基于ARM的信手拈影智能抽紙盒設計

魯嵐 高玉超 宋卓倫 吳韶波

摘要：本項目設計實現的智能抽紙盒，將物聯網技術引入智能家居應用，引入語音互動，實現一體化。攝像頭自動識別跟蹤、獨立拍照、制作小視頻，本地隨時查看，數據也可以及時通過藍牙與手機端連接。傳感器收集信息，經分析后不僅顯示而且做出智能語音提示。經樣機試驗測試，達到基本功能要求。

關鍵詞：物聯網；樹莓派；手機APP；藍牙

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）09-0251-03

1 引言

物聯網通過各種信息傳感設備，實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程，方便識別、管理和控制。通過傳感網絡，可以采集所需的信息，用戶在實踐中可運用相關的傳感器等采集其所需的數據信息，利用藍牙等技術實現與傳感器網關有效通信的目的。智能家居通過物聯網技術將家中的各種設備連接到一起，提供全方位的信息交互功能，產品以實用性、易用性和人性化為主，為人們提供一個舒適、安全、方便和高效的生活環境。本項目作為大學生科技創新項目，旨在通過一個小小的抽紙盒，不僅能夠檢測環境、語音互動，更能夠制作照片或小視頻記錄主人每天的變化，留下美好的記憶。

2 系統方案

2.1 功能要求

本項目基于ARM設計信手拈影智能抽紙盒，從生活常用品抽紙盒入手，通過連接傳感器、攝像頭、手機移動端等功能提高使用者生活品質，重新定義抽紙這一充滿生活氣息的行為，開創新的健康模式。包括以下功能：

1.利用紅外對射傳感器檢測抽紙頻率；

2.人體紅外傳感器檢測是否有人體接近；

3.溫濕度傳感器檢測空氣質量；

4.利用Pi相機收集照片或視頻信息，利用藍牙技術完成抽紙盒與手機間的信息傳送；

5.拍照信息可在樹莓派顯示屏上顯示也能及時傳送到手機，方便備份照片和放映，以及電子相冊的推送。

6.學習時開啟監督功能，利用藍牙防丟功能監控抽紙盒與手機的距離，一旦手機離開抽紙盒一定距離和時間，則認為主人在玩手機，從而進行提醒。

2.2 硬件設計

基于上述功能要求進行系統設計，將物聯網技術引入抽紙盒的智能化應用。硬件設計框圖如圖1所示。

圖1中可見，傳感器使用了紅外對射、溫濕度、人體紅外感應、攝像頭等，通信方式采用藍牙技術，處理器采用樹莓派，輸出設備為音響、顯示屏、手機終端等。

傳感器指標要求：DHT11溫濕度傳感器測量范圍 20-90%RH 0-50℃，測試精度±5%RH，測溫精度±2℃，性能指標見表1。HC-SR501人體感應傳感器延時時間8-200S（可調），感應角度<100 度錐角，感應半徑0-7米，性能指標見表2。Pi相機像素720*396。共陽4位數碼管。

2.3 軟件設計

本項目系統的軟件部分包括傳感數據庫、計算功能、數據傳輸、服務功能、界面設計等部分。其中，數據庫用于存儲不同的環境數據；計算功能用于統計平均每天抽紙頻率和參數；數據傳輸使用藍牙將安卓手機與樹莓派配對連接，實現無線傳輸協議，傳輸數據；服務功能則用于增強用戶體驗，顯示傳感器的溫濕度信息，語音識別執行搜索任務；娛樂功能則是顯示由樹莓派拍攝的照片，并制作成視頻播放；界面設計方便用戶進行多界面風格選擇。利用藍牙放丟功能，開啟該功能后若藍牙與手機超過一定距離則震動報警，提示用戶不要玩手機。

軟件模塊設計見圖2。

3 功能測試

3.1 硬件部分

圖3為硬件集成后的智能抽紙盒。應用到了樹莓派Model B相關組件、7存觸摸屏、DHT11溫濕度傳感器、HC-SR501人體感應傳感器、4位數碼管和音響等。

溫濕度傳感器和人體紅外傳感器連接到樹莓派后將傳感信息保存到本地，再經藍牙將各參數傳輸到手機APP。經編程處理后，連接樹莓派的傳感器與安卓手機部分傳感器將時時測量的數據整理呈現在用戶面前。當對手紙進行抽取，紅外對射傳感器采集到遮擋信息并送至樹莓派轉換成數字編碼，經藍牙將數據與手機連接并接收。

3.2 軟件部分

軟件設計中應用了Arduino 平臺和App Inventor平臺 。Arduino 平臺的程序可以劃分為三個主要部分：結構、變量（變量與常量）、函數構建于開放原始碼simple I/O界面版，并且具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發環境。硬件部分是樹莓派，及各種接口連接傳感器及輸入輸出設備。Google App Inventor是一個完全在線開發的Android編程環境，采用Java語言。

圖4為APP界面。

樹莓派與手機綁定，兩者之間通過藍牙模塊傳遞信息。各傳感信息可通過命令行在樹莓派中查詢，也可經手機進行查詢。手機上點擊相應按鈕即可計算得到健康和環境信息，操作方便。樹莓派上連接音響，可觀看伴隨音樂的電子相冊。手機上通過文字或圖片標記照片作為備注。當手機與抽紙盒相距超過一定距離會向手機發送警告，提醒用戶不要玩手機。手機APP還可向用戶推薦天氣信息和溫馨提示。

APP界面信息包括：

（1）顯示時間。顯示當前時間，如“更新時間 16：10：49”。

（2）保存數字與備注信息。點擊任意“顯示”按鈕，該信息同時會被存儲到本地。

（3）連接藍牙報錯與顯示。點擊“搜索藍牙”按鈕開啟連接藍牙，若成功會顯示“已搜索到藍牙”及“已連接”，若失敗會顯示“未搜索到藍牙”及“連接失敗”。

（4）照片的顯示。Pi相機的照片可通過藍牙傳至手機，并顯示在該按鈕下方。同時開始播放背景音樂，點擊下方“關閉音樂”按鈕即可暫停。

（5）位置的確定。點擊“顯示位置”按鈕，顯示當前位置的經緯度。

（6）地圖的確定。啟動APP后則自動定位GPS當前位置，并顯示地圖。

（7）溫馨提示。點擊“下一頁”按鈕進入屏幕2，顯示健康提示并語音播報。

（8）抽紙頻率評估。點擊“頻率檢測”按鈕顯示每24小時抽紙次數，判斷健康等級。

（9）環境監測。點擊“溫度檢測”按鈕和“濕度檢測”按鈕，則顯示響應參數與等級。

（10）語音識別。點擊“語音識別”按鈕開始說話，搜索命令并執行，在文本框顯示回答。

（11）觀看照片集。點擊“播放視頻”按鈕開始瀏覽視頻并播放背景音樂，點擊“暫停”按鈕則暫停播放。

（12）防丟功能的開啟與關閉。開啟防丟功能后，若藍牙與手機超過一定距離則震動報警，關閉后則不予判斷。

4 結論

本設計是一項基于物聯網技術發展出現的智能產品，能夠實現實時獲取環境信息、在線更新實時數據，并且具有便于攜帶和使用的優點。使用時只需打開樹莓派和手機APP，小孩子和老人可以輕松掌握。智能抽紙盒產品功能豐富，加入了更多人性化設計，兼具實用性與娛樂性，有一定實用價值，帶給我們更高的生活品質和享受科技產品的帶來的愉悅。

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【通聯編輯：梁書】