基于樹莓派的智能鏡子

西北民族大學 趙凌峰 梁毓豪

據(jù)不完全統(tǒng)計，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。在這些零碎的時間里，人們可能會因為整理妝容而錯過重要的消息，智能鏡子恰好解決了這段時間的消息閉塞性，保證了人們能夠隨時接受消息。目前，國內(nèi)的智能鏡子大多都功能單一，且價格較為昂貴，本產(chǎn)品具有多種智能功能，可以在整理妝容的同時，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，從公元前開始的漫長歷史進程中，一直被用來整理妝容，其功能單一。但在當今物聯(lián)網(wǎng)廣泛應用的大背景下，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，還能為使用者提供其他智能功能。同時，智能鏡子作為智能家具的一部分，具有相當大的發(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功能的情況下，新增加了語音交互功能，人臉識別功能，新聞傳達功能等等。

1 系統(tǒng)設計方案

經(jīng)過各階段的全面分析，基于樹莓派的智能鏡子由以下幾個模塊構成。Raspberry Pi 4B模塊，ZEROWH攝像頭模塊，顯示器模塊，原子鏡，麥克風模塊，電源模塊。

該系統(tǒng)大致工作過程為：各模塊逐個啟動之后，顯示器顯示開機動畫，樹莓派在此時間內(nèi)啟動魔鏡系統(tǒng)，并展示在顯示屏上，此時顯示屏已顯示出新聞資訊、生活指數(shù)、天氣情況等信息。當語音模塊檢測到有使用者在說話時，自動檢測并上傳到相應API接口進行識別，并接受返回值，最后通過語音模塊輸出相對應的回答，實現(xiàn)了人機交互功能。天氣情況以及新聞資訊都是調用官方免費API，調取其數(shù)據(jù)，并顯示在顯示屏上。

基于樹莓派的智能鏡子開機流程框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 熱紅外人體感應器

原理：熱紅外人體感應器由透鏡，感光元件，感光電路，機械部分和機械控制部分組成。通過紅外感應部分，在感應器與人體發(fā)生相對位移時，感光元件產(chǎn)生極化壓差，感光電路發(fā)出有人的識別信號，達到探測靜止人體的目的。

當樹莓派檢測到該信號時，表明有人在鏡子前面，此時將屏幕設置為高亮，便于人更好地獲取信息，當人遠離鏡子時，屏幕自動變?yōu)榈土?，在?jié)省電源的同時，保障了鏡子成像的效果。

圖1 基于樹莓派的智能鏡子開機流程框圖

2.2 光照傳感器

原理：光照傳感器運用對弱光有較高反應的探測部件，該部件表面涂有高吸收率的黑色圖層，熱接點在感應面上，而冷接點則位于機體內(nèi)，冷熱接點產(chǎn)生溫差電勢。在線性范圍內(nèi)，輸出信號與太陽輻照度成正比。當有透過濾光片的可見光照射時，高精度光敏二極管會根據(jù)可見光照度大小轉換成電信號，然后電信號進入傳感器的處理器系統(tǒng)，從而輸出需要得到的二進制信號。

當樹莓派檢測到各種不同的光強信號時，會根據(jù)某一特定函數(shù)，計算出對應的屏幕亮度，然后根據(jù)此來調節(jié)屏幕亮度。

2.3 控制器模塊

系統(tǒng)主要控制器采用樹莓派，使用python語言作為編譯語言。樹莓派與常見的51單片機和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，還能運行相應的操作系統(tǒng)，可以完成更為復雜的工作管理及調度。

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

不僅如此，樹莓派的總出貨量已經(jīng)達到1250萬的里程碑，之所以把1250萬作為一個里程碑，是由于這個數(shù)字是此前排在全球計算機平臺第三位的Commodore 64的總銷量，換句話說，樹莓派已成為排在Windows PC和Mac之后的全球第三大計算機平臺。

3 系統(tǒng)實踐目標

3.1 語音交互功能

當感應到有人在傳達命令或者指令時，樹莓派對信號進行預處理后，對特定有效部分進行特征提取，將提取的部分和庫內(nèi)所有特征詞相匹配，最終檢測匹配相應的聲學模型，發(fā)出相應的指令，機器根據(jù)所發(fā)出的指令進行相應的顯示與操作。

3.2 展示生活指數(shù)功能

在樹莓派上安裝Magic mirror2，Magic mirror已經(jīng)經(jīng)過兩代的發(fā)展，可安裝模塊不斷增加。通過這個開源項目即可實現(xiàn)展示生活指數(shù)功能，比如時鐘，日歷，天氣預報，問候語，新聞，日程安排等等，不僅如此，因為其豐富的插件功能，可以自行創(chuàng)造其他插件功能，從而實現(xiàn)插件自定義化。

3.3 人臉識別功能

運用ZEROWH攝像頭模塊，對采集到的含有人臉的圖像或視頻流，自動檢測和跟蹤人臉。對檢測的人臉進行識別和記錄操作，如果所檢測的人臉與庫中包含的人臉相似度大于某一值，即判定為同一人，并允許進行語音交互等功能。流程圖如圖2所示。

圖2 流程圖

3.4 自動調節(jié)屏幕亮度功能

當樹莓派通過光強傳感器檢測到各種不同的光強信號時，會根據(jù)系統(tǒng)的時間檢測函數(shù)和光照調節(jié)函數(shù)，計算出對應的屏幕亮度，然后根據(jù)此來調節(jié)屏幕亮度。從而達到節(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

位于框架兩側的5050 RGB彩色燈帶通過PWM調節(jié)，在相應的條件下改變燈帶的顏色，比如在播放音樂時，燈帶的顏色會隨著節(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)實現(xiàn)原理

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

本系統(tǒng)主體程序框圖如圖3所示。

5 系統(tǒng)測試及結果

系統(tǒng)測試的目的在于判斷預期結果與實際結果是否相符，本文從三方面入手，包括實時語音檢測、初始化狀態(tài)是否正常、人臉識別功能是否正常。最終測試結果如表1所示。

圖3 本系統(tǒng)主體程序框圖

根據(jù)測試結果，本項目實物設計基本符合預期設計目標。

結語：鏡子從古至今功能極其單一，本項目的智能鏡子允許我們將走廊或者浴室的鏡子轉換成個人助理，給予使用者更多的智能體驗。智能鏡子的語音交互功能能實現(xiàn)更加快捷的信息查找，更加醒目的信息提醒，保障使用者及時接受重要的信息，并且通過使用者的使用記錄不斷調整和猜測使用者對各種類型消息的重視程度，從而達到更好地效果體驗。當然，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發(fā)，希望智能鏡子能夠更好的讓人們實現(xiàn)智能化生活。