吳方，徐瑋良，鐘志森，鄭雄威，張杰龍

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院，珠海519088）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器等技術(shù)的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)帶寬以及網(wǎng)絡(luò)速度的逐漸提升，物聯(lián)網(wǎng)也在逐漸進(jìn)入迅猛發(fā)展時(shí)期。而教育信息化在國(guó)家政策的推動(dòng)下正在迎來(lái)高峰，智慧教室作為物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用決定了教育環(huán)境的優(yōu)劣。本文在研究智慧教室應(yīng)有的功能，采用了模數(shù)轉(zhuǎn)換、人臉識(shí)別、指紋識(shí)別以及深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，對(duì)智慧教室進(jìn)行了功能設(shè)計(jì)、軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了人臉指紋實(shí)時(shí)考勤、根據(jù)環(huán)境自動(dòng)更改照明亮度溫度以及實(shí)時(shí)檢測(cè)學(xué)生狀態(tài)等智慧教室應(yīng)有的功能。

1 智慧教室研究

一個(gè)合格的智慧教室主要是實(shí)現(xiàn)讓教室能夠自動(dòng)化檢測(cè)環(huán)境，并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，使其維持相對(duì)舒適的環(huán)境。例如，檢測(cè)環(huán)境的亮度，及時(shí)調(diào)整燈光使老師學(xué)生都能在一個(gè)不至于太亮或者太暗的環(huán)境，或者收集周?chē)臏囟仁菇淌夷芫S持在一個(gè)溫暖的溫度范圍。同時(shí)，它也能夠通過(guò)人臉和指紋實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的簽到，并主動(dòng)向教師反饋，讓教師清楚學(xué)生的出勤情況。為了得到更好的學(xué)習(xí)效果，該系統(tǒng)能讓教師獲知學(xué)生的精神狀態(tài)，讓教師能夠進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼n堂調(diào)整。

圖1 智慧教室總框架圖

在采集環(huán)境的溫度或者亮度等模擬的環(huán)境變量時(shí)，需要通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換（即AD 轉(zhuǎn)換）把環(huán)境的模擬量轉(zhuǎn)換成我們所能看見(jiàn)的電壓值，進(jìn)而判斷周?chē)h(huán)境的情況。在模數(shù)轉(zhuǎn)換的芯片中，選用了工業(yè)較為常用的PCF8591 芯片。在PCF8591 器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號(hào)都是通過(guò)雙線(xiàn)雙向I2C 總線(xiàn)以串行的方式進(jìn)行傳輸。在該芯片的通道0 接入了光敏電阻電路，亮度的變化導(dǎo)致電阻值的變化從而影響了電壓值的變化，PCF8591 根據(jù)電壓的變化輸出相應(yīng)數(shù)值從而達(dá)到檢測(cè)亮度的目的。

在對(duì)溫度的控制上設(shè)計(jì)了兩種方案，第一種是PCF8591 芯片的通道1 接入熱敏電阻。熱敏電阻和光敏電阻是相似，根據(jù)環(huán)境溫度的不同，熱敏電阻會(huì)體現(xiàn)出不一樣的電阻值，PCF8591 檢測(cè)到不同的電壓，會(huì)根據(jù)不同的電壓輸出不同的比例值，然后再用溫度計(jì)測(cè)量實(shí)際溫度值，找出PCF8591 輸出值與溫度值之間的比例關(guān)系，總結(jié)公式，再通過(guò)公式去計(jì)算溫度值。第二種是使用DS18B20 單總線(xiàn)芯片，DS18B20 是溫度傳感器，可以直接在芯片內(nèi)部計(jì)算出溫度值并進(jìn)行輸出，精度能夠達(dá)到12 位二進(jìn)制數(shù)（其中有4 位為小數(shù)），通過(guò)發(fā)送設(shè)定好的指令使DS18B20 讀取環(huán)境溫度并進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，最后輸出結(jié)果。第一種方法由于是接在已有的PCF8591 上，所以不用另外使用引腳，而且成本也比較低，占用空間較小，但該方法的缺點(diǎn)是精度比較低；第二種方法精度比較高，但需要另外占用I/O 口，成本比第一種略高，可以根據(jù)不同教室的實(shí)際情況去選用不同的方案。

在指紋識(shí)別技術(shù)上，該系統(tǒng)中選用AS608 芯片控制的指紋識(shí)別模塊，該模塊集成了獲取指紋圖像，生成特征信息，保存特征信息，對(duì)比特征信息以及搜索指紋等等功能，可以在本地儲(chǔ)存300 枚指紋信息。同時(shí)該模塊也支持通過(guò)UART 串口進(jìn)行指紋信息的上傳和下載。

2 智慧教室功能設(shè)計(jì)

2.1 環(huán)境監(jiān)控設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由樹(shù)莓派4 作為系統(tǒng)的中心，通過(guò)樹(shù)莓派的GPIO 的設(shè)置連接各種能夠感知環(huán)境的傳感器，并且做出反饋。教室作為一個(gè)專(zhuān)門(mén)學(xué)習(xí)場(chǎng)所，能夠影響學(xué)習(xí)質(zhì)量的環(huán)境信息主要是亮度以及溫度。而亮度能通過(guò)燈光的大小去調(diào)整，溫度的高低也能通過(guò)對(duì)空調(diào)或風(fēng)扇的調(diào)節(jié)進(jìn)行調(diào)整。主要流程如圖2-圖3。

圖2 溫度采集流程

圖3 亮度采集流程

在已知的環(huán)境中進(jìn)行檢測(cè)，獲取適合亮度相對(duì)應(yīng)的電壓值范圍，獲取數(shù)據(jù)后計(jì)算適當(dāng)?shù)牧炼确秶x值（在測(cè)試實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，較亮?xí)rAD 讀值為135，較暗時(shí)AD 讀值為216），當(dāng)讀數(shù)高于預(yù)定最大值時(shí)標(biāo)識(shí)亮度較暗，需打開(kāi)照明系統(tǒng)，并按照一定比例，當(dāng)值越大時(shí)，控制照明的PWM 波可實(shí)現(xiàn)照明亮度的高低。但由于位置不一樣，教室不同方位的亮度可能也不一樣，同時(shí)不同人對(duì)不同亮度的適應(yīng)程度不一樣，而且有時(shí)候計(jì)算值并不一定非常準(zhǔn)確，所以還需要添加一個(gè)開(kāi)關(guān)以實(shí)現(xiàn)人為的亮度調(diào)整，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)模式和手動(dòng)模式的切換。對(duì)于溫度的獲取類(lèi)似，獲取環(huán)境溫度值后，根據(jù)實(shí)際對(duì)教室風(fēng)扇或者空調(diào)進(jìn)行調(diào)整。

智慧教室可以根據(jù)教室大小存在一個(gè)或者多個(gè)人體熱釋電傳感器，人體熱釋電傳感器可以接收到人體身體散發(fā)的微弱紅外線(xiàn)從而產(chǎn)生信號(hào)。當(dāng)處于自動(dòng)模式時(shí)，人體熱釋電傳感器可以檢測(cè)整個(gè)教室是否有人，從而判斷并控制整個(gè)教室設(shè)備電源開(kāi)關(guān)，當(dāng)有人的時(shí)候，整個(gè)教室電源自動(dòng)打開(kāi)，給教室燈光，電腦等各個(gè)設(shè)備供電。人體熱釋電模塊可以設(shè)置每隔3 分鐘或5分鐘做一次檢測(cè)，若超過(guò)規(guī)定時(shí)間檢測(cè)到?jīng)]有人存在，則關(guān)閉教室的電源，以最大程度節(jié)省教室用電。通過(guò)調(diào)節(jié)接收敏感度，還可以輔助檢測(cè)上課時(shí)是否有人遲到或者早退，可以讓老師更加專(zhuān)注于教學(xué)。

2.2 指紋識(shí)別設(shè)計(jì)

課室有時(shí)候不僅僅是上課的場(chǎng)所而且可以作為考試的場(chǎng)所。樹(shù)莓派也可以外接指紋采集器，每個(gè)人的指紋都是獨(dú)一無(wú)二的，通過(guò)對(duì)采集到的指紋跟數(shù)據(jù)庫(kù)提前收集到的指紋進(jìn)行對(duì)比，再輔以人臉識(shí)別，能極大加快對(duì)考場(chǎng)學(xué)生的認(rèn)證速度以及維護(hù)考場(chǎng)秩序。生物識(shí)別是現(xiàn)今身份識(shí)別最常用的方法，每個(gè)人的身體里都有著獨(dú)一無(wú)二的標(biāo)識(shí)，現(xiàn)今使用得最廣泛就是指紋識(shí)別和人臉識(shí)別。

圖4 指紋模塊和攝像頭

由于UART 串口傳送的速率有限，如果全部指紋數(shù)據(jù)都儲(chǔ)存在指紋模塊外的數(shù)據(jù)庫(kù)中，會(huì)導(dǎo)致每次指紋比對(duì)都需要通過(guò)串口傳輸指紋數(shù)據(jù)從而導(dǎo)致識(shí)別速度慢。考慮到一般情況下一段時(shí)間內(nèi)需要使用指紋識(shí)別的人數(shù)有限，采取的方案是把采集到的指紋數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，每次使用前先提前把需要用到的指紋數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫(kù)載入到模塊儲(chǔ)存中，然后再進(jìn)行高速識(shí)別。

圖5 指紋識(shí)別流程

圖6 AS608指紋識(shí)別指令包格式

2.3 人臉識(shí)別設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)教室中，一個(gè)老師要面對(duì)很多個(gè)學(xué)生，有時(shí)候無(wú)法很準(zhǔn)確地獲取學(xué)生狀態(tài)，而在智慧教室中，機(jī)器視覺(jué)不僅可以獲取人臉信息，還能夠提取人臉的特征點(diǎn)，根據(jù)采集到的特征點(diǎn)（如嘴巴的閉合等），通過(guò)深度學(xué)習(xí)，進(jìn)而判斷學(xué)生是否困倦，并及時(shí)提交給教師，讓教師可以及時(shí)調(diào)整教學(xué)方式和加強(qiáng)教學(xué)管理。

樹(shù)莓派可以通過(guò)攝像頭進(jìn)行視頻或者圖像的采集，通過(guò)人臉識(shí)別的算法，能夠精準(zhǔn)識(shí)別出每個(gè)人的身份，從而簡(jiǎn)化傳統(tǒng)而繁瑣的老師點(diǎn)名進(jìn)行簽到的步驟，使得課堂不再用過(guò)多的時(shí)間在確認(rèn)學(xué)生人數(shù)上，提高了課堂的學(xué)習(xí)效率。

在圖像識(shí)別領(lǐng)域，現(xiàn)在有很多個(gè)開(kāi)源的項(xiàng)目都有著非常好的算法支持。比較常用的是基于C++的OpenCV，它提供Python 接口，可以讓大家很便捷地使用OpenCV。同時(shí)，基于OpenCV 和深度學(xué)習(xí)還有眾多的人臉識(shí)別項(xiàng)目。

圖7 人臉識(shí)別流程

圖8 身份識(shí)別

在Face Recognition 的人臉識(shí)別庫(kù)中不僅僅能做人臉識(shí)別，還能描繪出人臉部的特征點(diǎn)，描繪人臉部的輪廓，結(jié)合TensorFlow 等深度學(xué)習(xí)算法可以判斷人的情緒。

為了識(shí)別學(xué)生是否困倦，我們自己通過(guò)拍照或者網(wǎng)上搜索收集的幾百?gòu)堈Ｄ樀恼掌约啊袄Ь搿蹦樀恼掌?，提取出特征，并進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖9 正常臉識(shí)別

圖10 “困倦”臉識(shí)別

2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

為了儲(chǔ)存大量地人物信息，必然需要用到數(shù)據(jù)庫(kù)，MySQL 是一個(gè)開(kāi)源的、性能非常好的、支持跨系統(tǒng)而且體積非常小的數(shù)據(jù)庫(kù)。該項(xiàng)目中主要儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)有人的身份信息（姓名、性別等）、對(duì)應(yīng)的人臉信息、指紋信息。在需要的時(shí)候，從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取出相關(guān)的信息進(jìn)行比對(duì)。指紋的特征是固定的512B 大小，而人臉特征太過(guò)復(fù)雜則在提取特征的時(shí)候通過(guò)把浮點(diǎn)數(shù)改成一個(gè)長(zhǎng)字符串從而可以使用數(shù)據(jù)庫(kù)中的變長(zhǎng)字符串儲(chǔ)存。

3 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)以樹(shù)莓派4B 作為主控平臺(tái)搭建了一個(gè)基于樹(shù)莓派的智慧教室系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)教室環(huán)境監(jiān)測(cè)自動(dòng)控制教室設(shè)備的開(kāi)閉，自動(dòng)調(diào)整課室的燈光溫度等，給師生提供一個(gè)舒適的課堂環(huán)境。同時(shí)，該系統(tǒng)具備身份識(shí)別的能力，可以較為準(zhǔn)確快速地識(shí)別學(xué)生身份，以便教師考勤和識(shí)別代上課代考試等問(wèn)題。再者該系統(tǒng)還可以通過(guò)定時(shí)檢測(cè)學(xué)生人臉來(lái)判斷學(xué)生是否存在早退、學(xué)習(xí)困倦等問(wèn)題，輔助教師課堂管理。