何惜琴，王食軍，蘇偉嘉

（閩南理工學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，福建 泉州 362700）

0 引 言

教學(xué)樓是學(xué)校教學(xué)的主要場(chǎng)所，室內(nèi)電燈多、照明時(shí)間長(zhǎng)；作為大型的公共建筑，其能源消耗巨大。教學(xué)樓內(nèi)的人員監(jiān)控是高校樓宇管理中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。大多數(shù)高校在樓宇人員監(jiān)控方面主要都是通過觀看監(jiān)視器或人為巡查來確認(rèn)樓宇中是否還有人。然而，單純依靠人為監(jiān)控樓宇的狀態(tài)往往容易漏查樓宇死角，或者因人為疏忽導(dǎo)致誤查。這種情況下，一方面可能存在教室沒人時(shí)燈依然打開的情況，浪費(fèi)電能；另一方面也可能在斷電和封樓時(shí)仍有人員還在教學(xué)樓之中，導(dǎo)致嚴(yán)重后果。已有研究人員通過開發(fā)樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)解決這一問題，但是樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)部布線復(fù)雜且成本高昂。基于單一單片機(jī)技術(shù)開發(fā)教室照明節(jié)能智能控制系統(tǒng)，雖然在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，但是對(duì)教學(xué)樓內(nèi)人員檢測(cè)仍會(huì)存在誤判情況，并且沒有實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，不能通過手機(jī)操作，操作不夠簡(jiǎn)便直觀。本文提出將圖像處理技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)一種教學(xué)樓內(nèi)人員檢測(cè)系統(tǒng)。管理人員利用該系統(tǒng)，可以直接通過手機(jī)APP實(shí)時(shí)掌握整個(gè)教學(xué)樓中各個(gè)教室內(nèi)人員的數(shù)據(jù)，減少由監(jiān)控死角或者人為疏忽等原因而導(dǎo)致的不良后果。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

圖1是本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖。系統(tǒng)分成一個(gè)中樞節(jié)點(diǎn)和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)分布在不同的樓層、教室和走廊。利用圖像處理技術(shù)來分析是否有人在目標(biāo)區(qū)域，同時(shí)結(jié)合MG5818微波感應(yīng)模塊，感應(yīng)周圍是否有人，解決攝像頭存在盲區(qū)的問題。然后利用ZigBee模塊所組成的無線局域網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給中樞節(jié)點(diǎn)。中樞節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)通過ESP8266 WiFi模塊發(fā)送至云端。利用OneNet云平臺(tái)來存放數(shù)據(jù)。管理人員可以通過手機(jī)APP直接獲取當(dāng)前教學(xué)樓中各個(gè)區(qū)域的人員數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖

1.1 ZigBee主控模塊

本系統(tǒng)中主設(shè)備和從設(shè)備的主控電路ZigBee模塊由CC2530芯片、晶振電路和天線電路組成，如圖2所示。其中RF_N和RF_P外接天線電路，實(shí)現(xiàn)無線通信的功能。WiFi芯片通過UART串口與主設(shè)備ZigBee進(jìn)行通信和傳輸數(shù)據(jù)。

圖2 ZigBee最小系統(tǒng)電路

1.2 攝像頭模塊

攝像頭模塊采用OpenMV，處理過的數(shù)據(jù)通過該模塊的串口3發(fā)送給ZigBee模塊，主要連接串口PB10、PB11這兩個(gè)引腳，連接ZigBee模塊要實(shí)現(xiàn)共地，其主控核心電路如圖3所示。

圖3 OpenMV STM32H743VIT6主控核心電路

1.3 微波感應(yīng)模塊

本設(shè)計(jì)用到MG5818微波感應(yīng)傳感器，其電路如圖4所示。MG5818連接到ZigBee模塊的P0_6引腳，通過I/O口電平的變化來判斷教室是否有人存在。當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前區(qū)域有人時(shí)，I/O口輸出一個(gè)高電平，反之輸出低電平。其中微波感應(yīng)傳感器的檢測(cè)范圍可以通過串口進(jìn)行設(shè)置。

圖4 MG5818微波感應(yīng)傳感器電路

1.4 無線通信模塊

系統(tǒng)中的無線通信模塊采用WiFi模塊，主要由ESP8266芯片及其外圍電路組成。ESP8266芯片將系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到云端。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)設(shè)備主動(dòng)發(fā)起連接，連接后可以與云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中ZigBee協(xié)調(diào)器、路由器和手機(jī)APP的整體工作流程如圖5所示。

圖5 ZigBee組網(wǎng)及APP工作流程

ZigBee協(xié)調(diào)器模塊：開始先初始化，等待路由器加入網(wǎng)絡(luò)，接收路由器發(fā)來的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到ESP8266，ESP8266再將數(shù)據(jù)通過WiFi發(fā)送到手機(jī)APP上。管理員可以在手機(jī)APP上查看當(dāng)前的教室人員狀態(tài)。

ZigBee路由器模塊：先初始化，與協(xié)調(diào)器組成網(wǎng)絡(luò)后，攝像頭開始工作。采集圖像后對(duì)圖像進(jìn)行處理，判斷圖像中是否有人。如果有人，則發(fā)送信息給協(xié)調(diào)器，否則返回到攝像頭繼續(xù)讀取圖像進(jìn)行處理。MG5818微波感應(yīng)同步開始工作，當(dāng)感應(yīng)到區(qū)域有人，則發(fā)送信息給協(xié)調(diào)器，否則繼續(xù)感應(yīng)。

3 上位機(jī)的設(shè)計(jì)

上位機(jī)設(shè)計(jì)使用的是點(diǎn)燈科技（blinker），它支持多種連接方式、超快速接入、多硬件及低代碼開發(fā)。本系統(tǒng)使用ESP8266 WiFi模塊來連接點(diǎn)燈科技，實(shí)現(xiàn)在手機(jī)APP端查看教室是否有人功能。

blinker每個(gè)界面（UI）組件在設(shè)備端都可以創(chuàng)建一個(gè)對(duì)應(yīng)的對(duì)象。本系統(tǒng)創(chuàng)建了一個(gè)按鈕組件，設(shè)置按鈕組件模式為開關(guān)模式，通過為按鈕綁定回調(diào)函數(shù)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的打開、關(guān)閉兩種控制。上位機(jī)的工作流程如圖6所示。ESP8266讀取ZigBee通過串口發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)返回給APP。APP組件會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示不同的顏色和文本，以區(qū)分當(dāng)前教室的人員狀態(tài)。

圖6 上位機(jī)工作流程

4 系統(tǒng)調(diào)試

將本系統(tǒng)搭建在一棟教學(xué)樓內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，在多間教室搭設(shè)ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)，在走廊處搭設(shè)一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)作為檢測(cè)系統(tǒng)的前端，需要完成攝像頭和微波傳感器對(duì)當(dāng)前教室人員狀態(tài)的采集，然后發(fā)送給協(xié)調(diào)器。ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)作為系統(tǒng)的中樞，需要完成整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建，同時(shí)將各個(gè)路由器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理上傳到云端服務(wù)器，最后在APP端顯示各個(gè)教室的人員狀態(tài)。

4.1 組網(wǎng)測(cè)試

系統(tǒng)開機(jī)，對(duì)教室中ZigBee模塊路由器和教室外部協(xié)調(diào)器之間進(jìn)行組網(wǎng)。當(dāng)模塊之間組網(wǎng)成功，天線下方的黃色LED燈會(huì)亮，如圖7、圖8所示。

圖7 ZigBee路由器

圖8 ZigBee協(xié)調(diào)器

4.2 攝像頭工作測(cè)試

用電腦連接攝像頭測(cè)試攝像頭模塊的工作狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到有人時(shí)，檢測(cè)圖框左上角會(huì)顯示PERSON；反之，顯示NO PERSON，分別如圖9和圖10所示。

圖9 攝像頭檢測(cè)到有人時(shí)的狀態(tài)

圖10 攝像頭檢測(cè)到?jīng)]人時(shí)的狀態(tài)

4.3 APP端查看教室狀態(tài)測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的教室大小為15 m×10 m。檢測(cè)設(shè)備和環(huán)境如圖11、圖12所示。

圖11 檢測(cè)設(shè)備

圖12 檢測(cè)環(huán)境

當(dāng)檢測(cè)到教室有人時(shí)，WiFi模塊會(huì)向手機(jī)APP發(fā)送一個(gè)信號(hào)，手機(jī)收到信號(hào)后，顯示教室狀態(tài)的組件顏色及文本會(huì)發(fā)生變化。顯示紅色代表當(dāng)前教室有人，顯示綠色代表無人，結(jié)果非常直觀。圖13和圖14分別為教室無人和有人時(shí)手機(jī)APP的監(jiān)控狀態(tài)。

圖13 教室無人時(shí)APP狀態(tài)

圖14 部分教室有人時(shí)APP狀態(tài)

4.4 測(cè)試結(jié)果分析

系統(tǒng)開機(jī)時(shí)，模塊與模塊之間自動(dòng)組網(wǎng)，實(shí)時(shí)檢測(cè)教室是否有人存在，檢測(cè)到的數(shù)據(jù)會(huì)被實(shí)時(shí)發(fā)送到用戶手機(jī)APP，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，在教學(xué)樓內(nèi)各個(gè)教室中的路由器節(jié)點(diǎn)均可以通過最近的路由器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至協(xié)調(diào)器中，并通過協(xié)調(diào)器上傳到云端。

5 結(jié) 語

本文的教學(xué)樓人員檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)合了圖像處理技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具有良好的信息接收和反應(yīng)能力。利用無線傳感器成本低和能耗低的優(yōu)勢(shì)，節(jié)約了內(nèi)部復(fù)雜布線的成本，并能夠進(jìn)行大規(guī)模組網(wǎng)。攝像頭和微波傳感器可以準(zhǔn)確快速判定教學(xué)樓內(nèi)是否有人，避免了因樓宇內(nèi)存在監(jiān)控死角或人為疏忽而導(dǎo)致的誤判。同時(shí)能將檢測(cè)的結(jié)果發(fā)送至云端，管理人員只要通過手機(jī)APP即可直接獲得檢測(cè)結(jié)果，有效提高了對(duì)教學(xué)樓的管理效率，適合在高校中推廣使用。