基于场所人数检测的照明节能控制系统设计

摘要：利用三星公司ARM9内核S3C2440芯片为控制器，实现了一种智能节能技术，完成了在不采用传感器条件下的公共场所人数的智能检测，并根据得到的人数实现公共场所照明灯开关的智能控制，实现了节约电能的目的。经实验计算，预计可节电35％左右。系统充分利用了ARM9强大的数据处理能力和Windows CE 5．0良好的实时性。整个系统具有性价比高、可维护性强、工作稳定的特点。
关键词：ARM9；S3C2440；智能检测；节能

引言
    目前许多公共场所的照明用电处于粗放式的管理状态，这种管理存在着较大的缺陷，从而造成电能的大量浪费。这种现象与国家创建节约型社会的号召相违背，所以迫切需要合适的控制系统对这些公共场所进行管理。现在普遍采用的节能系统有松下智能照明节能控制系统和美国仁斯利尔大学开发的节能控制系统。前者采用热线传感器和计算机控制，后者采用日光转换器控制。这些设备不仅操作复杂，而且增加整个系统的成本。针对以上问题设计了一种新型的公共场所的节能控制系统，采用基于ARM9内核的S3C2440芯片和USB摄像头，在Windows CE操作系统下进行程序开发，使整个系统除具有一般的控制照明灯开关的功能之外，还能较准确地检测公共场所人的数目，具有成本低、稳定性强的优点。

1 系统设计及主要算法
1．1 设计思路及系统结构
    本系统主要是针对目前教室等公共场所的节能需求研究开发的，依据动态滤波、颜色匹配和归一化等相关图像视频处理技术以及基于ARM9微处理器的嵌入式系统开发技术。系统工作流程如下：
    第一步，初始化系统，即进行一系列的人机交互工作，获取公共场所无人时的图像并采取一定的图像处理技术对图像进行处理。
    第二步，当公共场所的照明灯被打开，此时整个系统就进入工作状态。系统获取教室的实时图像并进行一定的处理，然后采取一定的算法将图像与模板进行图形计算从而得到人。由于初始化时依据边缘检测的方法将整个图像进行了分割，那么也就可以大致得出公共场所各个区域人的密度。
    第三步，系统依据所得出的人的数目从GPIO接口传出开关灯的脉冲信号，信号经放大后控制照明灯开关。
当系统运行时，通过设定系统工作的时钟频率使整个系统定时获取公共场所的实时图像进行开关灯操作。系统工作框图如图1所示。

    基于模块化的设计思想，根据系统工作流程可将系统分为以下4个部分：模板图像的制作、公共场所实时图像的采集、图形计算和智能开关控制。这4个部分既保持相互独立又通过一定的方式连接起来，这不仅使整个系统的稳定性和可维护性得到提高，也使整个系统具有层次性和扩展性。
1．2 S3C2440芯片开发
    (1)WinCE条件下USB设备的开发
    由于本系统运用USB接口来进行图像的采集，所以要对Windows CE下的USB设备驱动进行开发。在Windows CE系统下对USB设备进行开发需要运用系统本身提供的流接口驱动模型，它能够为设备驱动的开发提供通用的接口函数，系统将会对设备进行编号，这样就可以在程序中直接打开设备并且对其进行操作。本系统的USB摄像头驱动的设计采用了4个流接口函数：CAM_Init、CAM_Open、CAM_IOControl、CAM_Close，完成获取注册表中驱动、初始化系统、处理用户命令、释放分配资源的功能。
    (2)GPIO接口的开发
    GPIO接口的控制首先需要设置GPXCON寄存器为输出功能，然后再通过设置GPXDAT寄存器的值为0或1来控制GPIO口的低或高电平。在S3C 2440中提供了4个LED灯，它们分别由GPB5到GPB84个GPIO口来控制，用户可以通过观察LED灯的不同状态来了解信号的输出。要实现这个驱动程序，首先要建立流驱动所必需的文件并设定设备名，其次要将代码对信号的输出和控制初始化，最后以条件语句表示设备出现的各种情况，并运行主程序。
1．3 主要算法及设计
    针对公共场所颜色较为单一，且在HSV颜色空间里H、S、V值分布比较明显的特点，本系统采用对图像进行处理的方法来获取公共场所的人数。
    将模板彩色图像进行锐化操作并调节图像亮度，随后将此RGB图像进行颜色空间转换，这样就可以分别得到每一点的H、S、V值，并利用图像上各个点的H、S、V值来进行下一步的计算，此时将公共场所依照外轮廓划分成9个区域。由于物体对背景的遮挡效果，图像被遮住部分将拥有与模板图像对应位置不同的H、S、V值。采用循环对比的方法，将两幅图像上对应点的H、S、V值进行比较，如果两者值之差在规定的误差范围之内，那么将此像素跳过，当两点H、S、V值相差较大时，标记这些像素。然后将图像进行二值化处理，即标记的像素的值为1，没有标记的像素的值为0，再通过形态学滤波方法(如腐蚀、膨胀)，最终过滤掉多余的杂点得到单一目标的分布区域。计算出目标面积在每个划分区域的百分比，由给出的公共场所的最大容量得出总人数，确定开灯数目所占总数目的比值。
    设si为在第i区域图像中对象的面积，si为图像中第i区域的总面积，n为第i区域的最大容量，N为所求总人数，a为需要开的照明灯个数，A为照明灯总个数，根据上文即可得以下算式：
   

2 实例
    本系统适用于较为宽敞的公共场所，如教室、大型会议室、图书馆等。宽敞的环境一方面为摄像头提供较为开阔的视野，另一方面可以使光照分布更为均匀，减少光照对图像的影响。此实例是系统在不同大小教室环境下的应用，主要是对教室的照明灯进行控制以及测定教室内的人数，从而验证本系统的可行性及准确性。
    系统在教室的应用，其主要步骤如下：
    首先，初始化系统。在人机互动步骤中输入此场所的类型及场所的最大容量。这时系统会自动采集此时的教室图像并对其进行处理。需要注意的是，此时要保证教室无人，这样才能确保系统计算的准确性。这时可得模板图像，即图2(a)，然后将教室划分为9个区域，如图2(b)所示。
    其次，获取实时图像，计算人数。当有人打开照明灯时，电信号通过S3C2440的外部中断接口激活系统使其开始工作。这时系统将定时采集教室内的实时图片，并将所采集的图片进行形态学的处理，如图2(c)所示，与模板进行图形计算得出人数以及开灯的数目。

    最后，控制照明灯开关。通过系统得出的教室人数输出脉冲信号，信号经放大后控制教室开关。得到需要开灯的个数之后，将照明灯按规划依次打开，这时系统会根据灯是否开启的状态，依据一定的时钟频率获取教室实时图像。当然，当教室照明灯被人为关闭或系统连续3次检测无人后，系统将进入待机状态。
    系统运行后得出不同情况下教室的总人数及教室的开灯数目。表1给出了系统运行后得到的各种情况下教室的参数值，从而得出教室的大小以及教室人数的多少对系统的准确性的影响。从所得误差可知，虽然图像在处理时采用了腐蚀、膨胀等方法，但是还是无法消除书包等物品对系统计算的影响，使整个系统测得的人数偏多。系统基于人性化的设计，使得开灯数的比例稍大于测得人数与教室的最大容量之比，一方面可以满足国家建筑照明用电的照度标准，另一方面人们会有更多的工作空间。

    由表1测得的数据可知，教室的大小和人数的多少对实验误差会产生一定的影响。教室越大，人数测定的误差就越小；教室越小，所测人数误差就越大；教室人数越多，误差越小(人数越多，因书本和书包等物体遮挡的面积对总面积的影响越小)。虽然在小教室测定人数的误差较大，但误差均为正值，这会使更多的座位达到满足工作所需照度的标准，也使工作者能够选择更加合适的座位。整个系统具有人性化的优点。
    经调查本校教室的照明灯每天平均开启14～15小时，计算得每间小教室耗电大约为18 kWh／天。通过对本校两间小教室人流量的记录以及对教室的开灯情况的统计，假设运用此系统后，上课、自习时间与部分课余时间分别为8小时、4小时与2小时，计算可得每天节约电能可达35％。以标准教室为例，每天可节约3．25元，10个月大约可节省资金975元，而此系统价格较低，成本仅为450～500元，半年就可收回成本。教育部统计，在全国范围内全国约有15万所中小学和1550多所高校以及大量的图书馆、会议室等。假设有一部分场所采用此系统，那
么将节约大量的电能，而产生一度电需要300～400 g煤，从而间接减少二氧化碳的排放。

3 结论
    本系统采用基于ARM9微处理器的嵌入式系统设计，使节能系统能够本地控制，可维护性及稳定性较计算机控制都有所提高。本系统不使用传感器，单纯地对图像进行处理并得出人数，大大节约了系统成本。测试结果与实际结果的对比验证了本系统的准确性，为系统的推广打下基础。该方法基于颜色空间、颜色匹配等图像处理技术，算法简单，大大缩短了系统的计算时间。由于本系统具有良好的节能特性和较低的成本等优点，所以其推广对节能环保工作的开展有较大的意义。