基于Raspberry Pi的智能教室系統

張力文++薛仕高　張雅晴　李俊青

摘 要：本系統以樹莓派為核心控制器，配置攝像頭、紅外對射傳感器、溫濕度傳感器等設備，采用單片機和繼電器作為智能節點開關，運用圖像處理等技術，實現了在web端對教室用電設備的遠程管理和智能控制，并對教室的上座率進行統計。起到了節約能源、減輕管理人員工作量、提高學生查找自習室效率的作用。

關鍵詞：樹莓派；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，高等教育越來越受重視，各大高校頻頻擴建教學樓，教室的用電負荷也不斷增加。而目前教室用電設備的管理主要依靠樓層的管理人員，實時性差，容易造成資源浪費。另外，多數高校沒有對學生提供空閑自習室的信息查詢服務。針對上述情況，本文設計了基于樹莓派的智能教室系統。

樹莓派由注冊于英國的慈善組織“Raspberry Pi 基金會”開發，是一款基于 ARM 的微型電腦主板，它基于 Linux 的操作系統、提供 Python 語言開發環境，同時也支持 C、Java 等編程語言。它提供40個GPIO接口供用戶搭建外圍電路，還提供了以太網接口、USB接口，HDMI視頻輸出接口等。樹莓派不僅具備了PC的基本功能，并且接口豐富，價格低廉，為我們提供了一個理想的嵌入式開發平臺[1]。

2 總體設計

本系統以樹莓派作為控制器，并配置紅外傳感器、溫濕度傳感器、usb攝像頭等設備。樹莓派通過485總線與單片機進行通訊，通過TCP/IP協議，與上位機建立聯系。并采用單片機和繼電器結合的方式作為智能開關。[2]樹莓派通過攝像頭定時抓拍照片并應用圖像處理技術，分辨人所在的方位，從而達到有人的時候才開始工作的節能這一目標[3]。

3 模塊設計

3.1 智能光控模塊

當教室有課時，系統根據數據庫里的課程表來控制教室燈光的開啟與關閉；當教室沒課時，學生進入教室，安裝在進門處的紅外線傳感器感應，教室燈光全部開啟，通過程序設定使攝像頭定時拍照，并對圖像進行二值化處理、高斯濾波等操作，提取人的頭部輪廓。再將教室座位進行區域劃分，調用opencv的邊緣檢測函數來確定人在教室中所處的位置。如果對應的位置有人，燈光處于開啟狀態，反之，燈光則處于關閉狀態。

3.2 智能溫控模塊

空調控制模塊主要由空調控制器、溫濕度傳感器構成。通過溫濕度傳感器實時監測室內的溫度并分析數據，與預設值相比較，當室內溫度高于最高門限值時，自動開啟空調。低于最低門限值時自動關閉空調。從而實現根據溫度變化實時控制空調運行溫度。

3.3 上座率查詢模塊

根據上述圖像處理技術計算出上座率信息，用戶可以在移動終端查詢信息，提高了學生查找自習室的效率，也提升了教室的利用率。

4 總結

本系統采用模塊化的設計思想，通過搭建教室的網絡來采集環境中的溫濕度、圖像等信息，來實現對教室環境的實時監測，并通過web端進行訪問，實現了遠程監控的功能。本系統不僅可以節約能源，又提高了管理人員的工作效率和學生查找空閑自習室的效率。大大提升了現代化教室的智能性和便利性。

“北京市大學生科學研究與創業行動計劃”（項目編號：S201610022068）

參考文獻：

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

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

[3]劉繼元.基于樹莓派的物聯網應用[J].電子世界，2016（08）：24-25.