目前許多公共場所的照明用電處于粗放式的管理狀態(tài)，這種管理存在著較大的缺陷，從而造成電能的大量浪費。這種現(xiàn)象與國家創(chuàng)建節(jié)約型社會的號召相違背，所以迫切需要合適的控制系統(tǒng)對這些公共場所進行管理?，F(xiàn)在普遍采用的節(jié)能系統(tǒng)有松下智能照明節(jié)能控制系統(tǒng)和美國仁斯利爾大學開發(fā)的節(jié)能控制系統(tǒng)。前者采用熱線傳感器和計算機控制，后者采用日光轉(zhuǎn)換器控制。這些設(shè)備不僅操作復雜，而且增加整個系統(tǒng)的成本。針對以上問題設(shè)計了一種新型的公共場所的節(jié)能控制系統(tǒng)，采用基于ARM9內(nèi)核的S3C2440芯片和USB攝像頭，在Windows CE操作系統(tǒng)下進行程序開發(fā)，使整個系統(tǒng)除具有一般的控制照明燈開關(guān)的功能之外，還能較準確地檢測公共場所人的數(shù)目，具有成本低、穩(wěn)定性強的優(yōu)點。
1 系統(tǒng)設(shè)計及主要算法
1．1 設(shè)計思路及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)主要是針對目前教室等公共場所的節(jié)能需求研究開發(fā)的，依據(jù)動態(tài)濾波、顏色匹配和歸一化等相關(guān)圖像視頻處理技術(shù)以及基于ARM9微處理器的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)。系統(tǒng)工作流程如下：
第一步，初始化系統(tǒng)，即進行一系列的人機交互工作，獲取公共場所無人時的圖像并采取一定的圖像處理技術(shù)對圖像進行處理。
第二步，當公共場所的照明燈被打開，此時整個系統(tǒng)就進入工作狀態(tài)。系統(tǒng)獲取教室的實時圖像并進行一定的處理，然后采取一定的算法將圖像與模板進行圖形計算從而得到人。由于初始化時依據(jù)邊緣檢測的方法將整個圖像進行了分割，那么也就可以大致得出公共場所各個區(qū)域人的密度。
第三步，系統(tǒng)依據(jù)所得出的人的數(shù)目從GPIO接口傳出開關(guān)燈的脈沖信號，信號經(jīng)放大后控制照明燈開關(guān)。
當系統(tǒng)運行時，通過設(shè)定系統(tǒng)工作的時鐘頻率使整個系統(tǒng)定時獲取公共場所的實時圖像進行開關(guān)燈操作。系統(tǒng)工作框圖如圖1所示。
基于模塊化的設(shè)計思想，根據(jù)系統(tǒng)工作流程可將系統(tǒng)分為以下4個部分：模板圖像的制作、公共場所實時圖像的采集、圖形計算和智能開關(guān)控制。這4個部分既保持相互獨立又通過一定的方式連接起來，這不僅使整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可維護性得到提高，也使整個系統(tǒng)具有層次性和擴展性。
1．2 S3C2440芯片開發(fā)
(1)WinCE條件下USB設(shè)備的開發(fā)
由于本系統(tǒng)運用USB接口來進行圖像的采集，所以要對Windows CE下的USB設(shè)備驅(qū)動進行開發(fā)。在Windows CE系統(tǒng)下對USB設(shè)備進行開發(fā)需要運用系統(tǒng)本身提供的流接口驅(qū)動模型，它能夠為設(shè)備驅(qū)動的開發(fā)提供通用的接口函數(shù)，系統(tǒng)將會對設(shè)備進行編號，這樣就可以在程序中直接打開設(shè)備并且對其進行操作。本系統(tǒng)的USB攝像頭驅(qū)動的設(shè)計采用了4個流接口函數(shù)：CAM_Init、CAM_Open、CAM_IOControl、CAM_Close，完成獲取注冊表中驅(qū)動、初始化系統(tǒng)、處理用戶命令、釋放分配資源的功能。
(2)GPIO接口的開發(fā)
GPIO接口的控制首先需要設(shè)置GPXCON寄存器為輸出功能，然后再通過設(shè)置GPXDAT寄存器的值為0或1來控制GPIO口的低或高電平。在S3C 2440中提供了4個LED燈，它們分別由GPB5到GPB84個GPIO口來控制，用戶可以通過觀察LED燈的不同狀態(tài)來了解信號的輸出。要實現(xiàn)這個驅(qū)動程序，首先要建立流驅(qū)動所必需的文件并設(shè)定設(shè)備名，其次要將代碼對信號的輸出和控制初始化，最后以條件語句表示設(shè)備出現(xiàn)的各種情況，并運行主程序。
1．3 主要算法及設(shè)計
針對公共場所顏色較為單一，且在HSV顏色空間里H、S、V值分布比較明顯的特點，本系統(tǒng)采用對圖像進行處理的方法來獲取公共場所的人數(shù)。
將模板彩色圖像進行銳化操作并調(diào)節(jié)圖像亮度，隨后將此RGB圖像進行顏色空間轉(zhuǎn)換，這樣就可以分別得到每一點的H、S、V值，并利用圖像上各個點的H、S、V值來進行下一步的計算，此時將公共場所依照外輪廓劃分成9個區(qū)域。由于物體對背景的遮擋效果，圖像被遮住部分將擁有與模板圖像對應(yīng)位置不同的H、S、V值。采用循環(huán)對比的方法，將兩幅圖像上對應(yīng)點的H、S、V值進行比較，如果兩者值之差在規(guī)定的誤差范圍之內(nèi)，那么將此像素跳過，當兩點H、S、V值相差較大時，標記這些像素。然后將圖像進行二值化處理，即標記的像素的值為1，沒有標記的像素的值為0，再通過形態(tài)學濾波方法(如腐蝕、膨脹)，最終過濾掉多余的雜點得到單一目標的分布區(qū)域。計算出目標面積在每個劃分區(qū)域的百分比，由給出的公共場所的最大容量得出總?cè)藬?shù)，確定開燈數(shù)目所占總數(shù)目的比值。
設(shè)si為在第i區(qū)域圖像中對象的面積，si為圖像中第i區(qū)域的總面積，n為第i區(qū)域的最大容量，N為所求總?cè)藬?shù)，a為需要開的照明燈個數(shù)，A為照明燈總個數(shù)，根據(jù)上文即可得以下算式：
2 實例
本系統(tǒng)適用于較為寬敞的公共場所，如教室、大型會議室、圖書館等。寬敞的環(huán)境一方面為攝像頭提供較為開闊的視野，另一方面可以使光照分布更為均勻，減少光照對圖像的影響。此實例是系統(tǒng)在不同大小教室環(huán)境下的應(yīng)用，主要是對教室的照明燈進行控制以及測定教室內(nèi)的人數(shù)，從而驗證本系統(tǒng)的可行性及準確性。
系統(tǒng)在教室的應(yīng)用，其主要步驟如下：
首先，初始化系統(tǒng)。在人機互動步驟中輸入此場所的類型及場所的最大容量。這時系統(tǒng)會自動采集此時的教室圖像并對其進行處理。需要注意的是，此時要保證教室無人，這樣才能確保系統(tǒng)計算的準確性。這時可得模板圖像，即圖2(a)，然后將教室劃分為9個區(qū)域，如圖2(b)所示。
其次，獲取實時圖像，計算人數(shù)。當有人打開照明燈時，電信號通過S3C2440的外部中斷接口激活系統(tǒng)使其開始工作。這時系統(tǒng)將定時采集教室內(nèi)的實時圖片，并將所采集的圖片進行形態(tài)學的處理，如圖2(c)所示，與模板進行圖形計算得出人數(shù)以及開燈的數(shù)目。
最后，控制照明燈開關(guān)。通過系統(tǒng)得出的教室人數(shù)輸出脈沖信號，信號經(jīng)放大后控制教室開關(guān)。得到需要開燈的個數(shù)之后，將照明燈按規(guī)劃依次打開，這時系統(tǒng)會根據(jù)燈是否開啟的狀態(tài)，依據(jù)一定的時鐘頻率獲取教室實時圖像。當然，當教室照明燈被人為關(guān)閉或系統(tǒng)連續(xù)3次檢測無人后，系統(tǒng)將進入待機狀態(tài)。
系統(tǒng)運行后得出不同情況下教室的總?cè)藬?shù)及教室的開燈數(shù)目。表1給出了系統(tǒng)運行后得到的各種情況下教室的參數(shù)值，從而得出教室的大小以及教室人數(shù)的多少對系統(tǒng)的準確性的影響。從所得誤差可知，雖然圖像在處理時采用了腐蝕、膨脹等方法，但是還是無法消除書包等物品對系統(tǒng)計算的影響，使整個系統(tǒng)測得的人數(shù)偏多。系統(tǒng)基于人性化的設(shè)計，使得開燈數(shù)的比例稍大于測得人數(shù)與教室的最大容量之比，一方面可以滿足國家建筑照明用電的照度標準，另一方面人們會有更多的工作空間。
由表1測得的數(shù)據(jù)可知，教室的大小和人數(shù)的多少對實驗誤差會產(chǎn)生一定的影響。教室越大，人數(shù)測定的誤差就越?。唤淌以叫。鶞y人數(shù)誤差就越大；教室人數(shù)越多，誤差越小(人數(shù)越多，因書本和書包等物體遮擋的面積對總面積的影響越小)。雖然在小教室測定人數(shù)的誤差較大，但誤差均為正值，這會使更多的座位達到滿足工作所需照度的標準，也使工作者能夠選擇更加合適的座位。整個系統(tǒng)具有人性化的優(yōu)點。
經(jīng)調(diào)查本校教室的照明燈每天平均開啟14～15小時，計算得每間小教室耗電大約為18 kWh／天。通過對本校兩間小教室人流量的記錄以及對教室的開燈情況的統(tǒng)計，假設(shè)運用此系統(tǒng)后，上課、自習時間與部分課余時間分別為8小時、4小時與2小時，計算可得每天節(jié)約電能可達35％。以標準教室為例，每天可節(jié)約3．25元，10個月大約可節(jié)省資金975元，而此系統(tǒng)價格較低，成本僅為450～500元，半年就可收回成本。教育部統(tǒng)計，在全國范圍內(nèi)全國約有15萬所中小學和1550多所高校以及大量的圖書館、會議室等。假設(shè)有一部分場所采用此系統(tǒng)，那
么將節(jié)約大量的電能，而產(chǎn)生一度電需要300～400 g煤，從而間接減少二氧化碳的排放。
3 結(jié)論
本系統(tǒng)采用基于ARM9微處理器的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，使節(jié)能系統(tǒng)能夠本地控制，可維護性及穩(wěn)定性較計算機控制都有所提高。本系統(tǒng)不使用傳感器，單純地對圖像進行處理并得出人數(shù)，大大節(jié)約了系統(tǒng)成本。測試結(jié)果與實際結(jié)果的對比驗證了本系統(tǒng)的準確性，為系統(tǒng)的推廣打下基礎(chǔ)。該方法基于顏色空間、顏色匹配等圖像處理技術(shù)，算法簡單，大大縮短了系統(tǒng)的計算時間。由于本系統(tǒng)具有良好的節(jié)能特性和較低的成本等優(yōu)點，所以其推廣對節(jié)能環(huán)保工作的開展有較大的意義。