LCD智慧顯控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張 勝， 安士杰， 朱旭芳， 劉 恒

(1.海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院,湖北 武漢 430033; 2.海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033;3.安徽工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,安徽 馬鞍山 243002)

LCD智慧顯控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張 勝1， 安士杰1， 朱旭芳2， 劉 恒3

(1.海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院,湖北 武漢 430033; 2.海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033;3.安徽工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,安徽 馬鞍山 243002)

針對(duì)液晶顯示終端在實(shí)際應(yīng)用中的弊端,設(shè)計(jì)了一種LCD智慧顯控系統(tǒng)。該顯控系統(tǒng)利用紅外感應(yīng)裝置使顯示屏自動(dòng)喚醒，自動(dòng)斷電，節(jié)能省電；在OpenCV自動(dòng)識(shí)別人臉位置后,利用舵機(jī)調(diào)整顯示屏角度，達(dá)到最佳觀看效果；利用基于Project Oxford的臉部API編寫(xiě)程序，并根據(jù)采集得到的人臉圖像信息,設(shè)備自動(dòng)識(shí)別年齡、性別，從而智能選擇顯示內(nèi)容。闡述了整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及下位機(jī)、上位機(jī)的軟件流程。利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的各項(xiàng)性能的有效性與合理性。

智慧； 顯控系統(tǒng)； 紅外感應(yīng)； 人臉識(shí)別

0 引 言

顯示控制系統(tǒng)是建設(shè)智慧城市[1]不可或缺的部分，它在共享網(wǎng)絡(luò)資源、保證公共安全、加速信息傳遞等方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。在我們的生活和工作中，隨處可見(jiàn)顯控系統(tǒng)，比如廣告牌、車(chē)載顯示屏、電子閱覽器、液晶電視、24 h不間斷監(jiān)控等。但是這些顯控系統(tǒng)存在如下弊端：顯控設(shè)備功能簡(jiǎn)單、獨(dú)立存在，無(wú)法滿足智慧城市網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的需要；顯控設(shè)備24h不間斷供電浪費(fèi)大量電能；顯示設(shè)備固定，限制了其可看范圍；公共場(chǎng)合的顯示設(shè)備所顯示內(nèi)容固定不變，降低了其針對(duì)性和可觀看性。

針對(duì)目前顯示系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間播放浪費(fèi)電能,顯示系統(tǒng)視覺(jué)效果不佳,顯示內(nèi)容缺乏針對(duì)性等缺點(diǎn)，結(jié)合紅外人體識(shí)別技術(shù),OpenCV(開(kāi)源計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù))[2],Project Oxford人工智能API接口,設(shè)計(jì)出了基于紅外人體感應(yīng)和人臉識(shí)別的智慧顯控系統(tǒng)，將目前的顯示系統(tǒng)、機(jī)械設(shè)備和監(jiān)控系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，并在控制系統(tǒng)的集中控制下實(shí)現(xiàn)顯示、監(jiān)控和識(shí)別的智能化、精準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化。

1 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)具體工作流程如圖2：當(dāng)沒(méi)有行人經(jīng)過(guò)時(shí)，系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，只消耗極少量的電能。當(dāng)有行人經(jīng)過(guò)時(shí)，進(jìn)入感應(yīng)距離(本系統(tǒng)為6 m)范圍以內(nèi)，紅外人體傳感器及時(shí)感知。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)具體的硬件框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 人體感應(yīng)單元

人體感應(yīng)單元采用了紅外人體傳感器(PIR-motion-sensor)，其感應(yīng)距離為6 m，感應(yīng)角度為120°錐角。

紅外人體傳感器工作主要依托現(xiàn)今比較成熟的紅外技術(shù)，人體恒定體溫一般在37 ℃左右，會(huì)發(fā)出10 μm左右的紅外線，該紅外線通過(guò)菲尼爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通過(guò)接收人體紅外輻射的溫度變化向外釋放電荷，經(jīng)后續(xù)電路檢測(cè)處理產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)。

系統(tǒng)中的紅外人體傳感器信號(hào)經(jīng)由芯片TM2291處理，對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行比較、延遲、封鎖等操作，處理后的信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)的外部觸發(fā)端口，單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)該端口的上升沿來(lái)判斷是否有人經(jīng)過(guò)，給顯示器提供自動(dòng)喚醒信號(hào)。

2.2 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)

舵機(jī)的控制信號(hào)是周期為20 ms的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，其脈沖寬度可從0.5 ms變化至2.5 ms，線性對(duì)應(yīng)舵盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。以180°舵機(jī)為例，PWM信號(hào)與轉(zhuǎn)動(dòng)角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示[5]。

圖4 PWM信號(hào)與轉(zhuǎn)動(dòng)角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

控制舵機(jī)使顯示系統(tǒng)跟隨人體轉(zhuǎn)動(dòng)采用了PID控制算法。PID控制算法是工業(yè)上應(yīng)用廣泛的反饋控制算法，該算法可以很好地控制電機(jī)較快地達(dá)到目標(biāo)位置而不抖動(dòng)，通過(guò)計(jì)算出人體位置與目標(biāo)位置之間的距離，引入合理的比例環(huán)節(jié)參數(shù)Kp，積分環(huán)節(jié)參數(shù)Ki，微分環(huán)節(jié)參數(shù)Kd，就能獲得良好的控制效果[6]。

本單元共有兩個(gè)舵機(jī)，一個(gè)300°水平舵機(jī)和一個(gè)180°俯仰舵機(jī)，它們控制顯示屏實(shí)現(xiàn)顯示角度的自動(dòng)調(diào)整，以此來(lái)自動(dòng)對(duì)臉。舵機(jī)硬件電路如圖5所示，在舵機(jī)驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)還采用了光耦隔離芯片6N137使舵機(jī)電源與單片機(jī)信號(hào)隔離開(kāi)，采用CD10406對(duì)PWM波進(jìn)行整形。

圖5 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

2.3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)

本單元的垂直升降機(jī)主要用于演示，靠直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中直流電機(jī)正轉(zhuǎn)將顯示屏伸出，系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)直流電機(jī)反轉(zhuǎn)屏幕收回。利用兩個(gè)繼電器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，選用達(dá)林頓管ULN2003A為電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)電流[5]詳見(jiàn)圖6。

圖6 直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)與流程

本文的軟件設(shè)計(jì)包含兩個(gè)方面：下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)，下位機(jī)程序基于ICCAVR編譯環(huán)境，采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。上位機(jī)程序基于Visual Studio 2008平臺(tái)，采用微軟CLR(通用語(yǔ)言運(yùn)行時(shí)構(gòu)架)，并安裝微軟OpenCV2.3.1的頭文件和庫(kù)文件。

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與流程

下位機(jī)的主要功能是：當(dāng)感應(yīng)到人體經(jīng)過(guò)時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止，接收到上位機(jī)發(fā)送的指令后，按照PID算法控制運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，具體設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

圖7 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與流程

上位機(jī)的主要功能是，接收到攝像頭實(shí)時(shí)采集的視頻信號(hào)，通過(guò)微軟本地的開(kāi)源視覺(jué)庫(kù)(OpenCV)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的人臉位識(shí)別，將位置信息通過(guò)串口RS—232發(fā)送給單片機(jī)。同時(shí)，上位機(jī)按一定周期抽取視頻中的圖像幀信號(hào)，上傳至微軟的云端服務(wù)器，利用Project Oxford技術(shù)識(shí)別人的性別和年齡，系統(tǒng)根據(jù)這些信息智能選擇播放內(nèi)容。具體流程見(jiàn)圖8。

圖8 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

人臉識(shí)別技術(shù)的可靠與否直接影響到系統(tǒng)功能能否正確實(shí)現(xiàn)，如果將非人臉識(shí)別為人臉(誤識(shí)別)，系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)確自動(dòng)對(duì)臉；如果不能識(shí)別到人臉(漏識(shí)別)，則系統(tǒng)將無(wú)法工作。此項(xiàng)測(cè)試采用的測(cè)試方法為：1人反復(fù)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)其被系統(tǒng)捕捉到的次數(shù)，共進(jìn)行了100次測(cè)試。其中出現(xiàn)誤識(shí)別3次、漏識(shí)別1次，這說(shuō)明人臉識(shí)別的可靠性較高，能夠滿足應(yīng)用需求。

4.1 人臉識(shí)別速度測(cè)試

測(cè)試系統(tǒng)從待機(jī)轉(zhuǎn)為啟動(dòng)，并識(shí)別人臉的速度，測(cè)試方法為：讓不同數(shù)量(1～4)的行人同時(shí)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)，測(cè)試顯示屏對(duì)準(zhǔn)人臉?biāo)钑r(shí)間(不計(jì)桿升起的時(shí)間，因?yàn)椴煌瑧?yīng)用場(chǎng)合桿升起的時(shí)間不同)，具體情況見(jiàn)表1。

從表1可以看出：顯示屏自動(dòng)對(duì)臉時(shí)間較長(zhǎng)，都在1 s以上；經(jīng)過(guò)的人數(shù)越多，顯示屏自動(dòng)對(duì)臉?biāo)钑r(shí)間越長(zhǎng)；經(jīng)過(guò)的人員越分散，自動(dòng)對(duì)臉?biāo)钑r(shí)間越長(zhǎng)。

表1 人臉識(shí)別速度測(cè)試表

4.2 人臉跟蹤速度測(cè)試

測(cè)試采取人臉往上下、前后、左右移動(dòng)約25 cm的方式進(jìn)行，測(cè)試對(duì)臉?lè)磻?yīng)速度，統(tǒng)計(jì)顯示屏重新對(duì)準(zhǔn)人臉的時(shí)間，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 人臉跟蹤速度測(cè)試表

從表2可以看出，顯示屏重新對(duì)準(zhǔn)人臉的時(shí)間略有不同，往左、往右時(shí)間稍微長(zhǎng)一點(diǎn)，往上、往下次之，往前、往后最小。

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了LCD智慧顯控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能自動(dòng)喚醒，自動(dòng)斷電，節(jié)能省電；自動(dòng)調(diào)整顯示屏角度，達(dá)到最佳觀看效果；自動(dòng)識(shí)別年齡、性別，智能選擇顯示內(nèi)容。綜合以上測(cè)試結(jié)果，系統(tǒng)人臉識(shí)別可靠性較高，人臉識(shí)別速度較快，人臉跟蹤效果好。

[1] 巫細(xì)波,楊再高.智慧城市理念與未來(lái)城市發(fā)展[J].城市發(fā)展研究，2010，17(11)：56-60.

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[3] 馬新明，趙曉莉，時(shí) 雷，等.基于OpenCV的圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，48(1)：87-90.

[4] 張 瑩，李勇平，敖新宇.基于OpenCV的通用人臉檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2011, 33(1)：97-101.

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[6] 張 靜,李茂軍,袁卓異,等.變頻恒壓供水系統(tǒng)模糊PID混合控制策略研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，20013，32(5)：68-77.

Design of LCD wisdom display and control system*

ZHANG Sheng1, AN Shi-jie1, ZHU Xu-fang2, LIU Heng3

(1.College of Power Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China;2.College of Electronic Engineerting,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China;3.College of Computer Science and Technology,Anhui University of Technology,Maanshan 243002,China)

To solve disadvantages in application of LCD display screen，design a LCD wisdom display and control system.The display and control system uses infrared induction device to make display automatic wake-up,automatic power-off,energy saving;after OpenCV recognizes face location automaticly,adjust the angle of the display to achieve the optimal viewing effect by using steering gear.Use face API based on Oxford Project to write program,and the deveice can recognizes the age，gender automaticly according to the collected face image information,and thus the deveice can select display content intelligently.The hardware structure of the whole system and the software flow of the lower computer and upper computer are described.The validity and rationality of the performance of the system are verified by experiments.

wisdom； display and control system； infrared induction； face recognition

10.13873/J.1000—9787(2017)04—0104—03

2016—04—21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61105020)

TN 402

A

1000—9787(2017)04—0104—03

張 勝(1990-)，男，碩士，主要研究方向?yàn)榕灤瑒?dòng)力及熱力系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、控制與故障診斷。