基于图像识别的教室照明节能控制系统

娄德燕 尹爱兵 金若愚

摘 要

针对高校教室照明用电浪费问题，在分析教室照明节能现状的基础上，提出一种基于图像识别教室人员信息与光照自动感应相结合的照明节能控制系统，利用摄像头采集教室图像，运用HOG+SVM的人头识别算法与背景差进行人数识别，再结合教室光照感应系统，实现照明的节能控制，做到人在灯亮，人走灯灭。

关键词

图像识别;照明;控制系统

中图分类号： TP391.41;TU113.66         文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.052

目前高校教学楼主要依赖人工管理，经常存在“长明灯”现象，教室的电能资源浪费严重。为节能减排，低碳环保，高校也开展了丰富多彩的主题教育活动，但仍没有从根本上解决能源浪费问题。随着教育信息化技术的发展，数字化校园的建设，利用机器视觉技术识别教室人员信息，再利用光照传感器获取教室环境参数，最后由嵌入式设备融合处理，能实现对不同场景的灯光进行自动切换，实现照明节能控制。

1 系统总体设计方案

目前高校教室主要依赖人工管理，由于教室多，个别学生自觉性与自我管理较差，教室照明经常存在以下现象：

（1）正常开灯后，人走忘记关灯，导致灯常亮;

（2）教室光线较差时开灯，光线正常时没有主动关灯;

（3）教室人员分布不均，统一开灯，无人区域灯亮。

这些可以关灯的情景没有关灯，导致能源浪费。为实现以上场景自动关灯，本文提出一种基于图像识别与光线自动感应的智能照明管理系统，既可以通过教室控制面板人工控制灯的亮灭，也可以通过机器视觉的人数识别与光照感应，根据光照强度与人员位置信息开关灯光的智能控制方案，实现了人走灯灭，减少了能源浪费，实现了节能控制，实现方案如图1所示。系统主要由摄像采集、图像识别、光照感知、控制处理、照明开关等5个部分组成。

为方便教室人工控制照明，在教室墙壁上悬挂触摸式控制面板，照明控制器根据控制面板的输入指令控制每一个灯光的亮灭。智能控制，由安装在教室中央的摄像头对教室人员进行监控，通过图像识别检测出教室人员信息，确定某一灯光照明范围内人员信息及控制指令送入控制处理单元;为了解教室光照环境参数，选取教室某些位置安装光照传感器，采集不同位置光照强度。照明控制器根据系统设置的教室管理信息，结合教室人数、光照信息对灯光进行自动开关，能自动实现无人和光照正常情况下灯光关闭，实现了节能控制。

2 硬件设计

2.1 教室监控系统

教室人员信息识别主要借助教室监控平台完成，目前教学监控主要由教室摄像机、拾音器、主控单元、光纤通信网络等组成。目前我院教室都安装了监控摄像头，摄像机采用云台网络球机，型号为DS-2DMI-504- IS，控制主机通过网络控制摄像头监控范围。主控制室安装数字硬盘录像机DS-8632-NST，具有录像、抓图、回放、备份等多种功能。人员识别处理在教室监控系统上实现，为减少监控处理压力，可适当增加一台服务器，在服务器上完成图像处理工作，识别出教室人员信息。

2.2 照明控制器

照明控制器是教室照明控制的节点，需要完成教室人工开关灯操作、控制照明传感器采集教室照明信息、接收监控中心的控制指令、驱动每个灯的开关操作等任务。人工操作，选用触摸屏控制照明，更加方便快捷。由于电容屏更容易通过手动触控，因此选用群创7寸彩色电容触摸屏TFT LCD AT070TN92，其分辨率800480，能实现触控与显示操作。教室各个位置照明强度不同，为调节照明，让整个教室都能满足正常光线需要，选用BH1750FVI采集指定区域光照强度。BH1750FVI是一种两线串行总线接口的数字型光强度传感器，能探测较大范围内的光强度变化（1lx-65535lx），光源依赖性弱，支持I2C总线接口，用于检测教室光照环境。与监控中心的网络通信，如果选用有线布线，教室改造成本大，可以采用无线局域网方案，借助校园网WiFi网络进行信息传递，采用ESP8266模块实现。教室灯光通过继电器控制电源的开关，实现照明控制。根据系统要求，嵌入式处理芯片选用ARM公司的STM32F429芯片。STM32F429是一种基于ARM Cortex-M4 32bit的微控制器，高达20路通信接口（I2C、SPI、UART、USB、CAN、SDIO等），还有一个专用TFT LCD接口，最主频为180MHz，液晶触摸屏显示控制与ST M32F429的LCD-TFT显示控制器相连，光强度传感器通过I2C接口连接，WiFi通过串口实现信息互通，继电器通过GPIO驱动，满足系统设计要求。系统所需电源通过220V市电进行交直流变换得到24V直流电压，再利用LM2574、TPS61040等芯片进行DC/DC转换为AT070TN92、STM32F429、ESP8266等所需的直流电源。

3 系統软件设计

3.1 基于图像识别的人数统计算法

教室监控系统采集到教室人员视频信息，要识别出某一区域内具体人数，首先需要判断是否有人。对于运动目标的视频识别，可以采用帧差法、背景建模法等方法。由于教室场景相对固定，人员行动比较缓慢，因此，采用背景差分法，在教室无人时进行图像采集，以此为背景帧，在人员识别时图像进行差分，对差分图像进行人员识别。为准确控制教室每隔灯光，对教室安装灯光覆盖范围进行区域分割，画出每个灯光照明范围，对该区域人数运用HOG+SVM进行人头识别，统计出该区域人数。HOG（方向梯度直方图）是当前计算机视觉、模式识别领域很常用的一种描述图像局部纹理的特征，教室由于桌椅遮挡，人员行动缓慢，因此采用人头进行局部纹理特征分析，提取出人头特征参数，然后采用SVM（支持向量机）进行分类。由于目前没有专门的人头分类器数据库，需要自己采集人头正样本，再采集没有人头的负样本，通过HOG+SVM进行训练，获取人头分类数据库。在人头识别时，利用该数据库预测指定区域的人数，从而统计人员信息。

3.2 灯光控制软件程序

图2给出了照明控制软件实现程序，系统启动后对继电器、触摸屏、WiFi模块进行初始化设置，正常模式进入自动模式。人工操作可在触摸屏上切换成人工模式，此时处理器采集触摸屏指令，根据操作要求完成照明控制切换。当进入自动模式时，首先等待监控室控制指令，当接收到无线WiFi传递的控制指令与教室人员信息后，判断某一灯光照明区域是否有人，当无人时不需任何操作。当检测到该区域有人时，再启动光照采集传感器采集照明强度，当光照较低，需要开启灯光时驱动照明继电器开启对应灯光，否则，保持不动。在运行过程中，人员检测每隔2秒扫描一次，有人立即切换开启灯光。但当人离开时，每隔1分钟左右才关闭灯光，否则人员来回频繁转换会损害灯管，系统也可以设置定时进行关灯操作。

4 结束语

通过对教室照明控制需求分析，介绍了一种基于图像识别教室人员信息与光照自动感应相结合的智能灯光控制系统，对系统软硬件进行设计，可实现灯光无人自动开关，实现了节能控制。

参考文献

[1]吴忠伟.基于物联网的教室灯光节能控制系统[J].电子技术与软件工程，2019（07）：128-129.

[2]王嘉仪，胡凡，赵永安，梁计锋，江帅，刘昊达，董克毫.教室灯光自动控制系统设计[J].电子测试，2019（12）：25-26.