基于物联网的教学楼内人员检测系统的设计与实现
2022-09-19何惜琴王食军苏伟嘉
何惜琴，王食军，苏伟嘉
（闽南理工学院 电子与电气工程学院，福建 泉州 362700）
0 引 言
教学楼是学校教学的主要场所，室内电灯多、照明时间长；作为大型的公共建筑，其能源消耗巨大。教学楼内的人员监控是高校楼宇管理中的一个重要环节。大多数高校在楼宇人员监控方面主要都是通过观看监视器或人为巡查来确认楼宇中是否还有人。然而，单纯依靠人为监控楼宇的状态往往容易漏查楼宇死角，或者因人为疏忽导致误查。这种情况下，一方面可能存在教室没人时灯依然打开的情况，浪费电能；另一方面也可能在断电和封楼时仍有人员还在教学楼之中，导致严重后果。已有研究人员通过开发楼宇自动化系统解决这一问题，但是楼宇自动化系统内部布线复杂且成本高昂。基于单一单片机技术开发教室照明节能智能控制系统，虽然在一定程度上可以实现节能，但是对教学楼内人员检测仍会存在误判情况，并且没有实现联网，不能通过手机操作，操作不够简便直观。本文提出将图像处理技术与无线传感器网络技术相结合，设计一种教学楼内人员检测系统。管理人员利用该系统，可以直接通过手机APP实时掌握整个教学楼中各个教室内人员的数据，减少由监控死角或者人为疏忽等原因而导致的不良后果。
1 系统的总体设计
图1是本系统的总体设计框图。系统分成一个中枢节点和多个终端节点，各个节点分布在不同的楼层、教室和走廊。利用图像处理技术来分析是否有人在目标区域，同时结合MG5818微波感应模块，感应周围是否有人，解决摄像头存在盲区的问题。然后利用ZigBee模块所组成的无线局域网络将各个节点采集到的数据发送给中枢节点。中枢节点将数据通过ESP8266 WiFi模块发送至云端。利用OneNet云平台来存放数据。管理人员可以通过手机APP直接获取当前教学楼中各个区域的人员数据。
图1 系统的总体设计框图
1.1 ZigBee主控模块
本系统中主设备和从设备的主控电路ZigBee模块由CC2530芯片、晶振电路和天线电路组成，如图2所示。其中RF_N和RF_P外接天线电路，实现无线通信的功能。WiFi芯片通过UART串口与主设备ZigBee进行通信和传输数据。
图2 ZigBee最小系统电路
1.2 摄像头模块
摄像头模块采用OpenMV，处理过的数据通过该模块的串口3发送给ZigBee模块，主要连接串口PB10、PB11这两个引脚，连接ZigBee模块要实现共地，其主控核心电路如图3所示。
图3 OpenMV STM32H743VIT6主控核心电路
1.3 微波感应模块
本设计用到MG5818微波感应传感器，其电路如图4所示。MG5818连接到ZigBee模块的P0_6引脚，通过I/O口电平的变化来判断教室是否有人存在。当检测到当前区域有人时，I/O口输出一个高电平，反之输出低电平。其中微波感应传感器的检测范围可以通过串口进行设置。
图4 MG5818微波感应传感器电路
1.4 无线通信模块
系统中的无线通信模块采用WiFi模块，主要由ESP8266芯片及其外围电路组成。ESP8266芯片将系统采集的数据发送到云端。系统启动时设备主动发起连接，连接后可以与云平台进行数据交互。
2 系统软件设计
系统中ZigBee协调器、路由器和手机APP的整体工作流程如图5所示。
图5 ZigBee组网及APP工作流程
ZigBee协调器模块：开始先初始化，等待路由器加入网络，接收路由器发来的数据，将数据通过串口发送到ESP8266，ESP8266再将数据通过WiFi发送到手机APP上。管理员可以在手机APP上查看当前的教室人员状态。
ZigBee路由器模块：先初始化，与协调器组成网络后，摄像头开始工作。采集图像后对图像进行处理，判断图像中是否有人。如果有人，则发送信息给协调器，否则返回到摄像头继续读取图像进行处理。MG5818微波感应同步开始工作，当感应到区域有人，则发送信息给协调器，否则继续感应。
3 上位机的设计
上位机设计使用的是点灯科技（blinker），它支持多种连接方式、超快速接入、多硬件及低代码开发。本系统使用ESP8266 WiFi模块来连接点灯科技，实现在手机APP端查看教室是否有人功能。
blinker每个界面（UI）组件在设备端都可以创建一个对应的对象。本系统创建了一个按钮组件，设置按钮组件模式为开关模式，通过为按钮绑定回调函数实现检测系统的打开、关闭两种控制。上位机的工作流程如图6所示。ESP8266读取ZigBee通过串口发送过来的数据，并将处理后的数据返回给APP。APP组件会根据数据结果显示不同的颜色和文本，以区分当前教室的人员状态。
图6 上位机工作流程
4 系统调试
将本系统搭建在一栋教学楼内进行测试，在多间教室搭设ZigBee路由器节点，在走廊处搭设一个ZigBee协调器节点。ZigBee路由器节点作为检测系统的前端，需要完成摄像头和微波传感器对当前教室人员状态的采集，然后发送给协调器。ZigBee协调器节点作为系统的中枢，需要完成整个无线传感器网络的组建，同时将各个路由器发送过来的数据进行整理上传到云端服务器，最后在APP端显示各个教室的人员状态。
4.1 组网测试
系统开机，对教室中ZigBee模块路由器和教室外部协调器之间进行组网。当模块之间组网成功，天线下方的黄色LED灯会亮，如图7、图8所示。
图7 ZigBee路由器
图8 ZigBee协调器
4.2 摄像头工作测试
用电脑连接摄像头测试摄像头模块的工作状态，当检测到有人时，检测图框左上角会显示PERSON；反之，显示NO PERSON，分别如图9和图10所示。
图9 摄像头检测到有人时的状态
图10 摄像头检测到没人时的状态
4.3 APP端查看教室状态测试
本实验检测的教室大小为15 m×10 m。检测设备和环境如图11、图12所示。
图11 检测设备
图12 检测环境
当检测到教室有人时，WiFi模块会向手机APP发送一个信号，手机收到信号后，显示教室状态的组件颜色及文本会发生变化。显示红色代表当前教室有人，显示绿色代表无人，结果非常直观。图13和图14分别为教室无人和有人时手机APP的监控状态。
图13 教室无人时APP状态
图14 部分教室有人时APP状态
4.4 测试结果分析
系统开机时，模块与模块之间自动组网，实时检测教室是否有人存在，检测到的数据会被实时发送到用户手机APP，达到远程监控的目的。经过实际测试，在教学楼内各个教室中的路由器节点均可以通过最近的路由器节点将数据转发至协调器中，并通过协调器上传到云端。
5 结 语
本文的教学楼人员检测系统结合了图像处理技术与物联网技术，具有良好的信息接收和反应能力。利用无线传感器成本低和能耗低的优势，节约了内部复杂布线的成本，并能够进行大规模组网。摄像头和微波传感器可以准确快速判定教学楼内是否有人，避免了因楼宇内存在监控死角或人为疏忽而导致的误判。同时能将检测的结果发送至云端，管理人员只要通过手机APP即可直接获得检测结果，有效提高了对教学楼的管理效率，适合在高校中推广使用。
