唐雅琪 谷兆麟 秦浩 朱木清
天津职业技术师范大学 信息技术工程学院 天津市 300222
摘要：当前全国儿童青少年近视率超半成且持续增加，用眼健康的任务迫在眉睫，为了适应国家需求，我们设计了这样一套基于机器视觉的智能灯光调控平台，该平台依托人工智能技术，结合物联网设备以及自研智能座位算法实现校园，智能灯光，物联网平台三位一体，综合服务智慧校园灯光调控，提升光照质量，降低用眼疲劳，提升学生视力。同时该灯光调节具备自动调节功能设置，符合可持续发展战略，环保节能。
关键词：人脸识别，智能座位，智能灯光，智慧校园，环保节能
一、方案概述
1.研究意义
我们提出基于机器视觉的灯光调控平台（以下简称灯光平台），是为了在符合当前国家发展的迫切需求下，解决这一难题。我们知道视力疲劳是儿童青少年近视的一大主要成因，而环境中光照强度对长时间持续用眼人来说是显得极其重要，这点学生都明白一个舒适的光照下看书是相对轻松许多的，太亮或者太暗的环境下持续用眼危害是极其大的。尽管我们知道这个现实问题，但是目前仍未能有多少行之有效的方法去改善这一情况。但是，我们的灯光平台却具有一套智慧的系统和智慧的眼睛，能够识别，分析和处理相应的问题，解决实时灯光调控功能。
2.作品的创新点
2.1理念创新
我们主打智慧校园——智能灯光这一概念，校园的灯光应当时学生的另外一双眼睛，它需要更佳的智慧，更多的可靠，更有效的功能。当前全国儿童青少年视力都在快速下降的时候，需要我们这样能及时给与最大程度缓解视疲劳的灯光系统，让校园多一些智慧的光芒。
2.2设计创新
客户端设备设计上采用前后端分离架构，设备一机一码，随用随生成，安全可靠。
智能的座位系统可以有效的解决班级人员座位安排，同时也能更好的服务智能灯光系统。
智能灯光系统则是结合了基于机器视觉的人脸识别技术，同时能分析出大环境的综合情况，以此实时控制和调节灯光。
信息采集及加密，对每位用户的信息我们采集采用用户自行使用web网页程序进行上传跟人信息，云端服务器会为每位用户加密数据，确保信息安全。
灯光设备设计上采用树莓派作为客户端主控制设备并且可以自由扩展，同时结合可编程继电器模组，以及可编程树莓派摄像头和光源采用优质led光源，可以自行拆解组装，低耦合是它的基础属性，同时做到足够的低成本。
2.3 技术创新
云服务器和微服务架构，项目依托于互联网热门新型技术，采用螺旋模型设计的方式，基于maven构架基础微服务项目，低耦合，高内聚，方便后期的项目的更新迭代。
结合人脸识别技术的实现，完善智能灯光，不仅能分析出大环境内的光照数据，还能识别小范围，甚至个体用户的光照需求，综合考量，完成智能灯光系统。
智能座位，依托大数据技术，充分结合学生个体需求及班级总体需求，依托大数据结果和实际环境需求，设计座位分配调节系统，并且每位用户均可收到推送。
二、系统实现原理
前端与客户端服务器融为一体，基于vue3设计，UI参考饿了么团队UI设计，使用axios设置跨域请求，使用nginx 反向代理后端服务器。前后端跨域请求时使用jwt进行跨域验证token。解决服务器用户验证压力。
云服务器基于maven设计，数据库持久层使用spring data JPA和redis等实现，利用redis做数据缓存处理，mysql服务作为磁盘存储落盘。所有资源同期备份至百度云对象存储BOS，同时使用CDN加速静态及大型资源访问速度，用户短信验证信息使用阿里云基于RabbitMQ设计短信验证码服务。最终当服务器处理完的数据会通过反向代理的nginx服务器返回前端用户，完成交互。
三、硬件设计
3.1基本组件
由树莓派做为客户端的主控制器，同时使用可编程多模继电器模组通过树莓派的GPIO，这里是基于GPIO自身座位端口扩展器时，它内置的高分辨率PWM输出可以实现非常灵活的灯光控制和更好的灯光效果。实现微电路开关控制功能。多模继电器模组另外一端设计为普通双头即零火线接法，可以接入教室内普通的220v交流电源进行供电。主控制器同时具备无线，有线和USB摄像头连接口，方便横向扩展，本实验采用有线摄像头连接，无需给摄像头外接电源。继电器模组外连接LED节能灯源（符合国家安全标准），通过主控制器的电路信号进行控制开关和灯光调节。以上是基本的灯光控制硬件控制构造。
3.2控制过程
用户操作客户端web程序后，后台云服务器发送对应处理信息，有前台客户端解析成脚本数据，转发给本地控制器，启动已经设计好的python脚本，会通过GPIO发送弱设计好对应的电流信号，进行继电器模组的快速调控，从而控制最普通的lED灯。
四、软件设计
设计的前端页面和客户端服务器为一体，用户只需访问对应的网页地址即可使用该程序。用户进入网站，只需输入手机号，获取验证码即可登录，云服务的主要功能分为三个模块：
用户系统：该功能提供基础操作功能服务包括用户注册登录，信息更新，班级管理等功能。
智能座位系统：依托于大量数据实验设计算法，综合个体班级内学生信息和需求分析，设计班级座位分布情况表，推荐给师生用户，从而也是为智能灯光调节提供服务，方便灯光调节适合跟家适合学生。
智能灯光系统： 该设计基于人工智能——人脸识别技术，分析班级内环境关照，学生用户信息，学生即时接受的光照情况综合分析，调控灯光。
五、部分成果展示
5.1部分前端页面图
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六、主要参考文献：
[1].Computer?networking?a?top-down?approach?seventh?edition?
[美].James?f.Kurose?Keith?w.ross
[2].Computer?organization?and?design?Fifth?edition??
[美]?David??A.?Patterson?John?I.Hennessy
[3].Core?java?volume?I-fundamentals??10th?edition??
[美]???Cay??S.?Horstmann
[4].Computer?vision?models,learning,?and?inference?
[英]???Simon?J.?D.??Prince
[5]田娟娟. 视频中行人检测与跟踪方法研究[D].西安理工大学,2018.
[6]吴俊雄.人工智能中图像识别技术的发展与应用研究[J].信息与电脑(理论版),2020,32(04):137-139.
[7]兑紫璇.计算机视觉领域研究热点与前沿分析[J].电脑知识与技术,2020,16(08):216-218.