吴少俊　宋樑杰

摘要：目前高校教室普遍存在“长明灯”现象，管理不科学，本文根据高校教室的现状，利用普通摄像头实现图像采集，采用灰度值比对的方法识别照明度，采用Haar级联分类器的检测方法识别学生人数和分布位置，得出每个照明设备的所需状态。在照明设备原有的线路的基础上提出改造方案，并利用STC89C52单片机和继电器来智能控制每个照明设备，以达到降低成本，节能减排的良好效果。

关键词：图像识别；智能照明；Haar；教室

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）02-0001-02

當前高校对于教室照明普遍采用专人看管的方式，然而教室特别是24小时自习教室数量日益增加，使得依靠人力无法及时有效地在时间上和空间上进行管理。在自然光线充足的情况下，教室中依然全部开启照明设备；在室内人数较少或者人数较多但集中在某一区域时，也会普遍开灯；更有甚者，在离开教室后依然不熄灯，导致“长明灯”现象的屡禁不止。[1]这些不仅不符合国家节能减排的号召，也增加了高校的办学成本。

智能照明控制系统可以根据教室中实际的光照度决定是否需要开灯，同时根据教室中学生实际人数以及所在的位置信息，按需调整各个照明设备的开闭状态；通过系统设定电压，避免照明设备被高电压的冲击，延长灯具寿命，提高可用性；让大学生亲身体验高科技带来的便利生活和对环境保护的影响，潜移默化地向广大师生宣传推广节能减排、发展高新科技的理念。

1 智能控制关键技术分析

智能照明系统是否“智能”首先体现在能否准确识别出教室内的人数情况、分布情况和当前的照明情况等信息。目前的识别技术主要由两种：一种是基于各种传感器来识别，第二种是基于图像处理技术来识别。

1.1 基于传感器智能控制

目前常见的传感器主要由红外线、微波、光感和无线传感器组成，可以简单快速地实现光照和人数的检测，但是容易受到外界环境的影响，并且提高识别的正确率，必须在各个不同的地方安装多个传感器，成本高，工作量大。[2]

1.2 基于图像处理技术智能控制

基于图像处理技术的智能控制是对同一区域不同时段的图像进行比对。首先将图像分割成细小的区域，通过判断区域内某个像素的变化值是否在域值内，得出当前的照明情况和人员分布情况。[3]此外，相邻像素具有相关性，可以快速分离出明暗的边界，提高控制的反映速度，其精度主要取决于识别算法，硬件成本低，改造升级比较简单。当前高校每个教室一般都已配备高清的或者是自带深度图像识别模式的摄像头，在此基础上配合图像识别算法，可以达到较高的识别正确率。

2 智能控制关键技术实现

2.1 光照亮度识别技术

首先对教室拍摄以300lx为标准的图片，以此作为标准样张。由于彩色图片信息量过大，为提高运算速度，可将其转换成灰度图（如对运算速度有更高要求，可进一步降低精度，采用二值化图像），并编号保存。其次对教室实时进行拍摄，并同样转换成灰度图。最后将样张图和实时图按教室的不同区域进行灰度值比较，当两者的差值大于一定的设定值时，则可判定教室中某区域自然光线亮度不足，需要实时打开相应位置的照明设施，否则实时关闭。为消除摄像头由于光照变化、阴影以及物体遮挡等外界因素的干扰，可对图像进行一个预处理，如使用直方图均衡或高斯滤波等方式。如图1所示。

2.2 人员数量和分布识别技术

当前多数摄像头已经具有一定智能的识别功能，当教室的摄像头可能由于经费、时间等方面的考虑，并没有完全启用智能摄像头，因此本文基于普通摄像头来识别人数和分布情况。由于是普通摄像头，因此可能清晰度不能很好，但教室环境不像其他的公共场所，位置相对固定不变，且学生大多活动在一定区域内，活动类型比较单一。因此本文采用基于Haar级联分类器的检测方法。此方法原理为将多个分类器级联形成一个复合分类器，被检测目标如果能够通过每个级联器，则表示人脸识别成功。[4]基于相同原理，将教室空闲状态下的照片作为样张，与实时拍摄的照片做差分来识别学生的分布情况。先用mask选择感兴趣区域，由于人的头发多是黑色，因此可以由二值化得到人头的初筛，进行形态学变换后，设定面积阈值进行筛选。而后根据Hough变换检测近似的圆形区域，同时用累计帧差法得到活动区域，与Hough检测结果结合得到最终结果。[5]根据学生分布情况，经过处理分析得到教室照明设备编号和样张像素的对应关系，进而得出当前每个照明设备的开闭状态，后期作为控制信号输入单片机，实现每个设备的单独控制和节能效果。如图2所示。

3 电路改进

教室照明设施目前常见的控制方式为一个开关控制一排或一列灯具，为实现智能控制，需对电路进行改进。单片机具有低功耗，高性能的特点，符合降低能耗的要求。[5]在电路中为每个灯具增加继电器开关，通过控制继电器的开合来实现每个灯具的单一控制。[6]具体方式是在原先级联的三个灯具的高压端与相应的继电器开关连接。前期图像采集和识别以后的信息转换成信号，输入到单片机的P0口，然后经P1口输出，发送给各个继电器。如图3所示。

4 结语

相对传统控制系统，使用智能控制系统更节省成本，无需专人值守，节省人力资源；可根据当前自然光线明暗和人员分布状态智能控制调节照明设备的开启和关闭；可通过平台管理每一个照明设备，便于管理。特别是目前高校规模日益扩大，教室数量越来越多，对原有照明电路加以改造，引入智能控制模块，可以方便有效地对每一个照明设备加以管理，提升利用效率，降低成本，减少浪费，对高校节能减排、创建智慧校园有着重要意义。

参考文献

[1]黄涛.高校公共教室照明控制的智能化研究[D].山东：山东大学，2016.

[2]彭嘉杰，彭小红，卢路路，苏荣鉴.大学教室智能照明控制系统设计[J].广西：现代计算机，2014，（11）：85-97.

[3]柳有权.基于普通摄像头的人数检测技术的讨论[J].陕西：价值工程，2011，（3）：45-47.

[4]陈杰.高校教室智能照明控制系统的研究与设计[D].安徽：安徽理工大学，2014.

[5]庄晓波，刘彦妍.智能照明综合评述和讨论[J].光源与照明，2015，（5）：39-41.

[6]周莉，陈杰，蔡加星.基于MSP430单片机的智能照明控制系统的设计[J].安徽理工大学学报，2016，（7）：81-84.