教室照明区域化智能控制器的设计[J].低压电器，2008（12）：39-41.
[3]熊伟，许广宾，王岭娥，等. 教室照明区域化智能控制系统软件设计[J]. 山西建筑， 2008，34（5）： 367-368.
[4]王建鹏，张聪.基于单片机的教室人数统计系统设计[J].民营科技，2011（11）：331.
[5]黄向东.基于LABVIEW 的图书馆自习室智能化管理[J]. 内蒙古科技与经济，2011（4）：66-67.
