基于树莓派的高校开放实验室电源管理系统设计

陈永强，刘 韬

（苏州市职业大学 电子信息工程学院，江苏 苏州　 215104）

基于树莓派的高校开放实验室电源管理系统设计

陈永强，刘 韬

（苏州市职业大学 电子信息工程学院，江苏 苏州 215104）

为解决高校开放实验室的安全管理难题，设计并实现一种开放实验室智能电源管理系统.系统基于树莓派和Arduino等开源创客平台，依托云计算和移动互联网，采用图像处理算法与物联网技术，实现智能控制实验室电闸通断、实验室环境感知与实时图像采集等功能.系统能降低实验室的安全风险，提高实验室智能管理水平.

开放实验室；树莓派；图像处理；云计算

为培养应用型创新人才，各高校近年来大范围地建设、扩容、升级实验室.实验室日渐增多，带来实验室管理的挑战.实验室管理工作繁杂，成果不突出，教师往往不愿花费过多时间.同时，许多实验室设备贵重，部分还有一定危险性，如强电、危险化学药品等，这些实验室由于安全原因一般除上课时间，基本不对外开放，利用率不高.

实验室开放管理最重要的问题是安全问题，在电子类实验室，主要是用电安全问题.目前在开放实验室管理上，在健全制度的同时，主要方案是实验室预约使用登记、实验室助理与电子社团协助管理和应用门禁系统、RFID系统跟踪使用记录［1-2］.但在日常管理中经常有实验室人员离开，但是电烙铁没断电、强电设备没有关闭的情况，会带来安全隐患.

智能化是实验室管理的发展方向，尤其在“互联网+”的热潮下，移动互联网、云计算和智能化迅速普及，为实验室管理改革提供了机遇.本文探索基于树莓派与图像处理的高校开放实验室智能电源管理系统的设计与实现，安全防线由系统自动化管理，减少管理员的管理时间，提高管理员的工作效率，提高实验室利用率和开放性.

1　系统架构

基于树莓派与图像处理的高校开放实验室智能电源管理系统由三部分组成:图像采集处理模块、电闸控制模块与云管理平台.

图像采集处理模块是系统的核心，负责图像采集，智能判断实验室是否有人，代替管理员监督实验室状态，如果实验室没有人，则及时断电，防止发生火灾等隐患.模块采用开源硬件树莓派作为控制核心.树莓派运行Linux系统，尺寸与信用卡相当.第二代产品具有900 MHz CPU，1 GB RAM，HDMI，以太网和4个USB端口等丰富的接口.第三代产品CPU升级到1.2 GHz，板载WiFi和低功耗蓝牙（BLE）.摄像头型号为RPI CAMERA BOARD，像素数为5百万，1 080 p 为30帧/s，720 p为60帧/s.树莓派使用5 V供电，外接支持HDMI的显示器.

电闸控制模块主要根据图像采集处理模块的判断结果控制实验室电闸的通断.基本开发平台选用Arduino.Arduino和树莓派都是开源硬件，开源硬件具有全球性、稳定性、开发速度快和成本低的特点，不仅拥有丰富的在线社区资源，其本身的硬件资源也非常丰富.开源硬件降低了硬件开发的门槛，封装了大量底层API，屏蔽了底层硬件寄存器操作，适应硬件软件化的趋势，培育了创客创新文化.采用Arduino能够快速连接各种传感器，通过W5100以太网模块，可方便进行HTTP通信.实验室中电流较大，使用交流接触器作为电闸控制电力通断.而接触器本身由固态继电器控制，Arduino控制固态继电器.智能电闸状态和传感器数据通过Arduino接入云管理平台中.

云管理平台实现系统控制和管理功能，系统框图如图1所示.管理员通过移动互联网随时随地监控实验室运行状态，远程控制实验室电闸通断.云平台后端提供一系列API与树莓派和Arduino通信.图像采集处理模块上传的电闸数据与实验室中传感器采集的数据在云管理平台前端可视化.平台运行在阿里云计算ECS上，使用WAMP （Windows+Apache+MySQL+ PHP）提供API与管理界面服务.

图1　系统框图

2　图像处理算法

利用图像处理算法检测实验室是否有人，主要是检测实验室中的运动情况，检测运动物体最简单的方法是背景差分法，其思想是将本帧图像与背景模型图像进行差分，得到差分图像，通过差分图像获得运动有关信息.背景图像一般是在没有人物的情况下手动拍摄多帧图像取平均值得到.实际测试发现，在短期内，背景差分法可有效判别人物是否运动和存在.但长期发现，光线变化会引起背景差分图像变化，引起误判，学生移动桌椅后离开也造成背景改变，因此背景模型图像需要及时更新，减小误判.

背景更新经典算法为时间平均法，利用一段时间采集图像的平均值作为背景更新图像，但是容易出现混合现象［3］.文献［4］介绍一种便捷的动态背景更新算法，通过时间间隔图像差分方法和固定背景差分法相结合，针对非动态变化区域实时更新背景，方法简单，适合在嵌入式系统中实现.

在实验室环境下，背景在短时间内变化较小，因此使用整体更新代替区域更新，减轻运算量.判断实验室是否有人的图像处理算法流程图如图2所示.首先通过树莓派的摄像头采集彩色图像序列，二值化后判别是否为白天.如果为白天，采集连续两帧图像，分别滤波、二值化，进行帧间差分运算.对差分图像膨胀处理，提取轮廓，根据轮廓判断两帧图像是否不同.如果有运动物体，则认为实验室中有人.如果帧间差分得到结果是无差别，再将本帧图像与背景图像进行差分运算.由于本文采用背景自动更新算法，因此背景无需事先手动采集.根据背景差分图像判断本帧图像与背景图像是否有差别，如果差别较小，认为实验室无人，进入循环继续判断.如果有差别，先进行人脸识别，搜索图像中是否存在人脸，人脸识别使用基于Haar特征的AdaBoost人脸检测算法，该算法对近距离人脸识别率较高.如果找到人脸，则认为有人.如果找不到人脸，此时有两种情况，一种是实验室中已经没有人，另一种是人物保持一个相对静止状态.在实验室中正常情况下保持长时间静止较为困难，采用高分辨率摄像头可捕捉到较为微小的变化，因此根据经验设定一个时间阈值T，比如10 min，作为缓冲期，如果距离上次运动时刻T min以上仍保持不动，进行背景更新，采集当前连续若干帧图像取平均值作为背景，然后判断为无人.

图2　图像处理算法流程图

本文图像处理硬件为树莓派二代，采用Python语言编写程序.由于摄像头驱动比较特殊，使用Picamera模块库驱动.图像处理算法库使用OpenCV-Python.

3　云管理平台设计

云平台设计分为后端和前端两部分.目前大部分的物联网平台后端采用开放API进行数据交互.在API设计风格中，基于RESTful的API设计在物联网领域占据主流，包括亚马逊、Yeelink等平台都采用这种设计架构.REST是表现层状态转化［5］，如果一个架构符合REST原则，就称它为RESTful架构.RESTful架构将数据库与数据交互中的增查改删（CRUD）操作与HTTP协议中的动词POST、GET、PUT、DELETE一一对应，将资源充分暴露，使用便捷、扩展性强、基于无状态协议，非常适用于物联网领域.

本文使用PHP语言开发平台后端.采用ThinkPHP3.2框架，ThinkPHP基于MVC模式，提供RestController，可提高API开发速度，提高系统的稳健性，部分API如表1所示，数据使用JSON编码.数据库系统采用开源的MySQL.在前端展示上，为了适配各种不同尺寸移动终端，采用响应式布局.前端开发框架选用Bootstrap，其不仅提供了一系列CSS样式，还提供了一套响应式、移动设备优先的流式栅格系统.Bootstrap Switch和chart.js分别用作开关和图表.

表1　API摘录

4　系统运行

摄像头采集的图像序列经过算法处理后得到实验室是否有人的状态量，目前人物在非静止状态下判断准确率较高，移动鼠标也可检测到.在人物长时间静止状态下，如果人脸检测不到会引起误判，未来可通过机器学习来提高.状态量通过API传送到云平台数据库中.Arduino通过API间隔时间查询云平台，如果开关状态变化，及时控制电闸通断.Arduino传感器采集数据后上传到云平台.管理员使用移动设备可在任何网络环境下访问管理页面，查看实验室是否有人使用，观测实验室环境数据，在紧急情况下，管理员可以在页面上手动控制电闸通断.电闸通断发生变化时由云平台发送邮件到管理员邮箱中.系统实物图如图3所示.

图3　系统实物图

5　结论

设计一种高校开放实验室智能电源管理系统，在树莓派和Arduino等开源创客平台上利用图像处理算法与云计算技术，将开放实验室电源管理网络化、智能化.实现实验室环境与使用状态实时智能监控，总电闸智能通断.结合移动互联网管理手段，实验室可在非工作时段开放给学生和教师，管理员不需要在现场值班，应用移动设备可以安全管理实验室，提高实验室的开放性与安全性.

［1］ 崔鸣. 实验登记系统的设计与实现［J］. 苏州市职业大学学报，2014，25（3）:65-69.

［2］ 刘柳，吴希阳，虞兵. 目前高校开放实验室主要问题与应对措施［J］. 轻工科技，2014（1）:122-123.

［3］ 邹甲，杨柳铭. 基于RFID与ZigBee技术的智能高校实验室开放管理系统［J］. 中国电力教育，2014（12）:170-171.

［4］ 夏伟才，曾致远. 一种基于卡尔曼滤波的背景更新算法［J］. 计算机技术与发展，2007，17（10）:134-136.

［5］ 艾海舟，乐秀宇. 面向视觉监视实时跟踪的动态背景更新方法［J］. 计算机工程与应用，2001，37（19）:104-106.

［6］ 吴衍标，熊勇，姚炜，等. 基于RESTful Web的智能家居系统应用［J］. 计算机应用，2015（S2）:284-289.

（责任编辑:沈凤英）

Design of Intelligent Power Management System for Laboratories Based on Raspberry Pi

CHEN Yong-qiang，LIU Tao
（School of Electronic Information Engineering，Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China）

To solve the problem of ensuring safe use of electricity in open laboratories， this paper explores and realizes a system which manages the lab power system automatically. The system is based on open source platform，such as Raspberry Pi and Arduino and utilizes cloud computing as well as mobile Internet technology. Image processing algorithm combined with Internet of things technology helps control the lab's power and realize the function of environmental perception and image capture. This system promotes the opening of lab and improves the smart level of lab management.

open laboratory；Raspberry Pi；image processing；cloud computing

TP393.4

A

1008-5475（2016）03-0066-04

10.16219/j.cnki.szxbzk.2016.03.014

2016-04-18；

2016-05-16

江苏省高校大学生实践创新训练计划资助项目（201511054013Y）；江苏高校品牌专业建设工程资助项目（PPZY2015A089）；苏州市科技计划资助项目（SZP201310）；苏州市职业大学创新团队基金项目（3100125）；苏州市职业大学教学改革资助项目（SZDJG-14023）.

陈永强（1989-），男，江苏徐州人，助教，硕士，主要从事物联网研究.

陈永强，刘韬.基于树莓派的高校开放实验室电源管理系统设计［J］.苏州市职业大学学报，2016，27（3）：66-69.