基于树莓派的智慧教室的研究与设计

吴方，徐玮良，钟志森，郑雄威，张杰龙

（北京理工大学珠海学院，珠海519088）

0 引言

随着计算机技术和传感器等技术的迅猛发展，网络带宽以及网络速度的逐渐提升，物联网也在逐渐进入迅猛发展时期。而教育信息化在国家政策的推动下正在迎来高峰，智慧教室作为物联网的应用决定了教育环境的优劣。本文在研究智慧教室应有的功能，采用了模数转换、人脸识别、指纹识别以及深度学习等技术，对智慧教室进行了功能设计、软硬件设计，实现了人脸指纹实时考勤、根据环境自动更改照明亮度温度以及实时检测学生状态等智慧教室应有的功能。

1 智慧教室研究

一个合格的智慧教室主要是实现让教室能够自动化检测环境，并进行相应调整，使其维持相对舒适的环境。例如，检测环境的亮度，及时调整灯光使老师学生都能在一个不至于太亮或者太暗的环境，或者收集周围的温度使教室能维持在一个温暖的温度范围。同时，它也能够通过人脸和指纹实现实时的签到，并主动向教师反馈，让教师清楚学生的出勤情况。为了得到更好的学习效果，该系统能让教师获知学生的精神状态，让教师能够进行适当的课堂调整。

图1 智慧教室总框架图

在采集环境的温度或者亮度等模拟的环境变量时，需要通过模数转换（即AD 转换）把环境的模拟量转换成我们所能看见的电压值，进而判断周围环境的情况。在模数转换的芯片中，选用了工业较为常用的PCF8591 芯片。在PCF8591 器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C 总线以串行的方式进行传输。在该芯片的通道0 接入了光敏电阻电路，亮度的变化导致电阻值的变化从而影响了电压值的变化，PCF8591 根据电压的变化输出相应数值从而达到检测亮度的目的。

在对温度的控制上设计了两种方案，第一种是PCF8591 芯片的通道1 接入热敏电阻。热敏电阻和光敏电阻是相似，根据环境温度的不同，热敏电阻会体现出不一样的电阻值，PCF8591 检测到不同的电压，会根据不同的电压输出不同的比例值，然后再用温度计测量实际温度值，找出PCF8591 输出值与温度值之间的比例关系，总结公式，再通过公式去计算温度值。第二种是使用DS18B20 单总线芯片，DS18B20 是温度传感器，可以直接在芯片内部计算出温度值并进行输出，精度能够达到12 位二进制数（其中有4 位为小数），通过发送设定好的指令使DS18B20 读取环境温度并进行温度转换，最后输出结果。第一种方法由于是接在已有的PCF8591 上，所以不用另外使用引脚，而且成本也比较低，占用空间较小，但该方法的缺点是精度比较低；第二种方法精度比较高，但需要另外占用I/O 口，成本比第一种略高，可以根据不同教室的实际情况去选用不同的方案。

在指纹识别技术上，该系统中选用AS608 芯片控制的指纹识别模块，该模块集成了获取指纹图像，生成特征信息，保存特征信息，对比特征信息以及搜索指纹等等功能，可以在本地储存300 枚指纹信息。同时该模块也支持通过UART 串口进行指纹信息的上传和下载。

2 智慧教室功能设计

2.1 环境监控设计

本系统由树莓派4 作为系统的中心，通过树莓派的GPIO 的设置连接各种能够感知环境的传感器，并且做出反馈。教室作为一个专门学习场所，能够影响学习质量的环境信息主要是亮度以及温度。而亮度能通过灯光的大小去调整，温度的高低也能通过对空调或风扇的调节进行调整。主要流程如图2-图3。

图2 温度采集流程

图3 亮度采集流程

在已知的环境中进行检测，获取适合亮度相对应的电压值范围，获取数据后计算适当的亮度范围读值（在测试实验环境中，较亮时AD 读值为135，较暗时AD 读值为216），当读数高于预定最大值时标识亮度较暗，需打开照明系统，并按照一定比例，当值越大时，控制照明的PWM 波可实现照明亮度的高低。但由于位置不一样，教室不同方位的亮度可能也不一样，同时不同人对不同亮度的适应程度不一样，而且有时候计算值并不一定非常准确，所以还需要添加一个开关以实现人为的亮度调整，实现自动模式和手动模式的切换。对于温度的获取类似，获取环境温度值后，根据实际对教室风扇或者空调进行调整。

智慧教室可以根据教室大小存在一个或者多个人体热释电传感器，人体热释电传感器可以接收到人体身体散发的微弱红外线从而产生信号。当处于自动模式时，人体热释电传感器可以检测整个教室是否有人，从而判断并控制整个教室设备电源开关，当有人的时候，整个教室电源自动打开，给教室灯光，电脑等各个设备供电。人体热释电模块可以设置每隔3 分钟或5分钟做一次检测，若超过规定时间检测到没有人存在，则关闭教室的电源，以最大程度节省教室用电。通过调节接收敏感度，还可以辅助检测上课时是否有人迟到或者早退，可以让老师更加专注于教学。

2.2 指纹识别设计

课室有时候不仅仅是上课的场所而且可以作为考试的场所。树莓派也可以外接指纹采集器，每个人的指纹都是独一无二的，通过对采集到的指纹跟数据库提前收集到的指纹进行对比，再辅以人脸识别，能极大加快对考场学生的认证速度以及维护考场秩序。生物识别是现今身份识别最常用的方法，每个人的身体里都有着独一无二的标识，现今使用得最广泛就是指纹识别和人脸识别。

图4 指纹模块和摄像头

由于UART 串口传送的速率有限，如果全部指纹数据都储存在指纹模块外的数据库中，会导致每次指纹比对都需要通过串口传输指纹数据从而导致识别速度慢。考虑到一般情况下一段时间内需要使用指纹识别的人数有限，采取的方案是把采集到的指纹数据储存到数据库中，每次使用前先提前把需要用到的指纹数据从数据库载入到模块储存中，然后再进行高速识别。

图5 指纹识别流程

图6 AS608指纹识别指令包格式

2.3 人脸识别设计

在传统教室中，一个老师要面对很多个学生，有时候无法很准确地获取学生状态，而在智慧教室中，机器视觉不仅可以获取人脸信息，还能够提取人脸的特征点，根据采集到的特征点（如嘴巴的闭合等），通过深度学习，进而判断学生是否困倦，并及时提交给教师，让教师可以及时调整教学方式和加强教学管理。

树莓派可以通过摄像头进行视频或者图像的采集，通过人脸识别的算法，能够精准识别出每个人的身份，从而简化传统而繁琐的老师点名进行签到的步骤，使得课堂不再用过多的时间在确认学生人数上，提高了课堂的学习效率。

在图像识别领域，现在有很多个开源的项目都有着非常好的算法支持。比较常用的是基于C++的OpenCV，它提供Python 接口，可以让大家很便捷地使用OpenCV。同时，基于OpenCV 和深度学习还有众多的人脸识别项目。

图7 人脸识别流程

图8 身份识别

在Face Recognition 的人脸识别库中不仅仅能做人脸识别，还能描绘出人脸部的特征点，描绘人脸部的轮廓，结合TensorFlow 等深度学习算法可以判断人的情绪。

为了识别学生是否困倦，我们自己通过拍照或者网上搜索收集的几百张正常脸的照片以及“困倦”脸的照片，提取出特征，并进行了验证。

图9 正常脸识别

图10 “困倦”脸识别

2.4 数据库设计

为了储存大量地人物信息，必然需要用到数据库，MySQL 是一个开源的、性能非常好的、支持跨系统而且体积非常小的数据库。该项目中主要储存的数据有人的身份信息（姓名、性别等）、对应的人脸信息、指纹信息。在需要的时候，从数据库中提取出相关的信息进行比对。指纹的特征是固定的512B 大小，而人脸特征太过复杂则在提取特征的时候通过把浮点数改成一个长字符串从而可以使用数据库中的变长字符串储存。

3 结语

本系统以树莓派4B 作为主控平台搭建了一个基于树莓派的智慧教室系统，通过对教室环境监测自动控制教室设备的开闭，自动调整课室的灯光温度等，给师生提供一个舒适的课堂环境。同时，该系统具备身份识别的能力，可以较为准确快速地识别学生身份，以便教师考勤和识别代上课代考试等问题。再者该系统还可以通过定时检测学生人脸来判断学生是否存在早退、学习困倦等问题，辅助教师课堂管理。