基于樹莓派的人體紅外感應開燈研究

王潔松

(江蘇航運職業技術學院，江蘇 南通 226010)

0 引言

在網絡時代下物聯網技術誕生，現已逐漸滲透到學校領域，為創客教育的開展提供更加有力的技術支持。以樹莓派為代表，以此為基礎進行人體紅外感應系統開發與設計，可更好地將技術應用于實踐，使系統開發難度降低，并在智能家居等多個領域中得到廣泛應用。

1 樹莓派概念與特點

1.1 概念

樹莓派即微型電腦，主要用于計算機編程教育之中。該電腦體積較小，與信用卡類似，在Linux基礎上設計而成，在Windows10發布后可在Windows中運行樹莓派。該設備雖然體積較小，但內在卻十分龐大，具有視頻、音頻等多種功能，受到許多創客與計算機愛好者的認可和青睞。樹莓派電腦 B型Rev1如圖1所示。

圖1 樹莓派電腦 B型Rev1

1.2 性能指標

隨著信息技術更新換代，新硬件加快了發展步伐。樹莓派、Arduino等設備逐漸應用到院校創客教育之中，使底層硬件得以封閉，降低對物聯網的開發難度。從硬件配置角度來看，與Arduino相比樹莓派更具優勢。樹莓派作為微型電腦，其性能指標為：三代B型內存為1 GB，帶有1.2 GHz四核處理器，GPU為VideoCore IV處理器，具有存儲卡拓展槽，可依靠藍牙、網線與WiFi等進行通信。該設備由英國組織開發而成，以miecroSD卡為硬盤，Python為編程語言，操作系統功能較為健全，不但具有主控制器的功能，可與傳感器直接相連，實現物聯網控制；還可借助網線、鍵盤與顯示器等實現常規電腦的功能[1]。

2 樹莓派基礎下人體紅外感應系統構建與實現

在樹莓派基礎上研究人體紅外感應開燈，為物聯網應用創造更加良好的實踐案例，主要包括系統安裝、硬件配置與軟件實現等方面，具體內容如下。

2.1 系統安裝

樹莓派的功能在于學習計算機編程，其外表尺寸與信用卡相似，帶有完善的傳輸接口，可與多種類型傳感器相互連接，如光感應、LED、溫濕度與人體紅外等等。在實際操作中，只需輸入簡單的代碼便可對相關設備進行控制。對此，在本文研究中以樹莓派為主控器。該設備自身不具備操作系統，需要增加SD卡。在插入后便可正式進行系統安裝，主要流程如下。

步驟一：登錄官方網站，下載NOOBS，由其提供簡易可用的界面進行系統安裝；

步驟二：將剛剛下載的NOOBS文件進行解壓，存儲到SD卡中；

步驟三：將SD卡從電腦上彈出，安裝到樹莓派上；

步驟四：將樹莓派接通電源，根據與其相連的屏幕逐一設置選項，最后便可正式完成系統安裝。

2.2 硬件設置

人體紅外傳感器是在紅外線技術基礎上的自控模塊，具有較強的可靠性、靈敏性特點，適用于非接觸開關、防盜報警等方面。在本次研究中，通過調整傳感器中的距離與延時電位器，可對其感應距離與延時進行設置。利用杜邦線將傳感器的正極與樹莓派的5 V相連，將負極與Ground引腳相連，將輸出與BCM4相連。在接線完畢后，傳感器可調整到工作狀態，一旦有物體接近便會反饋電信號，BCM4引腳進行接收。各項設備的連接線路如圖2所示[2]。

圖2 設備線路連接

2.3 軟件設置

2.3.1 編程語言

樹莓派以Pythin為編程語言，相對簡單，學習難度較低，且功能較為強大，屬于高級程序語言。在Sublime Text環境下，更有助于對該編程語言和程序的開發與應用。對于Python文件來說，可縮寫為.py，其帶有一定的限制，即利用4個空格縮進方式編寫成塊代碼。在Python版本下，程序運行的方式為：首先啟動cmd進入命令行模式，然后輸入指令“Python3[filename].py”便可以執行相應的程序，最后對執行結果進行顯示。

2.3.2 代碼設置

在Python版本下對該系統中的硬件進行操控。技術原理為：一旦檢測到BCM4引腳有所輸入時，訪問連接在LED燈上的引腳便會接通，根據True的數值判斷結果實現開燈操作，反之則利用Flase取值實現關燈操作。

(1)Python對樹莓派的接口類庫進行控制，一般在微型電腦中已經預裝完畢，還需要將import導入其中。

(2)對各項指標進行初始化設置；一旦有人接近感應設備時，LED燈便會處于開啟狀態，待人走后便會自動關閉。

(3)設置相應的代碼：setmode(mode)代表的是命名方式。其中，mode共有兩個數值，BCM是指程序可以根據GPIO號尋找相應的針；BOARD則是根據物理位置針腳號探尋GPIO針。Mode參數將對后續output函數中的參數取值產生較大影響；.setup代表的是傳輸，可將標號為channel的針設置成state的模式。Channel便是利用針對相應指令進行傳輸。

(4)明確程序部署流程。首先，將顯示器與鍵盤等硬件與樹莓派相連，開啟樹莓派；其次，啟動文本編輯器，將以上代碼輸入其中，并將存儲文件命名為LED.py文件；輸入指令開始執行LED.py程序；最后，要想達到LED燈開燈閃爍效果，可通過增加代碼的方式拓展實驗，可將時間模塊引入其中，對閃爍時間進行控制，利用秒數函數設置燈光開啟與休眠的時間，且是以秒為單位，支持小數如0.5 s休眠時間，即燈光的休眠時間為500 μs。

2.4 系統實現

在采集模塊實現方面，可通過紅外傳感器檢驗是否有人經過。當其人體發出波長為10 μm的紅外線，且被傳感器感應到時，輸出口可保持高電平。待延時結束后，可重復觸發。如若再次感應到紅外線，則仍然保持高電平，在延時完畢后傳輸口改為低電平。在本文研究的系統中，為了確保信息采集的合理性，當探測器感應到人時，便可開啟LED燈，這樣便可減少無效信息的采集，節約存儲空間。

在分析模塊實現方面，該模塊的功能在于檢驗人員與傳感器之間的距離。在該設計中采用特征算法，在PCA基礎上對主成分進行分析，即在高維空間中映射到低維空間，將數據中的關鍵內容提取出來。該算法的應用流程為：首先，對訓練數據進行讀取，對平均距離進行計算；其次，對協方差矩陣與特征矢量進行計算；最后，將待識別圖像投入特征空間，如若距離相對較小則閾值識別成功。在該模塊中，先對人員圖像進行訓練后構建驗證模型，在采集模塊中獲取相應的數據信息，通過特征算法檢驗人員與傳感器間的距離是否與事先設定相符，如若相符則LED燈亮起，如若不相符則不會亮，以此達到節能環保的效果。

在控制模塊實現方面，本系統主要采用的是樹莓派3B，以SD卡為內存，帶有音視頻插孔、藍牙模塊與10/100以太網接口，可提供充足的接口，雖然體積較小但功能豐富，適用于系統平臺的開發與LED燈的開關與閃爍。在系統測試中，在對相關指標進行設置后，對人員與感應設備間的距離進行訓練。通過模擬人們在燈前經過，判斷LED燈是否能夠準時亮起。測試結果表明，紅外探測模塊具有較強的準確性，能夠實現對LED等的開關控制[3]。

3 結語

綜上所述，在本文研究的系統中，采用簡易方式將樹莓派與傳感器接通，再在Python編程語言的支持性便對傳感器數據進行檢測，由此實現對燈光的開關控制。通過本文研究可知，紅外探測模塊具有較強的準確性，能夠實現對LED等的開關控制。在信息技術教育中，將樹莓派與Python結合起來，更易在計算機技術教育中推廣應用。