基于樹(shù)莓派的智能鏡子

西北民族大學(xué) 趙凌峰 梁毓豪

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，女性每天照鏡子的次數(shù)約為23次，男性每天照鏡子的次數(shù)則是16次。在這些零碎的時(shí)間里，人們可能會(huì)因?yàn)檎韸y容而錯(cuò)過(guò)重要的消息，智能鏡子恰好解決了這段時(shí)間的消息閉塞性，保證了人們能夠隨時(shí)接受消息。目前，國(guó)內(nèi)的智能鏡子大多都功能單一，且價(jià)格較為昂貴，本產(chǎn)品具有多種智能功能，可以在整理妝容的同時(shí)，獲取一些新聞資訊、生活指數(shù)、天氣情況等。為使用者節(jié)省更多時(shí)間去完成其他事情。

鏡子這種平凡而又不可或缺的日常小用品，從公元前開(kāi)始的漫長(zhǎng)歷史進(jìn)程中，一直被用來(lái)整理妝容，其功能單一。但在當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用的大背景下，鏡子被賦予了特殊的定義。智能鏡子不僅具備原始鏡子的基本功能，滿足使用者日常的基本需要的同時(shí)，還能為使用者提供其他智能功能。同時(shí)，智能鏡子作為智能家具的一部分，具有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

智能鏡子目前所面臨的困難主要是由于技術(shù)不夠成熟，交互不夠良好，制造成本較高等難題。本產(chǎn)品在保證鏡子的基礎(chǔ)功能的情況下，新增加了語(yǔ)音交互功能，人臉識(shí)別功能，新聞傳達(dá)功能等等。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

經(jīng)過(guò)各階段的全面分析，基于樹(shù)莓派的智能鏡子由以下幾個(gè)模塊構(gòu)成。Raspberry Pi 4B模塊，ZEROWH攝像頭模塊，顯示器模塊，原子鏡，麥克風(fēng)模塊，電源模塊。

該系統(tǒng)大致工作過(guò)程為：各模塊逐個(gè)啟動(dòng)之后，顯示器顯示開(kāi)機(jī)動(dòng)畫(huà)，樹(shù)莓派在此時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)魔鏡系統(tǒng)，并展示在顯示屏上，此時(shí)顯示屏已顯示出新聞資訊、生活指數(shù)、天氣情況等信息。當(dāng)語(yǔ)音模塊檢測(cè)到有使用者在說(shuō)話時(shí)，自動(dòng)檢測(cè)并上傳到相應(yīng)API接口進(jìn)行識(shí)別，并接受返回值，最后通過(guò)語(yǔ)音模塊輸出相對(duì)應(yīng)的回答，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互功能。天氣情況以及新聞資訊都是調(diào)用官方免費(fèi)API，調(diào)取其數(shù)據(jù)，并顯示在顯示屏上。

基于樹(shù)莓派的智能鏡子開(kāi)機(jī)流程框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 熱紅外人體感應(yīng)器

原理：熱紅外人體感應(yīng)器由透鏡，感光元件，感光電路，機(jī)械部分和機(jī)械控制部分組成。通過(guò)紅外感應(yīng)部分，在感應(yīng)器與人體發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，感光元件產(chǎn)生極化壓差，感光電路發(fā)出有人的識(shí)別信號(hào)，達(dá)到探測(cè)靜止人體的目的。

當(dāng)樹(shù)莓派檢測(cè)到該信號(hào)時(shí)，表明有人在鏡子前面，此時(shí)將屏幕設(shè)置為高亮，便于人更好地獲取信息，當(dāng)人遠(yuǎn)離鏡子時(shí)，屏幕自動(dòng)變?yōu)榈土粒诠?jié)省電源的同時(shí)，保障了鏡子成像的效果。

圖1 基于樹(shù)莓派的智能鏡子開(kāi)機(jī)流程框圖

2.2 光照傳感器

原理：光照傳感器運(yùn)用對(duì)弱光有較高反應(yīng)的探測(cè)部件，該部件表面涂有高吸收率的黑色圖層，熱接點(diǎn)在感應(yīng)面上，而冷接點(diǎn)則位于機(jī)體內(nèi)，冷熱接點(diǎn)產(chǎn)生溫差電勢(shì)。在線性范圍內(nèi)，輸出信號(hào)與太陽(yáng)輻照度成正比。當(dāng)有透過(guò)濾光片的可見(jiàn)光照射時(shí)，高精度光敏二極管會(huì)根據(jù)可見(jiàn)光照度大小轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后電信號(hào)進(jìn)入傳感器的處理器系統(tǒng)，從而輸出需要得到的二進(jìn)制信號(hào)。

當(dāng)樹(shù)莓派檢測(cè)到各種不同的光強(qiáng)信號(hào)時(shí)，會(huì)根據(jù)某一特定函數(shù)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的屏幕亮度，然后根據(jù)此來(lái)調(diào)節(jié)屏幕亮度。

2.3 控制器模塊

系統(tǒng)主要控制器采用樹(shù)莓派，使用python語(yǔ)言作為編譯語(yǔ)言。樹(shù)莓派與常見(jiàn)的51單片機(jī)和STM32等這類的嵌入式微控制器相比較而言，不但可以完成相同的IO引腳控制之外，還能運(yùn)行相應(yīng)的操作系統(tǒng)，可以完成更為復(fù)雜的工作管理及調(diào)度。

樹(shù)莓派可以在Windows、Macintosh OS X、Linux三大主流操作系統(tǒng)上運(yùn)行，而其他嵌入式微控制器大多只能在其中一種操作系統(tǒng)上運(yùn)行。樹(shù)莓派在國(guó)內(nèi)外都有這很好的發(fā)展，具有良好的交流環(huán)境，而且樹(shù)莓派的大部分項(xiàng)目都為開(kāi)源項(xiàng)目，允許開(kāi)發(fā)者們進(jìn)行修改和更有創(chuàng)意的改善。

不僅如此，樹(shù)莓派的總出貨量已經(jīng)達(dá)到1250萬(wàn)的里程碑，之所以把1250萬(wàn)作為一個(gè)里程碑，是由于這個(gè)數(shù)字是此前排在全球計(jì)算機(jī)平臺(tái)第三位的Commodore 64的總銷量，換句話說(shuō)，樹(shù)莓派已成為排在Windows PC和Mac之后的全球第三大計(jì)算機(jī)平臺(tái)。

3 系統(tǒng)實(shí)踐目標(biāo)

3.1 語(yǔ)音交互功能

當(dāng)感應(yīng)到有人在傳達(dá)命令或者指令時(shí)，樹(shù)莓派對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后，對(duì)特定有效部分進(jìn)行特征提取，將提取的部分和庫(kù)內(nèi)所有特征詞相匹配，最終檢測(cè)匹配相應(yīng)的聲學(xué)模型，發(fā)出相應(yīng)的指令，機(jī)器根據(jù)所發(fā)出的指令進(jìn)行相應(yīng)的顯示與操作。

3.2 展示生活指數(shù)功能

在樹(shù)莓派上安裝Magic mirror2，Magic mirror已經(jīng)經(jīng)過(guò)兩代的發(fā)展，可安裝模塊不斷增加。通過(guò)這個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目即可實(shí)現(xiàn)展示生活指數(shù)功能，比如時(shí)鐘，日歷，天氣預(yù)報(bào)，問(wèn)候語(yǔ)，新聞，日程安排等等，不僅如此，因?yàn)槠湄S富的插件功能，可以自行創(chuàng)造其他插件功能，從而實(shí)現(xiàn)插件自定義化。

3.3 人臉識(shí)別功能

運(yùn)用ZEROWH攝像頭模塊，對(duì)采集到的含有人臉的圖像或視頻流，自動(dòng)檢測(cè)和跟蹤人臉。對(duì)檢測(cè)的人臉進(jìn)行識(shí)別和記錄操作，如果所檢測(cè)的人臉與庫(kù)中包含的人臉相似度大于某一值，即判定為同一人，并允許進(jìn)行語(yǔ)音交互等功能。流程圖如圖2所示。

圖2 流程圖

3.4 自動(dòng)調(diào)節(jié)屏幕亮度功能

當(dāng)樹(shù)莓派通過(guò)光強(qiáng)傳感器檢測(cè)到各種不同的光強(qiáng)信號(hào)時(shí)，會(huì)根據(jù)系統(tǒng)的時(shí)間檢測(cè)函數(shù)和光照調(diào)節(jié)函數(shù)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的屏幕亮度，然后根據(jù)此來(lái)調(diào)節(jié)屏幕亮度。從而達(dá)到節(jié)能的效果。另外，使用者也可以根據(jù)自己的喜好更改屏幕亮度。

3.5 呼吸燈功能

位于框架兩側(cè)的5050 RGB彩色燈帶通過(guò)PWM調(diào)節(jié)，在相應(yīng)的條件下改變燈帶的顏色，比如在播放音樂(lè)時(shí)，燈帶的顏色會(huì)隨著節(jié)奏的改變而改變，滿足使用者在各種情況下的燈光要求。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

基于樹(shù)莓派的智能鏡子以樹(shù)莓派為控制器，由于該系統(tǒng)需要分別給顯示器及樹(shù)莓派供電，需要兩種供電源，分別為220V及5V。當(dāng)該系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，樹(shù)莓派首先連上WIFI保證其能夠獲取新聞資訊以及天氣等消息。當(dāng)使用者靠近智能鏡子時(shí)，啟動(dòng)人臉識(shí)別功能，若驗(yàn)證成功則顯示問(wèn)候語(yǔ)，并可以進(jìn)行語(yǔ)音交互功能。

本系統(tǒng)主體程序框圖如圖3所示。

5 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果

系統(tǒng)測(cè)試的目的在于判斷預(yù)期結(jié)果與實(shí)際結(jié)果是否相符，本文從三方面入手，包括實(shí)時(shí)語(yǔ)音檢測(cè)、初始化狀態(tài)是否正常、人臉識(shí)別功能是否正常。最終測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖3 本系統(tǒng)主體程序框圖

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，本項(xiàng)目實(shí)物設(shè)計(jì)基本符合預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

結(jié)語(yǔ)：鏡子從古至今功能極其單一，本項(xiàng)目的智能鏡子允許我們將走廊或者浴室的鏡子轉(zhuǎn)換成個(gè)人助理，給予使用者更多的智能體驗(yàn)。智能鏡子的語(yǔ)音交互功能能實(shí)現(xiàn)更加快捷的信息查找，更加醒目的信息提醒，保障使用者及時(shí)接受重要的信息，并且通過(guò)使用者的使用記錄不斷調(diào)整和猜測(cè)使用者對(duì)各種類型消息的重視程度，從而達(dá)到更好地效果體驗(yàn)。當(dāng)然，目前也只是初期發(fā)展階段，還有許多未知的功能等待著我們的開(kāi)發(fā)，希望智能鏡子能夠更好的讓人們實(shí)現(xiàn)智能化生活。