引 言
隨著科技的提醒迅猛發展，人們的系統生活水平日益提高，眾多的科技產品使人們的生活更加便捷與高效。與此同時，人們的需求也越來越高，這就需要更多智能化的產品走進人們的日常生活中。近年來，隨著物聯網的普及，智能家居產品的使用越來越普遍 [1]。試想一下這樣一個場景，當你收拾東西慌忙出門時，來到門口，傳來一個聲音提醒你別忘了帶某份重要文件，你因此避免了一次工作上的重大失誤。這樣的智能生活體驗正是本文智能語音提醒系統可以帶給用戶的。
目前，該領域的產品較少，比較出名的是 Nut 防丟貼片， 但其不能解決出門忘帶東西的問題，且有其他不少缺陷。首先，用戶手機對該 Nut 的 APP 必須完全信賴，提供所有權限，且必須保持藍牙一直處于開啟狀態，給用戶帶來極大不便 ；其次，Nut 防忘貼片根據貼片與手機之間藍牙信號的強弱判斷距離，對環境的適應性較差，在墻體較多的地方、較近的距離就會報警，而在空曠的地方、較遠的距離卻不會報警， 家庭的門是一個固定位置，Nut 防忘貼片無法做到出門時提醒。本文智能語音提醒系統可在用戶來到門口時，提醒用戶帶某物或做某事，彌補了目前產品在這一板塊功能的不足。
系統以樹莓派為核心進行控制，用戶在手機上安裝通過藍牙串口軟件改進后的“提醒小助手”APP，該軟件將用戶備忘的信息通過藍牙發送到樹莓派。當用戶出門時，樹莓派將攝像頭拍攝的用戶照片上傳至服務器進行人臉識別，通過返回的結果判斷是家中的哪一位用戶，并將其備忘的信息通過音響讀出，從而達到提醒用戶的目的。
1 系統硬件構成
1.1 系統總體結構
系統以樹莓派為控制核心，攝像頭、音響、屏幕等外設都與樹莓派相連，手機通過藍牙與樹莓派連接，樹莓派通過WiFi 連接到云端服務器，總體結構如圖 1 所示。
1.2 樹莓派 3 代 B+
樹莓派作為微型計算機，相比傳統計算機只是缺少了顯示屏幕和鍵盤，USB 端口可以方便地連接 Linux 免驅攝像頭， 具有獨立的 40 個 GPIO 引腳。樹莓派可以運行 Python 語言， 并進行編譯，運算速度快，價格低 [2]。
樹莓派 3 代 B+ 是樹莓派基金會于 2018 年 3 月 14 日發布的新版本，如圖 2 所示，主頻達到了 1.4 GHz，在無線網絡以及藍牙性能上相比上一款產品也有較大提升。樹莓派作為系統大腦，強大的性能是完成系統核心功能的基礎。
圖 2 樹莓派 3 代 B+
1.3 USB 高清攝像頭
由于要對照片進行人臉識別，因此需要照片足夠清晰。本文選用 1080P 高清 USB 攝像頭，如圖 3 所示，相比樹莓派原裝攝像頭 Pi Camera 的清晰度提高了許多。
圖 3 USB 高清攝像頭
1.4 便攜式音響
用戶備忘的信息需要通過語音的方式讀出，通過便攜式音響來完成，如圖 4 所示。在實際操作過程中發現，樹莓派與音響通過藍牙配對與連接不穩定，所以采用有線連接的方式，保證系統穩定性。
圖 4 便攜式音響
1.5 20 寸屏幕
屏幕用于實現系統的附加功能，即“魔鏡”的功能。屏幕上顯示當前的精確時間、天氣、溫度、風力、日落時間，以及未來幾天的天氣與溫度。屏幕正中顯示問候語，系統會在上午、下午、晚上顯示不同類型的問候語。攝像頭固定在屏幕邊框上，用戶出門時只需下意識地看看時間、溫度、天氣等，就可被攝像頭拍照，然后上傳到服務器進行人臉識別。屏幕如圖 5 所示。
2 系統各部分功能的實現
2.1 整體的運作流程
用戶在手機上打開“提醒小助手”APP，打開藍牙并連接到樹莓派，此時用戶就可在 APP 的消息發送界面將備忘的信息發送至樹莓派，樹莓派根據連接手機的 Mac 地址識別是家庭中哪位成員備忘的消息，并將用戶發來的信息存到相應文本中。若用戶出門，用戶看“魔鏡”時會被攝像頭拍照，樹莓派則將照片上傳至 Face++ 平臺服務器中進行識別，平臺在事先已經建立好的家庭人臉集合中識別出最相似的人臉，樹莓派通過平臺返回的數據即可判斷出是家庭中的哪位成員，隨后將相應的備忘內容讀出，提醒用戶。系統整體運作流程如圖 6 所示。
2.2 與樹莓派的藍牙連接以及數據傳送
樹莓派 3 代 B+ 自帶藍牙功能，無需另外加裝藍牙模塊，但在實際使用過程中發現，樹莓派的原生藍牙在傳統連接方式下與手機只能實現配對，無法實現穩定連接。因此，本文采用 RFCOMM 協議，在該協議的監聽功能下實現手機與樹莓派藍牙的連接。RFCOMM 協議還提供查看連接設備信息的功能，可獲取手機的 Mac 地址，由此區分是哪位家庭成員的手機。在該協議下，樹莓派收到的信息會自動儲存到/dev/rfcomm0中，這是一個會隨著藍牙連接的斷開而刪除的文件，用程序可將其寫入到該家庭成員對應的文本文件中，用戶每次寫入的信息會覆蓋前一次的信息。出于對用戶誤觸發或沒聽清等情形的考慮，提醒完之后備忘信息不會被立即刪除，實現該部分功能的主要 Python 程序如圖 7 所示，其中 get_mac_addr 是將手機的 Mac 地址從設備信息表中提取出來的函數。
2.3 利用 Face++ 平臺實現人臉識別
人臉識別的程序一直循環運行，攝像頭也一直處于循環拍照狀態。若未識別到家庭成員的人臉則不執行任何指令 ；若識別到某一家庭成員的人臉，則讀出相應的備忘信息。事先調用 API 在 Face++ 平臺上創建一個 Faceset，Faceset 是所有家庭成員人臉照片的集合，這些照片作為家庭成員的人臉標準照片。Face++ 平臺的人臉識別能力強大，提供每位家庭成員一張人臉照片即可。當攝像頭拍攝照片后，通過調用 API 的方式將該照片上傳至 Face++ 平臺服務器，并在Faceset 中尋找與其最相似的照片，最后返回置信度，找到標準照片的 Face_token（Face_token 即為與傳到 Face++ 平臺服務器的照片一一對應的編號）。若置信度小于設定閾值，則不執行任何指令 ；若置信度大于設定閾值，則通過 Face_token識別出是哪位家庭成員，即可將備忘內容讀出進行提醒。
2.4 將用戶備忘的信息用語音讀出
用戶備忘的內容最終要通過語音的方式從便攜式音響中讀出，為此本文在樹莓派上安裝 eSpeak軟件作為一款開源軟件，便于將文字轉為語音讀出。在此基礎上，利用 eSpeak 讀取文本文件里的內容，從而將用戶備忘的內容讀出。調用API進行人臉識別及將備忘信息語音讀出的主要 Python程序如圖 8 所示，其中 get_conface是通過 API向 Face++平臺服務器請求 Search功能并將返回值中的 confidence與 face_ token提取出來的函數，espeak_txt_chinese是將指定文本中的內容通過 eSpeak 軟件語音讀出的函數。
圖 8 調用 API 進行人臉識別及將備忘信息語音讀出的主要程序
3 系統實現
安裝好的系統外觀如圖 9 所示，用屏幕支架可將屏幕懸空固定，支架可調節，便于將屏幕置于方便且舒適的位置與角度。攝像頭固定在屏幕上方，用戶觀看屏幕時會被攝像頭拍照，樹莓派與便攜式音響等放置在任意方便位置即可。系統運行之后，屏幕上出現了時間、天氣、問候語等信息。
系統測試時，模擬有兩名家庭成員的情景，APP 界面如圖 10 所示。兩名成員都先后發送了自己的備忘信息，模擬出門場景。兩名成員先后出門，出門時看“魔鏡”上的天氣、時間及問候語，其出門場景分別如圖 11、圖 12 所示，系統正確地讀出了相應的備忘信息。測試到有效的人臉識別范圍為距攝像頭兩米以內，符合實際要求。
圖 9 安裝好的系統外觀
圖 10 系統 APP 界面
圖11 第一名用戶的出門場景圖12 第二名用戶的出門場景
4 結 語
智能家居以提高生活高效性、舒適性與便利性為主旨， 著眼于生活中的小細節，以改善用戶生活體驗。本文智能語音提醒系統著眼于生活中普遍存在的出門忘物與出門忘事現象，在用戶出門時提醒相應的備忘信息，屏幕上的時間、天氣與問候語增添了科技感與親切感，給用戶的生活帶來了便利與更好的體驗。
