基于ZigBee和人脸检测的灯光控制系统

郑文楷 谭柏鸿 林晓虹 江梓鸿 杨铭皓

摘  要：随着人们对绿色节能生活高质量的追求，智慧城市逐渐发展兴起。人们对建筑节能环保的设计要求在不断提高。而建筑照明是建筑耗能的主要指标之一，因此人们对其节能性要求也越来越高。随着智慧城市的建设与发展，对建筑节能环保的设计要求也越来越高。建筑照明作为建筑耗能的主要部分之一，对其节能性也提出了较高要求。本项目设计了一套基于ZigBee 和人脸识别的灯光控制系统，该系统充分利用了ZigBee、人脸检测等技术，可以对室内的灯光进行分区域控制，从而达到节约用电的效果。

关键词：灯光控制;ZigBee;人脸检测;分区检测

中图分类号：TP272 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）01-0043-03

Lighting Control System Based on ZigBee and Face Detection

ZHENG Wenkai，TAN Baihong，LIN Xiaohong，JIANG Zihong，YANG Minghao

（South China Agricultural University，Guangzhou  510642，China）

Abstract：With the pursuit of green energy saving and high quality of life，smart cities are developing gradually. People’s design requirements for building energy conservation and environmental protection are constantly improving. Building lighting is one of the main indicators of building energy consumption，so people are increasingly demanding for its energy-saving. With the construction and development of smart city，the design requirements for building energy conservation and environmental protection are getting higher and higher. As one of the main parts of building energy consumption，building lighting also requires higher energy efficiency. This project designs a lighting control system based on ZigBee and face recognition. The system makes full use of ZigBee and face detection technology，and can control indoor lighting in different areas，so as to save electricity.

Keywords：lighting control;ZigBee;face detection;zone detection

0  引  言

近年來随着高校的办学规模不断地扩大，教学场所也在有计划地进行扩建，纵观各高校的教室、自习室、实验室等场所，不难发现高校中教室、自习室、实验室相对分散，且学生们出入教室是随机事件，因此如何有效管理教学场所的灯光照明系统便成为一大难题。实际调查发现，大多数高校以人工管理为主，每栋教学楼由固定的工作人员对教室的灯光进行人工手动控制，这样的管理方式不仅成本较高，而且相对麻烦。由此可见按照传统方式控制灯光照明系统难以实现节能的最大化，未来智能调光控制系统必将成为灯光控制发展的主流。

目前市面上较流行的智能灯光控制系统主要分为以下两种类型。一种是在室内的每个座位下安装压力传感器，当有人坐下时，传感器传递信息，相应处理器进行记录和统计。但这种方法过于复杂，成本太高，且容易遭到破坏。另一种是在室内安装红外热释传感器，当感应到室内有人时，则开启灯源，当感应到室内没有人时，则关闭灯源。但其系统的稳定性和准确性不足，该系统只能感应到移动的人体;容易受热源、光源和磁场的干扰;且当环境温度和人体温度接近时，灵敏度下降明显。

在此基础上，本系统设计了一套基于ZigBee和人脸识别的灯光控制系统，该系统充分利用ZigBee和人脸检测等技术，对室内的灯光进行分区域控制。本系统是一个智能服务体系，既能够很好地解决教室空亮灯的普遍现象，又可以智能调节灯光亮度，减少能耗。

1  系统介绍

通过设计一套动态视频的多人脸检测算法对室内人数进行统计以及通过光敏检测模块检测区域环境的光照强度。采用ZigBee模块进行数据的传输，满足实际应用中需要多个节点同时运行以及节点之间互不干扰的需求，同时有低功耗，自组网的优点。通过服务器对接收到的信息进行整合分析，并将所得结果发送给灯光控制模块，通过Arduino控制灯光的亮度以及通断。

2  系统工作原理

设计一个基于ZigBee和人脸检测的灯光控制系统。通过利用单片机体积小、质量轻、价格便宜的特点，为应用和开发系统提供便利条件。在以51单片机为基础的嵌入式系统中，所使用的前后台系统一般都比较简单，在超级循环当中进行一定次序的任务调用，能够实现更加方便的处理。

ZigBee通信技术在物联网上的应用优势明显。ZigBee相比较于WIFI和蓝牙，有以下特点：使用简便、安装方便、自主组网和自行安装;容易扩展为大规模网络，支持数千个以上的设备组网;长效电池寿命并支持多种供电方式;抗干扰性强、稳定性高;数据完全有保障。使用频段为2.4GHz，868MHz及915MHz，均为免执照频段。相比较于WIFI和蓝牙，ZigBee的覆盖范围和移动性更强。

人脸检测的基本方法是在知识和统计的基础上对人脸进行建模，通过比较所有可能的待检测区域与人脸模型的匹配度，从而判断出存在人脸的区域。

3  系统设计

3.1  整体装置

灯光控制系统通过视频监控进行人脸检测，分区域检测区域内是否有人，通过光敏检测模块采集环境光照强度，判断是否应当开灯以及灯的亮度。当系统检测到人，且环境亮度达到预设值时，灯光启动系统便会立刻开启，紧接着根据外部环境来调节灯的亮暗程度。假如环境亮度并未达到预设值，灯光启动系统不会开启;当没有检测到人出现时，无论外部亮度有多小，灯光启动系统也不会开启。整体装置示意图如图1所示。

3.2  模块设计

3.2.1  光敏检测模块

光敏检测模块如图2所示。

光敏检测模块的核心是光敏电阻，主要利用光敏电阻随着光照强度变化其阻值发生变化的特性。随着光照强度的变化，光敏电阻的阻值和电阻分压压值会随之发生变化，进而调制输出光敏信号交由Arduino Pro Mini模块做进一步处理。

3.2.2  Arduino Pro Mini模块

Arduino ProMini模块是Arduino Mini的半定制版本，是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。Arduino Pro Mini模块能通过各种各样的传感器来感知环境，并对接收的信号进行处理和反应。Arduino Pro Mini模块如图3所示。

3.2.3  STC89C52模块

STC89C52模块引脚图如图4所示。

STC89C52RC是一种带8K字节可编程可擦除只读存储器的CMOS8的微控制器，其具有高性能，低功耗的特点。在单芯片上，拥有系统可编程Flash和8位CPU，可以为嵌入式控制应用系统提供灵活且有效的解决方案。

3.2.4  ZigBee模块

ZigBee是一种基于标准的远程监控、控制和传感器网络应用技术。ZigBee具有以下几个特点，数据传输速率低：10Kb/s～250Kb/s，专注于低速率传输应用;功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6～24个月;成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本;网络容量大：网络可容纳65，000个设备，可用来实现模块间的无线通信。ZigBee模块连接如图5所示。

4  结  论

社会各界越来越重视物联网技术带给生活的智慧与便捷，传统教室存在诸多不便，未实现管理智能化，资源浪费严重。本文设计并实现了一个基于ZigBee和人脸检测的灯光控制系统，符合社会主流需求，以绿色环保、节约资源为目标，旨在方便用户生活和减少浪费，力求为用户营造一个舒适休闲的生活环境。本系统应用于公共室内环境时无需对线路进行改装，又可调用原有视频监控，大大降低成本。体现了安装便捷、成本低廉和系统可靠的特点，有一定的实用价值。

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