基于树莓派的智能镜子

西北民族大学 赵凌峰 梁毓豪

据不完全统计，女性每天照镜子的次数约为23次，男性每天照镜子的次数则是16次。在这些零碎的时间里，人们可能会因为整理妆容而错过重要的消息，智能镜子恰好解决了这段时间的消息闭塞性，保证了人们能够随时接受消息。目前，国内的智能镜子大多都功能单一，且价格较为昂贵，本产品具有多种智能功能，可以在整理妆容的同时，获取一些新闻资讯、生活指数、天气情况等。为使用者节省更多时间去完成其他事情。

镜子这种平凡而又不可或缺的日常小用品，从公元前开始的漫长历史进程中，一直被用来整理妆容，其功能单一。但在当今物联网广泛应用的大背景下，镜子被赋予了特殊的定义。智能镜子不仅具备原始镜子的基本功能，满足使用者日常的基本需要的同时，还能为使用者提供其他智能功能。同时，智能镜子作为智能家具的一部分，具有相当大的发展潜力。

智能镜子目前所面临的困难主要是由于技术不够成熟，交互不够良好，制造成本较高等难题。本产品在保证镜子的基础功能的情况下，新增加了语音交互功能，人脸识别功能，新闻传达功能等等。

1 系统设计方案

经过各阶段的全面分析，基于树莓派的智能镜子由以下几个模块构成。Raspberry Pi 4B模块，ZEROWH摄像头模块，显示器模块，原子镜，麦克风模块，电源模块。

该系统大致工作过程为：各模块逐个启动之后，显示器显示开机动画，树莓派在此时间内启动魔镜系统，并展示在显示屏上，此时显示屏已显示出新闻资讯、生活指数、天气情况等信息。当语音模块检测到有使用者在说话时，自动检测并上传到相应API接口进行识别，并接受返回值，最后通过语音模块输出相对应的回答，实现了人机交互功能。天气情况以及新闻资讯都是调用官方免费API，调取其数据，并显示在显示屏上。

基于树莓派的智能镜子开机流程框图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 热红外人体感应器

原理：热红外人体感应器由透镜，感光元件，感光电路，机械部分和机械控制部分组成。通过红外感应部分，在感应器与人体发生相对位移时，感光元件产生极化压差，感光电路发出有人的识别信号，达到探测静止人体的目的。

当树莓派检测到该信号时，表明有人在镜子前面，此时将屏幕设置为高亮，便于人更好地获取信息，当人远离镜子时，屏幕自动变为低亮，在节省电源的同时，保障了镜子成像的效果。

图1 基于树莓派的智能镜子开机流程框图

2.2 光照传感器

原理：光照传感器运用对弱光有较高反应的探测部件，该部件表面涂有高吸收率的黑色图层，热接点在感应面上，而冷接点则位于机体内，冷热接点产生温差电势。在线性范围内，输出信号与太阳辐照度成正比。当有透过滤光片的可见光照射时，高精度光敏二极管会根据可见光照度大小转换成电信号，然后电信号进入传感器的处理器系统，从而输出需要得到的二进制信号。

当树莓派检测到各种不同的光强信号时，会根据某一特定函数，计算出对应的屏幕亮度，然后根据此来调节屏幕亮度。

2.3 控制器模块

系统主要控制器采用树莓派，使用python语言作为编译语言。树莓派与常见的51单片机和STM32等这类的嵌入式微控制器相比较而言，不但可以完成相同的IO引脚控制之外，还能运行相应的操作系统，可以完成更为复杂的工作管理及调度。

树莓派可以在Windows、Macintosh OS X、Linux三大主流操作系统上运行，而其他嵌入式微控制器大多只能在其中一种操作系统上运行。树莓派在国内外都有这很好的发展，具有良好的交流环境，而且树莓派的大部分项目都为开源项目，允许开发者们进行修改和更有创意的改善。

不仅如此，树莓派的总出货量已经达到1250万的里程碑，之所以把1250万作为一个里程碑，是由于这个数字是此前排在全球计算机平台第三位的Commodore 64的总销量，换句话说，树莓派已成为排在Windows PC和Mac之后的全球第三大计算机平台。

3 系统实践目标

3.1 语音交互功能

当感应到有人在传达命令或者指令时，树莓派对信号进行预处理后，对特定有效部分进行特征提取，将提取的部分和库内所有特征词相匹配，最终检测匹配相应的声学模型，发出相应的指令，机器根据所发出的指令进行相应的显示与操作。

3.2 展示生活指数功能

在树莓派上安装Magic mirror2，Magic mirror已经经过两代的发展，可安装模块不断增加。通过这个开源项目即可实现展示生活指数功能，比如时钟，日历，天气预报，问候语，新闻，日程安排等等，不仅如此，因为其丰富的插件功能，可以自行创造其他插件功能，从而实现插件自定义化。

3.3 人脸识别功能

运用ZEROWH摄像头模块，对采集到的含有人脸的图像或视频流，自动检测和跟踪人脸。对检测的人脸进行识别和记录操作，如果所检测的人脸与库中包含的人脸相似度大于某一值，即判定为同一人，并允许进行语音交互等功能。流程图如图2所示。

图2 流程图

3.4 自动调节屏幕亮度功能

当树莓派通过光强传感器检测到各种不同的光强信号时，会根据系统的时间检测函数和光照调节函数，计算出对应的屏幕亮度，然后根据此来调节屏幕亮度。从而达到节能的效果。另外，使用者也可以根据自己的喜好更改屏幕亮度。

3.5 呼吸灯功能

位于框架两侧的5050 RGB彩色灯带通过PWM调节，在相应的条件下改变灯带的颜色，比如在播放音乐时，灯带的颜色会随着节奏的改变而改变，满足使用者在各种情况下的灯光要求。

4 系统实现原理

基于树莓派的智能镜子以树莓派为控制器，由于该系统需要分别给显示器及树莓派供电，需要两种供电源，分别为220V及5V。当该系统进入工作状态时，树莓派首先连上WIFI保证其能够获取新闻资讯以及天气等消息。当使用者靠近智能镜子时，启动人脸识别功能，若验证成功则显示问候语，并可以进行语音交互功能。

本系统主体程序框图如图3所示。

5 系统测试及结果

系统测试的目的在于判断预期结果与实际结果是否相符，本文从三方面入手，包括实时语音检测、初始化状态是否正常、人脸识别功能是否正常。最终测试结果如表1所示。

图3 本系统主体程序框图

根据测试结果，本项目实物设计基本符合预期设计目标。

结语：镜子从古至今功能极其单一，本项目的智能镜子允许我们将走廊或者浴室的镜子转换成个人助理，给予使用者更多的智能体验。智能镜子的语音交互功能能实现更加快捷的信息查找，更加醒目的信息提醒，保障使用者及时接受重要的信息，并且通过使用者的使用记录不断调整和猜测使用者对各种类型消息的重视程度，从而达到更好地效果体验。当然，目前也只是初期发展阶段，还有许多未知的功能等待着我们的开发，希望智能镜子能够更好的让人们实现智能化生活。