基于ARM的信手拈影智能抽纸盒设计

鲁岚 高玉超 宋卓伦 吴韶波

摘要：本项目设计实现的智能抽纸盒，将物联网技术引入智能家居应用，引入语音互动，实现一体化。摄像头自动识别跟踪、独立拍照、制作小视频，本地随时查看，数据也可以及时通过蓝牙与手机端连接。传感器收集信息，经分析后不仅显示而且做出智能语音提示。经样机试验测试，达到基本功能要求。

关键词：物联网；树莓派；手机APP；蓝牙

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）09-0251-03

1 引言

物联网通过各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，方便识别、管理和控制。通过传感网络，可以采集所需的信息，用户在实践中可运用相关的传感器等采集其所需的数据信息，利用蓝牙等技术实现与传感器网关有效通信的目的。智能家居通过物联网技术将家中的各种设备连接到一起，提供全方位的信息交互功能，产品以实用性、易用性和人性化为主，为人们提供一个舒适、安全、方便和高效的生活环境。本项目作为大学生科技创新项目，旨在通过一个小小的抽纸盒，不仅能够检测环境、语音互动，更能够制作照片或小视频记录主人每天的变化，留下美好的记忆。

2 系统方案

2.1 功能要求

本项目基于ARM设计信手拈影智能抽纸盒，从生活常用品抽纸盒入手，通过连接传感器、摄像头、手机移动端等功能提高使用者生活品质，重新定义抽纸这一充满生活气息的行为，开创新的健康模式。包括以下功能：

1.利用红外对射传感器检测抽纸频率；

2.人体红外传感器检测是否有人体接近；

3.温湿度传感器检测空气质量；

4.利用Pi相机收集照片或视频信息，利用蓝牙技术完成抽纸盒与手机间的信息传送；

5.拍照信息可在树莓派显示屏上显示也能及时传送到手机，方便备份照片和放映，以及电子相册的推送。

6.学习时开启监督功能，利用蓝牙防丢功能监控抽纸盒与手机的距离，一旦手机离开抽纸盒一定距离和时间，则认为主人在玩手机，从而进行提醒。

2.2 硬件设计

基于上述功能要求进行系统设计，将物联网技术引入抽纸盒的智能化应用。硬件设计框图如图1所示。

图1中可见，传感器使用了红外对射、温湿度、人体红外感应、摄像头等，通信方式采用蓝牙技术，处理器采用树莓派，输出设备为音响、显示屏、手机终端等。

传感器指标要求：DHT11温湿度传感器测量范围 20-90%RH 0-50℃，测试精度±5%RH，测温精度±2℃，性能指标见表1。HC-SR501人体感应传感器延时时间8-200S（可调），感应角度<100 度锥角，感应半径0-7米，性能指标见表2。Pi相机像素720*396。共阳4位数码管。

2.3 软件设计

本项目系统的软件部分包括传感数据库、计算功能、数据传输、服务功能、界面设计等部分。其中，数据库用于存储不同的环境数据；计算功能用于统计平均每天抽纸频率和参数；数据传输使用蓝牙将安卓手机与树莓派配对连接，实现无线传输协议，传输数据；服务功能则用于增强用户体验，显示传感器的温湿度信息，语音识别执行搜索任务；娱乐功能则是显示由树莓派拍摄的照片，并制作成视频播放；界面设计方便用户进行多界面风格选择。利用蓝牙放丢功能，开启该功能后若蓝牙与手机超过一定距离则震动报警，提示用户不要玩手机。

软件模块设计见图2。

3 功能测试

3.1 硬件部分

图3为硬件集成后的智能抽纸盒。应用到了树莓派Model B相关组件、7存触摸屏、DHT11温湿度传感器、HC-SR501人体感应传感器、4位数码管和音响等。

温湿度传感器和人体红外传感器连接到树莓派后将传感信息保存到本地，再经蓝牙将各参数传输到手机APP。经编程处理后，连接树莓派的传感器与安卓手机部分传感器将时时测量的数据整理呈现在用户面前。当对手纸进行抽取，红外对射传感器采集到遮挡信息并送至树莓派转换成数字编码，经蓝牙将数据与手机连接并接收。

3.2 软件部分

软件设计中应用了Arduino 平台和App Inventor平台 。Arduino 平台的程序可以划分为三个主要部分：结构、变量（变量与常量）、函数构建于开放原始码simple I/O界面版，并且具有使用类似Java、C语言的Processing/Wiring开发环境。硬件部分是树莓派，及各种接口连接传感器及输入输出设备。Google App Inventor是一个完全在线开发的Android编程环境，采用Java语言。

图4为APP界面。

树莓派与手机绑定，两者之间通过蓝牙模块传递信息。各传感信息可通过命令行在树莓派中查询，也可经手机进行查询。手机上点击相应按钮即可计算得到健康和环境信息，操作方便。树莓派上连接音响，可观看伴随音乐的电子相册。手机上通过文字或图片标记照片作为备注。当手机与抽纸盒相距超过一定距离会向手机发送警告，提醒用户不要玩手机。手机APP还可向用户推荐天气信息和温馨提示。

APP界面信息包括：

（1）显示时间。显示当前时间，如“更新时间 16：10：49”。

（2）保存数字与备注信息。点击任意“显示”按钮，该信息同时会被存储到本地。

（3）连接蓝牙报错与显示。点击“搜索蓝牙”按钮开启连接蓝牙，若成功会显示“已搜索到蓝牙”及“已连接”，若失败会显示“未搜索到蓝牙”及“连接失败”。

（4）照片的显示。Pi相机的照片可通过蓝牙传至手机，并显示在该按钮下方。同时开始播放背景音乐，点击下方“关闭音乐”按钮即可暂停。

（5）位置的确定。点击“显示位置”按钮，显示当前位置的经纬度。

（6）地图的确定。启动APP后则自动定位GPS当前位置，并显示地图。

（7）温馨提示。点击“下一页”按钮进入屏幕2，显示健康提示并语音播报。

（8）抽纸频率评估。点击“频率检测”按钮显示每24小时抽纸次数，判断健康等级。

（9）环境监测。点击“温度检测”按钮和“湿度检测”按钮，则显示响应参数与等级。

（10）语音识别。点击“语音识别”按钮开始说话，搜索命令并执行，在文本框显示回答。

（11）觀看照片集。点击“播放视频”按钮开始浏览视频并播放背景音乐，点击“暂停”按钮则暂停播放。

（12）防丢功能的开启与关闭。开启防丢功能后，若蓝牙与手机超过一定距离则震动报警，关闭后则不予判断。

4 结论

本设计是一项基于物联网技术发展出现的智能产品，能够实现实时获取环境信息、在线更新实时数据，并且具有便于携带和使用的优点。使用时只需打开树莓派和手机APP，小孩子和老人可以轻松掌握。智能抽纸盒产品功能丰富，加入了更多人性化设计，兼具实用性与娱乐性，有一定实用价值，带给我们更高的生活品质和享受科技产品的带来的愉悦。

参考文献：

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[2] 吴波涛，孟晓静，孔金平.基于开源硬件的环境监测系统的设计与实现[J].电子设计工程，2017（14）：167-171.

[3] 郝林讳，梁颖.基于树莓派+云服务器的网络监控及家居控制系统的研究与实际应[J].物联网技术，2016.

【通联编辑：梁书】