0引言
基于物联网的智能家居是以家庭为平台，利用自动
控制技术、网络通信技术、智能感应技术、总线技术等,
将家庭生活中的通信设备、电器、家具等设施集中规划
的智能化系统，能为住户提供更便捷、更智能、更安全的
居住环境[1]。现以当下先进的微型计算机树莓派为基础展开课题研究，在传统家居镜子的功能之上加入了智能
化技术，摆脱传统被动模式，使之成为具有能动性、可交
互的现代化智能工具，为智能家居研究领域乃至其他领
域提出新的产品架构和技术方法，改善现代生活并创造
高效、舒适的新家居情景和生活服务。
1“魔镜”系统总体框架
智能“魔镜”系统主要由基于Linux环境的树莓派[2]、本地客户端、因特网服务器端三部分构成。如图1所示，硬件设计部分由树莓派主控板、摄像头、液晶显示器屏幕、单向透视玻璃、麦克风、音箱等设备改造和组装而成。树莓派作为控制处理中心，向运行系统内置的信息流显示客户端、智能语音识别客户端、智能语音交互客户端和实时图像调取客户端等多个平台和程序，向因特网各个服务平台调用和获取关键性中心数据，使该智能
“魔镜”系统具有选择性丰富的生活信息服务功能，提供效率较高的安全保障。
智能“魔镜”系统采用物联网三层结构模型[3]，主要包括感知层、网络层和应用层，技术架构分别为全面感知、连接传输和智能计算。
2系统功能论述
本文所设计的智能“魔镜”系统如图2所示，包括镜面信息服务流展示平台、智能语音交互服务、实时监控
基于树莓派的智能“魔镜”设计
潘志倩
(中国传媒大学互联网信息研究院，北京100024)
摘要：随着物联网技术的发展，智能家居领域快速崛起，拥有着美好的发展前景。智能家居产业下智能“魔镜”系统的设计与实现，旨在丰富优化居家生活品质，提升居家环境品味。智能“魔镜”以基于Linux环境的树莓派为硬件平台，采用了物联网三层架构设计，通过感知层的硬件设备进行信息获取采集，网络层的HTTP/2调用云端API接口等通信技术进行数据传输和交换，并由应用层的云计算技术对采集到的信息和数据进行分析处理并反馈。该智能“魔镜”系统经设计与实现后，运行稳定，能较好实现主界面信息展示、语音交互功能、实时监控功能等基本功能。关键词：树莓派；物联网；智能家居；语音交互；实时监控
中图分类号:TN91文献标识码:A DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.200183
中文引用格式：潘志倩.基于树莓派的智能“魔镜”设计[J].电子技术应用,2021,47(2):45-48.
英文引用格式:Pan Zhiqian.The design of intelligent Magic Mirror based on Raspberry Pi[J].Application of Electronic Technique, 2021,47(2):45-48.
The design of intelligent Magic Mirror based on Raspberry Pi
Pan Zhiqian
(Internet Information Research Institute,Communication University of China,Beijing100024,China)
Abstract:With the development of the Internet of Things technology,the field of smart home has risen rapidly,and has bright prospects for development.The design and implementation of the intelligent Magic Mirror system in the smart home industry is de⁃signed to enrich and optimize the quality of life at home and enhance the taste of the home environment.The intelligent Magic Mirror uses the Raspberry Pi based on the Linux environment as the hardware platform,and adopts the three-layer architecture de⁃sign of the Internet of Things.It uses the hardware devices at the perception layer to obtain information and collect,and the HTTP/2at the network layer calls cloud API interfaces and other communication technologies to implement data transmission and exchange,and the collected information and data are analyzed and fed back by the cloud computing technology at the application layer.The intelligent Magic Mirror system is designed and implemented to operate stably,and can well
realize basic functions such as the main interface information display,voice interaction function,real-time monitoring function,and so on.
Key words:Raspberry Pi;IoT;smart home;voice interaction;real-time monitoring
图3系统软件设计流程
图
图2智能“魔镜”系统功能架
构
图1智能“魔镜”系统总框架设计图
安全防范3个智能家居多功能模块，旨在为使用者提供实际、便捷的智能信息服务和准确、实时安全的生活安全保障。
信息服务流展示模块够为用户提供直观及时的电子时钟及日期、实时天气信息及预报、客制化文本展示、实时新闻内容等服务，并定期进行更新。智能语音交互平台模块完成娱乐服务、智能家居控制、生活资讯检索等功能。实时监控安全防范平台模块可定时获取摄像头拍摄的图像，或在镜面、电脑端、手机端等平台看到实时监控画面。
3硬件设计及实现
本文所设计的智能“魔镜”系统使用
的硬件包括核心处理器树莓派、数据流展示界面显示屏、感知层非结构化多媒体数据采集和录入设备麦克风和摄像头、音频数据输出设备音箱等，主要作用是为使用者与“魔镜”系统之间进行数据交互式传输，提供输入输出服务。3.1核心硬件树莓派
为满足智能“魔镜”系统在家居应用场景中灵活、轻便的需求，本设计选择使用树莓派(Raspberry Pi)3代B+型作为该系统核心处理器和关键硬件平台，接收感应层
采集到的数据并传向应用层，同时接收应用层的反馈数据向使用者进行呈现。3.2信息流显像屏
智能“魔镜”信息流显像平台是智能镜显示和人机交互的基础模块，依托显示技术，选择对可见光具有高反射、能实现单向透视原理的单向透视玻璃镜与和液晶屏显示器改造组装而成。既可维持传统镜子的成像特性，也可将镜子后液晶显示屏上的信息显现而出。3.3图像视频捕捉传输硬件
影像捕捉硬件连接方式采用了CSI 接口连接方法，选取了摄像头RPi Camera 作为元器件,
该摄像头具有500万像素，模组为OV5647，视场
角约为60.6°。使用15PIN FFC 即一条十五芯的排线与树莓派的CSI 相机接口进行连接。
4软件设计及实现
智能“魔镜”系统软件设计流程图如图3所示。
4.1Diet-Pi 系统部署
Diet-Pi 是一个专为树莓派设计的纤薄版
操作系统。其总镜像(image ,Linux 系统内核映像文件)大小始于400MB 左右，足足轻于树莓
派官方提供的Raspbian Lite 系统有三倍之多。
经实验可以得出，即使在安装桌面及基本软件之后Di ⁃
et-Pi 系统占用空间亦不到1.3GB 。
4.2信息流展示模块设计与实现
主界面信息流展示模块采用浏览器/服务器模式
(Browser/Server)，由一个汇集了HTML(超文本语言)、CSS
(层叠样式表)、JavaScript 等静态资源和提供数据接口API 的本地网页构成，浏览器访问该网页后持续不断地通过API 接口以TCP/IP 的传输协议向相对应的服务器端发出数据获取的请求，而API 接口所对应的数据库和应用程序即远程服务器，在建立连接和接收到请求命令
后将会返回响应结果。
4.3语音唤醒模块设计实现
语音唤醒模块采用Snowboy 作为唤醒引擎。Snowboy 是一个嵌入式的实时语音监听检测引擎，能够运行一个完整的自动语音识别过程(Automatic Speech Recognition ,ASR [4])来进行触发词的监控检测，语音唤醒流程如图4所示。树莓派等设备获取到语音后，会持续监视自动语音
识别转录过程中特定触发词的出现，很好地解决了自动语音识别过程消耗大量设备和带宽资源问题，同时为用户使用基于云的解决方案时提供隐私安全保护的服务。4.4实现语音交互模块设计与实现
语音交互模块采用百度DuerOS 提供的Linux 版本
DCS 协议的智能设备语音交互开发包完成开发。该SDK
提供了如有声直播、新闻、生活信息等全方面云服务
BOT 配置，可调用媒体播放器，获取设备信息和对设备
进行操控，配合小度之家SDK 能完成网络配置配对等物联网基础功能。
语音识别流程如图5所示。客户端通过get 请求向服务
平台发送数据建立长链接，以HTTP post 方式上传指令音频。服务器端通过语音活动检测(Voice Activity Detec ⁃
tion ,VAD [5])检测语音输入完成后，发送反馈Directive 推送命令，随即客户端播放反馈音频。
4.5图像监控模块实现
该模块运行图片监控脚本程序代码，定时通过摄像头获取实时图像，基于七牛云的Python SDK 建立本地客户端并连接互联网后，将本地获取的图片实时上传至七牛云云端存储器。七牛云存储服务是以键值对的方式提供非结构化资源存储服务。图像监控流程如图6所示。
4.6实时监控模块实现
该模块主要采用Nodejs+WebSocket 和的方式实现功能。WebSocket [6]是HTML5的一项持久化的协议，只需要一个HTTP 握手即可建立长事件的连接。NAT
技术[7]实现不同局域网内的主机进行通信。启动WebSocket 继电器，在本地终端执行HTTP -Server 命令将摄像头获取的视频流提供给浏览器，通过客户端生成Ngrok 服务器，启动隧道，部署内网地址映射到域名上，通过域名查看当前摄像头所拍摄的画面。实时视频监控流程如图7所
示。
5系统测试与实现效果
最终镜面效果如图8所示，整体内容轻重得当,UI 简洁清晰，合理美观的布局确保了使用者能够在短时间内看到关键信息和资讯内容。
语音功能测试中，程序能够主动识别语音中所包含
的唤醒词，并进入高频率记录语音信息状态，所有语音数据信息都能被程序解析和记录。当使用者说出“播放一段新闻”的指令后，程序开始对该指令进行识别，并将字词解析为文本，上传云端调用相应的资讯信息并播放反馈，最终完成整个语音交互过程。语音终端运行结果如图9所示。
监控功能测试中，系统自动定时开启摄像头进行拍摄，使用者能够通过PC 端或手机端对摄像头实时拍摄的画面进行监看，家居安全防范的基本需求得到满足。
经大量实际测试,“魔镜”系统工作稳定，语音交互成功率为95%，实时监控部分存在图像延迟0.5s~1s 现象，但能平稳运行。
6结论
本文主要提出了一个汇集智能数据展示、语音交互生活服务、简易安全防范生活保障等方面的智能家居中心平台解决方案，同时结合了树莓派、网页前端设计、物联网通信技术、云端服务平台等多项技术与服务支持，基于多
项
图4语音唤醒流
程linux内核设计与实现 pdf
图5语音识别
流程
图6图像监控流
程
图7实时视频监控流
程
图8镜面效果图
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(收稿日期:2020-09-21)
作者简介:
杨戈(1974-)，通信作者，男，博士，副教授，主要研究方向：边缘计算,E-mail :**************** 。
张衡(1999-)，女，本科，主要研究方向：边缘计算。
(上接第40页)
硬件的部署和软件的开发设计，基本实现了能够提供多项技能和生活服务功能的智能家居“魔镜”系统。
从创新和实际使用角度分析，该系统以树莓派为平
台，在系统运行、外设扩展和网络性能等方面都要比基于51单片的系统或以Arduino 为平台的系统更具有优势，同时在运行系统上采用小巧灵动的Diet-Pi 系统，不但具有丰富的软件支持，而且在使用和操作上更加简易和方便，是区别于更多人使用相对厚重的Raspbian 系统的一次成功的实验和创新。参考文献
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(收稿日期:2020-03-11)
作者简介:
潘志倩(1996-)，女，硕士，主要研究方向：媒体大数据、
舆情分析。
图9语音终端运行结果

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