基于Raspberry Pi的智能教室系统

张力文++薛仕高　张雅晴　李俊青

摘 要：本系统以树莓派为核心控制器，配置摄像头、红外对射传感器、温湿度传感器等设备，采用单片机和继电器作为智能节点开关，运用图像处理等技术，实现了在web端对教室用电设备的远程管理和智能控制，并对教室的上座率进行统计。起到了节约能源、减轻管理人员工作量、提高学生查找自习室效率的作用。

关键词：树莓派；智能控制；图像处理；上座率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.126

1 引言

新年来，高等教育越来越受重视，各大高校频频扩建教学楼，教室的用电负荷也不断增加。而目前教室用电设备的管理主要依靠楼层的管理人员，实时性差，容易造成资源浪费。另外，多数高校没有对学生提供空闲自习室的信息查询服务。针对上述情况，本文设计了基于树莓派的智能教室系统。

树莓派由注册于英国的慈善组织“Raspberry Pi 基金会”开发，是一款基于 ARM 的微型电脑主板，它基于 Linux 的操作系统、提供 Python 语言开发环境，同时也支持 C、Java 等编程语言。它提供40个GPIO接口供用户搭建外围电路，还提供了以太网接口、USB接口，HDMI视频输出接口等。树莓派不仅具备了PC的基本功能，并且接口丰富，价格低廉，为我们提供了一个理想的嵌入式开发平台[1]。

2 总体设计

本系统以树莓派作为控制器，并配置红外传感器、温湿度传感器、usb摄像头等设备。树莓派通过485总线与单片机进行通讯，通过TCP/IP协议，与上位机建立联系。并采用单片机和继电器结合的方式作为智能开关。[2]树莓派通过摄像头定时抓拍照片并应用图像处理技术，分辨人所在的方位，从而达到有人的时候才开始工作的节能这一目标[3]。

3 模块设计

3.1 智能光控模块

当教室有课时，系统根据数据库里的课程表来控制教室灯光的开启与关闭；当教室没课时，学生进入教室，安装在进门处的红外线传感器感应，教室灯光全部开启，通过程序设定使摄像头定时拍照，并对图像进行二值化处理、高斯滤波等操作，提取人的头部轮廓。再将教室座位进行区域划分，调用opencv的边缘检测函数来确定人在教室中所处的位置。如果对应的位置有人，灯光处于开启状态，反之，燈光则处于关闭状态。

3.2 智能温控模块

空调控制模块主要由空调控制器、温湿度传感器构成。通过温湿度传感器实时监测室内的温度并分析数据，与预设值相比较，当室内温度高于最高门限值时，自动开启空调。低于最低门限值时自动关闭空调。从而实现根据温度变化实时控制空调运行温度。

3.3 上座率查询模块

根据上述图像处理技术计算出上座率信息，用户可以在移动终端查询信息，提高了学生查找自习室的效率，也提升了教室的利用率。

4 总结

本系统采用模块化的设计思想，通过搭建教室的网络来采集环境中的温湿度、图像等信息，来实现对教室环境的实时监测，并通过web端进行访问，实现了远程监控的功能。本系统不仅可以节约能源，又提高了管理人员的工作效率和学生查找空闲自习室的效率。大大提升了现代化教室的智能性和便利性。

“北京市大学生科学研究与创业行动计划”（项目编号：S201610022068）

参考文献：

[1]张永安.基于树莓派的智能家居系统[J].电子世界，2016（15）：53.

[2]樊振宇，戴小鹏，彭心雨，申聪.基于Raspberry Pi的智能家居监控系统的设计[J].福建电脑，2016（09）：11-13.

[3]刘继元.基于树莓派的物联网应用[J].电子世界，2016（08）：24-25.