基于圖像識別的教室照明節能控制系統

婁德燕 尹愛兵 金若愚

摘 要

針對高校教室照明用電浪費問題，在分析教室照明節能現狀的基礎上，提出一種基于圖像識別教室人員信息與光照自動感應相結合的照明節能控制系統，利用攝像頭采集教室圖像，運用HOG+SVM的人頭識別算法與背景差進行人數識別，再結合教室光照感應系統，實現照明的節能控制，做到人在燈亮，人走燈滅。

關鍵詞

圖像識別;照明;控制系統

中圖分類號： TP391.41;TU113.66? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.052

目前高校教學樓主要依賴人工管理，經常存在“長明燈”現象，教室的電能資源浪費嚴重。為節能減排，低碳環保，高校也開展了豐富多彩的主題教育活動，但仍沒有從根本上解決能源浪費問題。隨著教育信息化技術的發展，數字化校園的建設，利用機器視覺技術識別教室人員信息，再利用光照傳感器獲取教室環境參數，最后由嵌入式設備融合處理，能實現對不同場景的燈光進行自動切換，實現照明節能控制。

1 系統總體設計方案

目前高校教室主要依賴人工管理，由于教室多，個別學生自覺性與自我管理較差，教室照明經常存在以下現象：

（1）正常開燈后，人走忘記關燈，導致燈常亮;

（2）教室光線較差時開燈，光線正常時沒有主動關燈;

（3）教室人員分布不均，統一開燈，無人區域燈亮。

這些可以關燈的情景沒有關燈，導致能源浪費。為實現以上場景自動關燈，本文提出一種基于圖像識別與光線自動感應的智能照明管理系統，既可以通過教室控制面板人工控制燈的亮滅，也可以通過機器視覺的人數識別與光照感應，根據光照強度與人員位置信息開關燈光的智能控制方案，實現了人走燈滅，減少了能源浪費，實現了節能控制，實現方案如圖1所示。系統主要由攝像采集、圖像識別、光照感知、控制處理、照明開關等5個部分組成。

為方便教室人工控制照明，在教室墻壁上懸掛觸摸式控制面板，照明控制器根據控制面板的輸入指令控制每一個燈光的亮滅。智能控制，由安裝在教室中央的攝像頭對教室人員進行監控，通過圖像識別檢測出教室人員信息，確定某一燈光照明范圍內人員信息及控制指令送入控制處理單元;為了解教室光照環境參數，選取教室某些位置安裝光照傳感器，采集不同位置光照強度。照明控制器根據系統設置的教室管理信息，結合教室人數、光照信息對燈光進行自動開關，能自動實現無人和光照正常情況下燈光關閉，實現了節能控制。

2 硬件設計

2.1 教室監控系統

教室人員信息識別主要借助教室監控平臺完成，目前教學監控主要由教室攝像機、拾音器、主控單元、光纖通信網絡等組成。目前我院教室都安裝了監控攝像頭，攝像機采用云臺網絡球機，型號為DS-2DMI-504- IS，控制主機通過網絡控制攝像頭監控范圍。主控制室安裝數字硬盤錄像機DS-8632-NST，具有錄像、抓圖、回放、備份等多種功能。人員識別處理在教室監控系統上實現，為減少監控處理壓力，可適當增加一臺服務器，在服務器上完成圖像處理工作，識別出教室人員信息。

2.2 照明控制器

照明控制器是教室照明控制的節點，需要完成教室人工開關燈操作、控制照明傳感器采集教室照明信息、接收監控中心的控制指令、驅動每個燈的開關操作等任務。人工操作，選用觸摸屏控制照明，更加方便快捷。由于電容屏更容易通過手動觸控，因此選用群創7寸彩色電容觸摸屏TFT LCD AT070TN92，其分辨率800480，能實現觸控與顯示操作。教室各個位置照明強度不同，為調節照明，讓整個教室都能滿足正常光線需要，選用BH1750FVI采集指定區域光照強度。BH1750FVI是一種兩線串行總線接口的數字型光強度傳感器，能探測較大范圍內的光強度變化（1lx-65535lx），光源依賴性弱，支持I2C總線接口，用于檢測教室光照環境。與監控中心的網絡通信，如果選用有線布線，教室改造成本大，可以采用無線局域網方案，借助校園網WiFi網絡進行信息傳遞，采用ESP8266模塊實現。教室燈光通過繼電器控制電源的開關，實現照明控制。根據系統要求，嵌入式處理芯片選用ARM公司的STM32F429芯片。STM32F429是一種基于ARM Cortex-M4 32bit的微控制器，高達20路通信接口（I2C、SPI、UART、USB、CAN、SDIO等），還有一個專用TFT LCD接口，最主頻為180MHz，液晶觸摸屏顯示控制與ST M32F429的LCD-TFT顯示控制器相連，光強度傳感器通過I2C接口連接，WiFi通過串口實現信息互通，繼電器通過GPIO驅動，滿足系統設計要求。系統所需電源通過220V市電進行交直流變換得到24V直流電壓，再利用LM2574、TPS61040等芯片進行DC/DC轉換為AT070TN92、STM32F429、ESP8266等所需的直流電源。

3 系統軟件設計

3.1 基于圖像識別的人數統計算法

教室監控系統采集到教室人員視頻信息，要識別出某一區域內具體人數，首先需要判斷是否有人。對于運動目標的視頻識別，可以采用幀差法、背景建模法等方法。由于教室場景相對固定，人員行動比較緩慢，因此，采用背景差分法，在教室無人時進行圖像采集，以此為背景幀，在人員識別時圖像進行差分，對差分圖像進行人員識別。為準確控制教室每隔燈光，對教室安裝燈光覆蓋范圍進行區域分割，畫出每個燈光照明范圍，對該區域人數運用HOG+SVM進行人頭識別，統計出該區域人數。HOG（方向梯度直方圖）是當前計算機視覺、模式識別領域很常用的一種描述圖像局部紋理的特征，教室由于桌椅遮擋，人員行動緩慢，因此采用人頭進行局部紋理特征分析，提取出人頭特征參數，然后采用SVM（支持向量機）進行分類。由于目前沒有專門的人頭分類器數據庫，需要自己采集人頭正樣本，再采集沒有人頭的負樣本，通過HOG+SVM進行訓練，獲取人頭分類數據庫。在人頭識別時，利用該數據庫預測指定區域的人數，從而統計人員信息。

3.2 燈光控制軟件程序

圖2給出了照明控制軟件實現程序，系統啟動后對繼電器、觸摸屏、WiFi模塊進行初始化設置，正常模式進入自動模式。人工操作可在觸摸屏上切換成人工模式，此時處理器采集觸摸屏指令，根據操作要求完成照明控制切換。當進入自動模式時，首先等待監控室控制指令，當接收到無線WiFi傳遞的控制指令與教室人員信息后，判斷某一燈光照明區域是否有人，當無人時不需任何操作。當檢測到該區域有人時，再啟動光照采集傳感器采集照明強度，當光照較低，需要開啟燈光時驅動照明繼電器開啟對應燈光，否則，保持不動。在運行過程中，人員檢測每隔2秒掃描一次，有人立即切換開啟燈光。但當人離開時，每隔1分鐘左右才關閉燈光，否則人員來回頻繁轉換會損害燈管，系統也可以設置定時進行關燈操作。

4 結束語

通過對教室照明控制需求分析，介紹了一種基于圖像識別教室人員信息與光照自動感應相結合的智能燈光控制系統，對系統軟硬件進行設計，可實現燈光無人自動開關，實現了節能控制。

參考文獻

[1]吳忠偉.基于物聯網的教室燈光節能控制系統[J].電子技術與軟件工程，2019（07）：128-129.

[2]王嘉儀，胡凡，趙永安，梁計鋒，江帥，劉昊達，董克毫.教室燈光自動控制系統設計[J].電子測試，2019（12）：25-26.