基于嵌入式系統(tǒng)智能衣柜的研究與設(shè)計(jì)

呂亦斌 程允寧 程方波 丁犇

摘 要 本項(xiàng)目以嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、語音處理技術(shù)和圖像識(shí)別技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出一款能夠?qū)崿F(xiàn)衣柜與人之間互聯(lián)互通的控制系統(tǒng)。在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，科技的飛速發(fā)展將使智能化系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)于智能衣柜的研究，也將在理論上推動(dòng)智能化技術(shù)的發(fā)展，為日后智能衣柜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供一定的理論依據(jù)與實(shí)現(xiàn)。該智能式衣柜，基于嵌入式Lin ux系統(tǒng)開發(fā)，將攝像頭采集到的衣服圖像數(shù)據(jù)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像識(shí)別系統(tǒng)，智能識(shí)別出其所屬類型，并將其按類存儲(chǔ)在系統(tǒng)中，用戶可通過嵌入式用戶界面和安卓APP從衣柜中選取衣物，可實(shí)現(xiàn)衣服智能歸類、取出和放入功能。

關(guān)鍵詞 智能衣柜 嵌入式系統(tǒng) 圖像處理

中圖分類號(hào)：TS664 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2021）06-0010-03

1 研究背景

隨著生活品質(zhì)的不斷提高，人們的生活水平有了很大的提升，每個(gè)家庭中都存放了大量衣服。在日常生活中，由于不同的工作、社交、聚會(huì)場合需要不同的著裝，人們?cè)谶M(jìn)行衣物選擇時(shí)，看到很多的衣物，經(jīng)常令我們不知道該怎么選擇。最后，花費(fèi)了大量時(shí)間選擇衣服而且效果也不理想。當(dāng)人們?cè)谏虉鲑徺I衣服時(shí)，經(jīng)常由于不熟悉家中現(xiàn)有衣物及其衣物搭配情況購買了大量重復(fù)、搭配效果不佳的衣服，買回來就一直閑置，造成不必要的浪費(fèi)。還有，大型商場里面有很多店鋪，衣服的存放問題也一直困擾著商家。商家經(jīng)常存放大量衣物以備不時(shí)之需，但由于空間有限，人們往往都是把衣物一起堆放在一個(gè)存儲(chǔ)室，顯得十分混亂。

雖然傳統(tǒng)的衣柜可以解決存放衣物的問題，但由于衣柜功能單一，衣物大都是疊加在一起或者掛在衣柜內(nèi)，人們查找衣服的時(shí)候比較麻煩，而且衣柜長時(shí)間不通風(fēng)，尤其是南方的潮濕天氣，衣服容易發(fā)霉。對(duì)于有些分高低上下層的衣柜，放、取衣物時(shí)都要借助于小梯子或者椅子，特別是上了歲數(shù)的老年人，拿取衣物增加了危險(xiǎn)系數(shù)。因此，為了解決這些問題，智能化、低成本、多功能的衣柜成為科技發(fā)展的需求，基于物聯(lián)網(wǎng)及電子信息技術(shù)的智能衣柜成為衣柜改革的一個(gè)趨勢(shì)。[1]

2 研究內(nèi)容

本設(shè)計(jì)基于嵌入式Linux系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像識(shí)別系統(tǒng)為核心，構(gòu)建了一個(gè)低成本、體積小、實(shí)用性強(qiáng)的智能衣柜系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)衣架、智能環(huán)境優(yōu)化系統(tǒng)、衣物圖像識(shí)別系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)衣柜的環(huán)境優(yōu)化，用戶可通過嵌入式用戶界面或者手持設(shè)備APP選取衣物，可實(shí)現(xiàn)衣服智能歸類、取出和放入功能。

3 項(xiàng)目技術(shù)可行性分析

3.1 設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要ARM核處理器Cortex-A53架構(gòu)的GEC6818開發(fā)板、STM32F103ZET6最小系統(tǒng)、攝像頭、電機(jī)、E18-D80NK光電開關(guān)傳感器這幾個(gè)功能模塊組成，下面將對(duì)各個(gè)模塊的選用進(jìn)行論證。

對(duì)于應(yīng)用層的人機(jī)交互界面來說，需要在Linux系統(tǒng)下開發(fā)一個(gè)QT人機(jī)交互界面。同時(shí)需要控制攝像頭模塊采集衣服圖像數(shù)據(jù)，因此需要具備較高的數(shù)據(jù)處理和圖像處理能力、支USB2.0接口、支持虛擬內(nèi)存運(yùn)行操作系統(tǒng)。根據(jù)要求，采用基于Cortex-A53架構(gòu)的GEC6818開發(fā)板。GEC6818開發(fā)板能滿足性能要求，并且GEC6818開發(fā)板是基于八核心的Cortex-A53架構(gòu)，可以流暢運(yùn)行多個(gè)線程，反應(yīng)靈敏，有出色的數(shù)據(jù)處理能力。鑒于此，本項(xiàng)目采用GEC6818開發(fā)板作為搭建系統(tǒng)的核心開發(fā)板。[2]

對(duì)于控制底層電路模塊來說，需要控制電機(jī)、繼電器模塊、溫濕度模塊、光電傳感器模塊。對(duì)于性能的要求不用太高，有如下系列的單片機(jī)可供選擇：STC89C52系列、STC12C5A60S2系列、STM32F103系列。由于本系統(tǒng)需要用到電機(jī)模塊，電機(jī)模塊的驅(qū)動(dòng)一般需要用到比較大的電流，要求芯片具有推挽輸出的能力，因此排除STC89C52系列的芯片。此外，還需要輸出PWM波來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，且PWM波的頻率將影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以芯片需要具備精準(zhǔn)控制PWM輸出的能力。經(jīng)過綜合分析，最終決定采用STM32F103ZET6最小系統(tǒng)，因?yàn)槠渚哂休^高的性能和性價(jià)比，具備推挽輸出的能力，輸出的PWM波頻率比較準(zhǔn)確，且易于控制，同時(shí)STM32F103ZET6最小系統(tǒng)具有豐富的GPIO端口，可以滿足多個(gè)模塊的控制。

對(duì)于衣服圖像數(shù)據(jù)采集而言，需要具備至少720P的分辨率和采用USB接口進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄z像頭。由于需要用到圖像識(shí)別技術(shù)，對(duì)照片要求必須清晰完整，所以選擇可以自動(dòng)對(duì)焦的高清攝像頭ONTOP/頂好佳X2s攝像頭，它具有1080P的高清像素，自動(dòng)對(duì)焦靈敏，易于安裝，鏡頭可隨意調(diào)節(jié)位置等優(yōu)點(diǎn)，拍攝的衣服圖片數(shù)據(jù)滿足圖像識(shí)別要求。

對(duì)于電機(jī)而言，主要用于控制衣柜傳動(dòng)履帶的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此需要一定的扭矩。根據(jù)需求，用于控制衣柜傳動(dòng)履帶的電機(jī)模塊有JGB37-545直流電機(jī)和42步進(jìn)電機(jī)兩種選擇。JGB37-545直流電機(jī)操作相對(duì)比較簡單，但是缺點(diǎn)是精度不高，無法精準(zhǔn)控制電機(jī)停止，且轉(zhuǎn)速固定。42步進(jìn)電機(jī)的操作相對(duì)復(fù)雜，需要用到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，采用輸出PWM波的方式來驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度可隨PWM波的頻率變化，好處是能控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢，并且具有較高的精度，能精準(zhǔn)控制電機(jī)停止。因此，最終決定采用42步進(jìn)電機(jī)模塊來控制衣柜的傳動(dòng)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)。[3]

對(duì)于光電傳感器而言，作用是計(jì)算衣柜里面指定的衣服號(hào)數(shù)距離取衣口的相對(duì)位置，用于衣柜里不同衣服的相對(duì)位置不同，但都可以控制電機(jī)精準(zhǔn)的停止。根據(jù)功能要求，我們采用了E18-D80NK關(guān)電開關(guān)傳感器，它具有光線檢測(cè)距離3-60cm可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)衣鉤經(jīng)過關(guān)電開關(guān)傳感器的時(shí)候，它光線就會(huì)被遮擋，輸出產(chǎn)生低電平脈沖，STM32F103ZET6最小系統(tǒng)檢測(cè)到低電平脈沖就會(huì)開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到與接收到的衣服號(hào)數(shù)相等的時(shí)候控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

綜上所述，系統(tǒng)最終由基于Cortex-A53架構(gòu)的GEC68 18開發(fā)板、STM32F103ZET6最小系統(tǒng)、ONTOP/頂好佳X2s攝像頭、42步進(jìn)電機(jī)、E18-D80NK關(guān)電開關(guān)傳感器組成。

3.2 主要智能控制系統(tǒng)的硬件組成

如圖1所示，系統(tǒng)主控模塊MCU由基于Cortex-A53架構(gòu)的S5P6818和STM32F103ZET6最小系統(tǒng)組成，其中S5P6818負(fù)責(zé)控制觸摸屏模塊、攝像頭模塊和WIFI熱點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)組建，負(fù)責(zé)通過串口和STM32F103ZET6最小系統(tǒng)進(jìn)行通信，以傳輸相關(guān)指令，以及和Android手機(jī)APP進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，獲取用戶遠(yuǎn)程發(fā)送的指令。STM32F103ZET6最小系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制電機(jī)模塊和光電開關(guān)模塊，控制它們的轉(zhuǎn)動(dòng)、計(jì)數(shù)和停止。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如圖2所示，當(dāng)系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，將進(jìn)行初始化操作，例如初始化串口、初始化攝像頭、初始化服務(wù)器等，并且會(huì)開啟一個(gè)線程，用于接收Android手機(jī)APP發(fā)送的信息。接著系統(tǒng)開始顯示交互界面，監(jiān)聽用戶的觸摸動(dòng)作，并進(jìn)行分析，然后根據(jù)用戶不同的觸摸行為執(zhí)行相應(yīng)的功能，例如跳轉(zhuǎn)到其他界面、控制步進(jìn)電機(jī)等。[4]

4 研究風(fēng)險(xiǎn)分析及應(yīng)對(duì)措施

4.1 技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)

圖像處理技術(shù)應(yīng)用于智能衣柜屬于首次嘗試，對(duì)于相近衣服的顏色，自動(dòng)識(shí)別上衣、下衣，內(nèi)衣還是外套都是不小的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)圖像分割、圖像處理技術(shù)已經(jīng)無法滿足，是否能找到合適的算法是決定智能拿取衣服的關(guān)鍵，有可能存在技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)策：（1）針對(duì)衣服的特征，使用基于神經(jīng)網(wǎng)深度學(xué)習(xí)的圖像處理算法，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，適用于實(shí)際工程。（2）建立系統(tǒng)模型，盡可能考慮到環(huán)境因素的干擾，提高圖像識(shí)別精確度。（3）項(xiàng)目組研討、分析，集思廣益找到解決問題辦法。

4.2 市場風(fēng)險(xiǎn)

此項(xiàng)目不僅附帶市面上智能衣柜功能，還加入了智能識(shí)別拿取的功能，產(chǎn)品一旦投放，可以減少人們翻找衣服時(shí)間，解放人們雙手，在手持設(shè)備上選擇搭配好的衣服，點(diǎn)擊確定后直接出穿的衣物。當(dāng)然了加入更多的科技含量，成本相應(yīng)增加，投放后，人們能不能接受有一定風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)策：轉(zhuǎn)變?nèi)藗兊挠^念，他們的需求雖說有剛性需求和彈性需求之分，但時(shí)間一久，彈性需求也會(huì)被智能產(chǎn)品的流行帶成剛性需求。

5 總結(jié)

相信隨著時(shí)間的推移，人們逐漸接受智能家居概念和家居理念，更多智能家居產(chǎn)品的出現(xiàn)和優(yōu)化，智能衣柜會(huì)走進(jìn)普遍家庭的家里。同時(shí)我國擁有幾萬個(gè)星級(jí)賓館，數(shù)十萬家各類休閑場所，這些都是智能衣柜的用武之地，而富含科技的家具產(chǎn)品不僅方便快捷，更能吸引消費(fèi)者的眼光，帶來良好的體驗(yàn)感受，因此智能衣柜將具有廣闊的市場前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉芊，李倩，張夢(mèng)新，黃啟俊，常勝，何進(jìn)，王豪.具有復(fù)合型傳感器及無線傳輸功能的智能衣柜[J].電子設(shè)計(jì)工程， 2019（09）：92-96.

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