迪力阿熱木·吐?tīng)柕赜裉K甫 郭斌

摘要：目前，實(shí)驗(yàn)室安全越來(lái)越受到了人們的關(guān)注，隨著人工智能技術(shù)的普及，實(shí)驗(yàn)室安全設(shè)備層出不窮。該設(shè)計(jì)采用Openmv4 H7為核心、MT9V034攝像頭為采集設(shè)備、STM32F103C8T6模塊為控制設(shè)備、OLED12864為顯示模塊，實(shí)現(xiàn)了可以自定義時(shí)間間隔的自動(dòng)控制模式以及手動(dòng)模式的自動(dòng)斷電控制模塊的多種功能。該模塊具有體積小，方便安裝等特點(diǎn)，能夠簡(jiǎn)易地安裝到實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)目標(biāo)檢測(cè)算法的研究與分析，研究了Openmv圖像預(yù)處理和灰度直方圖均衡化的方法，采用幀間差分檢測(cè)算法和關(guān)鍵幀的人物識(shí)別方法，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)識(shí)別功能，最終形成基于目標(biāo)檢測(cè)的自動(dòng)斷電實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)無(wú)人時(shí)自動(dòng)斷電，從而保證了實(shí)驗(yàn)室的用電安全以及達(dá)到了節(jié)省能源的目的。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)室安全;控制器;目標(biāo)檢測(cè);節(jié)省能源

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）18-0080-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 引言

隨著實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代化建設(shè)水平的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室用電安全管理措施的弊端越來(lái)越凸顯，很難有效地滿足各方面提出的要求，暴露出很多安全性問(wèn)題，因此，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)斷電的實(shí)驗(yàn)臺(tái)顯得十分緊迫。這種基于目標(biāo)檢測(cè)的自動(dòng)斷電實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)，不僅為人們帶來(lái)便利的同時(shí)，間接解決資源浪費(fèi)、發(fā)生火災(zāi)等漏洞產(chǎn)生的概率，對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全管理意義及改進(jìn)策略探究上有重大意義。

2 研究現(xiàn)狀

早期，人們使用的電子設(shè)備與現(xiàn)在的電子設(shè)備有很大的不同。這些設(shè)備不僅表現(xiàn)在種類(lèi)繁多，體積大小不一，功能復(fù)雜程度以及適用范圍的不同，對(duì)實(shí)驗(yàn)室用電設(shè)備實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)方面和實(shí)驗(yàn)室能源的管理有著巨大的差距[1]。如今，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展、實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的擴(kuò)大、實(shí)驗(yàn)臺(tái)數(shù)目的大量增加，人們對(duì)實(shí)驗(yàn)室用電安全管理方面格外重視。與此同時(shí)，人工智能技術(shù)的發(fā)展及普及，使實(shí)驗(yàn)室安全設(shè)備層出不窮。

近期國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室電源管理系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，世界各國(guó)的大學(xué)都注重實(shí)驗(yàn)室資產(chǎn)的管理和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，形成了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)公司的實(shí)驗(yàn)室LabMasterLIMS、萊博韋爾的LabWareLIMS和實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的NautilusLIMS[2]等實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)。目前，由于越來(lái)越多的精密儀器在高校實(shí)驗(yàn)室中得到使用，實(shí)驗(yàn)室電源管理系統(tǒng)能夠保證實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的用電安全，是實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)中不可或缺的一部分，因此實(shí)驗(yàn)室的用電要求變得更加嚴(yán)格。近幾年，世界各地的學(xué)者，研發(fā)人員都在對(duì)實(shí)驗(yàn)室電源管理系統(tǒng)進(jìn)行研究，在他們的不斷努力下，實(shí)驗(yàn)室電源管理系統(tǒng)獲得了巨大的發(fā)展。

本文采用幀間差分檢測(cè)算法和關(guān)鍵幀的人物識(shí)別方法，對(duì)傳統(tǒng)的人工管理方式進(jìn)行改進(jìn)。實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別功能、準(zhǔn)確地判斷無(wú)人時(shí)自動(dòng)斷電，解決了用電安全、資源浪費(fèi)等問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)了基于目標(biāo)檢測(cè)的自動(dòng)斷電實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展起到了關(guān)鍵性作用[3]。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體框圖

根據(jù)系統(tǒng)的硬件組成需求分析，主要包括5個(gè)模塊：控制采集模塊、目標(biāo)檢測(cè)攝像頭模塊、12864OLED液晶顯示模塊、按鍵切換模塊、繼電器模塊。如圖1所示。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要分為控制采集模塊程序、機(jī)器視覺(jué)目標(biāo)檢測(cè)程序、各類(lèi)數(shù)據(jù)顯示子程序和改變參數(shù)及控制手動(dòng)模塊的按鍵程序。首先OPENMV IDE運(yùn)行程序，使用sensor.reset（）方法初始化相機(jī)傳感器，OPENMV上P4，P5對(duì)應(yīng)串口3，波特率為115200。攝像頭模塊運(yùn)行將開(kāi)始的十秒左右出現(xiàn)的物體作為目標(biāo)特征，直至出現(xiàn)特征角點(diǎn)證明已經(jīng)識(shí)別記錄目標(biāo)特征。在檢測(cè)階段接收目標(biāo)輸入，通過(guò)幀間差分法對(duì)每一幀圖像畫(huà)面進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，如果存在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，則連續(xù)的幀和幀之間會(huì)有明顯的變化。關(guān)鍵幀的人物識(shí)別得到畫(huà)面中的指定目標(biāo)，用串口通信接收數(shù)據(jù)緩存，重定義fputc函數(shù)循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)，直到發(fā)送完畢。使能USART1，GPIO時(shí)鐘通過(guò)IIC協(xié)議驅(qū)動(dòng)顯示屏打印數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)目標(biāo)檢測(cè)程序完成實(shí)驗(yàn)臺(tái)前是否有人的情況進(jìn)行數(shù)據(jù)保存;控制采集模塊程序完成對(duì)目標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)的讀取及輸出，并通過(guò)各類(lèi)數(shù)據(jù)顯示子程序顯示對(duì)應(yīng)信息。流程圖如圖2所示。

3.3 算法實(shí)現(xiàn)

本文主要研究了經(jīng)典運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)，討論了幀間差分法的目標(biāo)檢測(cè)，該過(guò)程需要同關(guān)鍵幀的人物識(shí)別方法完成目標(biāo)識(shí)別和目標(biāo)定位任務(wù)，即確定給定圖像中的目標(biāo)類(lèi)別和位置[4]，本設(shè)計(jì)通過(guò)幀間差分方法在一定程度上減少了時(shí)間和效率問(wèn)題。

幀間差分法是由于攝像頭拍攝的圖像都是連續(xù)的，因此當(dāng)場(chǎng)景中存在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)在兩張連續(xù)拍攝的圖片中處于不同的位置，造成兩張圖像的差距過(guò)大。該方法通過(guò)計(jì)算兩張圖像的差距，判斷灰度變化，當(dāng)變化超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，則判定為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，以此完成對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)。該方法有對(duì)動(dòng)態(tài)背景不敏感，不需背景建模的優(yōu)點(diǎn)[5]。如圖3所示。

圖像序列中像素點(diǎn)的灰度值（x，y）設(shè)定為幀t（x，y）與幀t-1（x，y）之間差值的絕對(duì)值，以D（x，y）為閾值，并以下列公式表示像素點(diǎn)（x，y）作為前景或背景的區(qū)別原則：

[Dt x，y=|Itx，y-It-1x，y |]

[Dtx，y≤T，MT=0 Dtx，y>T，MT=1]

關(guān)鍵幀人物識(shí)別在目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別和識(shí)別過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，直接影響到檢測(cè)的性能。與傳統(tǒng)的檢測(cè)算法相比，誤差大大降低，提高了人臉跟蹤的精準(zhǔn)性。因此該算法通過(guò)接收的數(shù)據(jù)傳輸給控制模塊，控制模塊在進(jìn)行處理發(fā)送到OLED顯示屏上。與此同時(shí)，幀間差分檢測(cè)算法的人物識(shí)別方法需要時(shí)刻進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，時(shí)刻做到數(shù)據(jù)傳輸工作。

4 核心功能設(shè)計(jì)

4.1 控制采集模塊

Keil公司是一家微控制器（MCU）軟件開(kāi)發(fā)工具提供商，在世界處于行業(yè)的領(lǐng)先地位。該軟件主要用于開(kāi)發(fā)微機(jī)，主要用于c51（AT89C51、STC89C51）等、arm單片機(jī)（LPC、STM32）、STM32微控制器用途廣泛，具有多種功能的可重復(fù)使用的引腳。STM32F103C8T6是一款由意法半導(dǎo)體公司（ST）推出的產(chǎn)品，基于Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，采用LQFP48對(duì)硬件進(jìn)行封裝，是ST公司微控制器中的STM32系列中的產(chǎn)品。STM32F103C8T6的GPIO有上拉、下拉輸入等八種模式，因此無(wú)須在外接按鈕時(shí)設(shè)計(jì)上拉電阻和下拉電阻[6]。如圖4所示。

STM32F103C8T6是一個(gè)中密度、高性能的產(chǎn)品，支持低功耗模式、休眠模式和停止模式，里面含有模數(shù)轉(zhuǎn)換器和定時(shí)器以及PWM定時(shí)器和通信接口，ARM Cortex-M3和48個(gè)LQFP等封裝。具有高功效的RISC以及速度為72MHz的頻率、存儲(chǔ)器和APB總線之間的兩個(gè)外部連接。

因此，它具有出色的實(shí)時(shí)性能，出色的效率，最大的集成度，跨家族引腳和軟件兼容性。

4.2 目標(biāo)檢測(cè)攝像頭模塊

OPENMV是可編程的一種攝像頭，相機(jī)本身內(nèi)置了圖像處理算法，處理器運(yùn)行頻率為400MHz，性能較強(qiáng)，深受大家的喜愛(ài)。同時(shí)，顏色跟蹤、人臉識(shí)別、目標(biāo)識(shí)別等機(jī)器視覺(jué)算法在OPENMV4 H7模塊上輕松解決[7]。OPENMV4 H7目標(biāo)檢測(cè)模塊支持0V7725、OV9650、0V2640、MT9V034等攝像頭模塊。MT9V034是帶有全局快門(mén)的傳感器模塊，非常適合需要精確視覺(jué)支持的人，因此，本系統(tǒng)中選擇了一款支持全局快門(mén)的傳感器MT9V034來(lái)作為本系統(tǒng)的攝像頭模塊。

識(shí)別特定圖像中的特定目標(biāo)并確定其位置和類(lèi)別是目標(biāo)檢測(cè)攝像頭模塊的主要任務(wù)。由于不同物體的外觀、形狀和姿態(tài)以及環(huán)境的光照條件和遮擋物的影響都有很大的差異，目標(biāo)選擇在計(jì)算機(jī)使用領(lǐng)域是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。如圖5所示：

4.3 顯示模塊

終端顯示器在當(dāng)前的使用越來(lái)越廣泛，與此同時(shí)，對(duì)終端顯示器的性能需求也逐漸提高。因此，在各類(lèi)實(shí)驗(yàn)室以及低功耗系統(tǒng)中，均廣泛使用了小體積、低功耗、高亮度、高對(duì)比度的OLED顯示屏。OLED（有機(jī)發(fā)光二極管屏）是一種新的顯示技術(shù)，其顯示模組主要有裸屏和背板PCB構(gòu)成，總體尺寸約為0.96英寸。使用被廣泛使用的LED驅(qū)動(dòng)模塊SSD1306驅(qū)動(dòng)裸屏[8]。大多數(shù)情況下，OLED顯示屏的尺寸為0.96英寸，分辨率為128*64。功耗低、節(jié)能、成品重量輕、抗震系數(shù)高、屏幕可視角度可達(dá)170度左右、微秒級(jí)響應(yīng)時(shí)間快、薄、輕、可彎曲，具有良好的顯示效果和便攜性，所以本系統(tǒng)中選擇OLED12864顯示器來(lái)作為本系統(tǒng)的顯示模塊。

另外，STM32F103C8T6控制模塊通過(guò)IIC協(xié)議驅(qū)動(dòng)OLED屏幕，設(shè)置PB12為上拉輸入模式和通用推免輸出模式。如圖6所示。

5 系統(tǒng)測(cè)試與實(shí)現(xiàn)效果

5.1 實(shí)驗(yàn)方法

為了檢驗(yàn)基于目標(biāo)檢測(cè)的自動(dòng)斷電實(shí)驗(yàn)臺(tái)的功能，我們?cè)谑謩?dòng)控制模式及自動(dòng)控制模式狀態(tài)下做了多次實(shí)驗(yàn)。測(cè)試系統(tǒng)由主電路板、USB供電線、220V電源線組成，本測(cè)試系統(tǒng)硬件為實(shí)驗(yàn)室安全用電提供一定的保障，實(shí)物在電腦桌以及實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測(cè)試。如表1所示。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于目標(biāo)檢測(cè)的自動(dòng)斷電實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)，按照兩個(gè)步驟去測(cè)試：第一個(gè)是自動(dòng)模式狀態(tài)，由USB供電、繼電器控制220V電源，OPENMV攝像頭模塊進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，檢測(cè)到了目標(biāo)電源立馬開(kāi)啟，在中途目標(biāo)消失，倒計(jì)時(shí)開(kāi)始，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，電源將自動(dòng)關(guān)閉。默認(rèn)關(guān)閉時(shí)間為10分鐘，用戶根據(jù)實(shí)際情況按下第二、第三按鍵進(jìn)行改變參數(shù)。注意：在倒計(jì)時(shí)過(guò)程中重新檢測(cè)到目標(biāo)將停止倒計(jì)時(shí)繼續(xù)工作，若無(wú)就會(huì)關(guān)閉電源。第二是手動(dòng)模式狀態(tài)，如上述自動(dòng)模式過(guò)程一樣，唯一不同點(diǎn)是可隨時(shí)將電源開(kāi)啟與關(guān)閉，不用等待倒計(jì)時(shí)。這兩種情況分別進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，得到了不錯(cuò)的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

首先，實(shí)驗(yàn)按照兩部分進(jìn)行測(cè)試，即自動(dòng)模式狀態(tài)和手動(dòng)模式狀態(tài)?？紤]測(cè)試的準(zhǔn)確性，測(cè)試時(shí)將OPENMV4 H7 MT9V034攝像頭的蓋子用閉合和打開(kāi)的方式判斷檢測(cè)到目標(biāo)，且使用手機(jī)以及插板模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)效果。

圖（a）：該狀態(tài)為自動(dòng)模式，打開(kāi)OPENMV4 H7 MT9V034攝像頭，顯示Check_states：1，即檢測(cè)到目標(biāo)，電源自動(dòng)開(kāi)啟，手機(jī)充電。

圖（b）：該狀態(tài)為自動(dòng)模式，關(guān)閉OPENMV4 H7 MT9V034攝像頭，顯示Check_states：0，即沒(méi)有檢測(cè)到目標(biāo)，電源倒計(jì)時(shí)10分鐘關(guān)閉，手機(jī)停止充電。

圖（c）：該狀態(tài)為手動(dòng)模式，關(guān)閉OPENMV4 H7 MT9V034攝像頭，顯示Check_states：0，即沒(méi)有檢測(cè)到目標(biāo)，電源手動(dòng)開(kāi)啟，手機(jī)充電。

圖（d）：該狀態(tài)為手動(dòng)模式，關(guān)閉OPENMV4 H7 MT9V034 攝像頭，顯示Check_states：0，即沒(méi)有檢測(cè)到目標(biāo)，電源手動(dòng)關(guān)閉，手機(jī)停止充電。

注：該狀態(tài)為手動(dòng)模式時(shí)，打開(kāi)OPENMV4 H7 MT9V034攝像頭，顯示Check_states：1，即檢測(cè)到目標(biāo)，根據(jù)電源手動(dòng)開(kāi)啟/關(guān)閉，手機(jī)充電/停止充電。

6 結(jié)束語(yǔ)

為進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)室用電安全，確保實(shí)驗(yàn)室安全運(yùn)行并達(dá)到節(jié)約電能的目標(biāo)。論文設(shè)計(jì)了一種基于目標(biāo)檢測(cè)的自動(dòng)斷電實(shí)驗(yàn)臺(tái)。程序在Keil平臺(tái)和Openmv IDE平臺(tái)上進(jìn)行編程，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)以及控制器功能。在算法上研究了Openmv對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，采用幀間差分檢測(cè)算法和關(guān)鍵幀的人物識(shí)別方法，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)無(wú)人的時(shí)候自動(dòng)斷電的效果，基本實(shí)現(xiàn)了本設(shè)計(jì)的所有要求。最后在多次測(cè)試過(guò)程中，本設(shè)計(jì)控制反應(yīng)快，顯示屏數(shù)據(jù)清晰，檢測(cè)目標(biāo)準(zhǔn)確，按鍵功能齊全。

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