一种基于树莓派的办公室多功能智能设备实现方法及系统

摘要

本发明公开一种基于树莓派的办公室多功能智能设备系统及实现方法，实现包括智能巡逻考勤功能、陌生人员报警安防功能、邮件作息提醒功能和智能避障清洁功能。包括电源模块，树莓派模块，摄像头模块，麦克风模块，避障红传感模块，寻迹红外传感模块，马达模块，音响模块，清洁模块，邮件发送模块。执行智能巡逻考勤任务时，树莓派接收寻迹红外传感模块信号，控制马达模块，完成寻迹任务，配合摄像头模块，麦克风模块进行人脸识别和语音识别完成考勤功能。执行陌生人员报警安防功能时，树莓派通过摄像头模块采集视频图像信息进行人脸识别任务，配合音响模块完成安防报警功能。执行邮件作息提醒功能时，邮件发送模块定时发送邮件提醒员工作息时间。

说明书

技术领域

本发明属于无人智能设备领域，尤其涉及一种基于树莓派的办公室多功能智能系统及其实现方法及系统。

背景技术

随着科技的进步，智能化产品已经开始作为各式各样自动控制系统中的重要设备之一，物流运输，流水线生产等大型工程上投入的大量使用，同时，随着便捷式智能产品的不断优化改进，各种智能产品也不断丰富人们的日常生活体验，例如智能家居作为一个相对发展比较完善的系统，已经成为智能化产品和日常生活直接联系的成功范例。办公室智能设备，针对一般办公室巡逻考勤以及安防报警等基本要求，提供智能化的无人服务，能够提升办公室员工工作体验，提升办公效率。

当今智能无人机器人多用于展览场馆巡逻，酒店前台服务，应用于办公室场景较少，将智能设备应用于办公室场景，提供与办公室工作相关的智能服务，提升办公室员工工作效率将具有良好的发展前景和较高的社会需求。基于上述原因，设计一款简便的办公室智能设备有着很大的意义。

针对日常办公室工作环境及需求，考虑解决以下几个问题：

(1)办公室考勤问题：如今各公司或者用人单位越来越注重考勤制度，大部分公司或用人单位的考勤方法是在公司大门处设立考勤点，员工们需要自行前往考勤点处进行拍照打卡，因此减少员工打卡时间在一定程度上能够提升工作效率。

(2)办公室清洁问题：办公室的环境整洁程度一定程度反映了一个公司的形象，智能清洁设备不仅能够维持办公室的整洁环境，同时还能降低雇佣清洁人员方面上的成本，能给办公室工作带来一定的经济效益。

(3)办公室安防问题：办公室内相关重要资料需要得到良好的保障，因此如何有效预防陌生人员进入办公室是十分重要的问题。

(4)办公室员工作作息问题：及时的休息能让员工保持充沛的精力，不仅能提升员工工作效率，同时也提升办公室的形象。

发明内容

为了现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种基于树莓派的办公室多功能智能设备系统及其实现方法。

一种基于树莓派的办公室多功能智能设备系统，用于实现巡逻考勤功能、报警安防功能、智能避障清洁功能、邮件作息提醒功能，包括：

树莓派模块，用于接收各功能的执行指令以及各模块的信号，并发出信号；

寻迹红外传感模块，用于采集信号，并将信号传递给树莓派模块；

马达模块，用于接收树莓派模块发送的控制信号并根据所述控制信号启停；

摄像头模块，用于采集人脸图像；

麦克风模块，用于采集环境音频信号；

音响模块，用于根据树莓派模块的指令播放报警音频；

邮件发送模块，用于完成邮件发送功能；

避障红外传感模块，用于采集障碍物信号，并将信号传送给树莓派模块进行处理；

清洁模块，用于进行清洁。

本发明还提供一种基于树莓派的办公室多功能智能设备系统的实现方法，包括：

将用户终端和树莓派连接同一局域网，通过putty进行用户终端和智能设备系统的通信连接；

用户终端通过VNC远程控制工具以可视化方式查看树莓派内部工程文件；

计算机执行相应功能的工程文件，所述相应功能的工程文件分别包括巡逻考勤功能、报警安防功能、智能避障清洁功能的工程文件。

进一步地，当执行巡逻考勤功能时，具体步骤如下：

S1、树莓派模块接收执行指令，系统执行巡逻考勤功能；

S2、树莓派模块接收红外寻迹传感器模块信号，并根据接收信号输出相应的控制信号到马达模块；

S3、同时树莓派模块接收麦克风模块音频信号，并进行语音识别，当语音识别成功，树莓派模块输出控制信号到马达模块，马达模块停止转动；若语音识别不成功，则重复S2、S3步骤；

S4、树莓派启动摄像头模块，进行人脸采集和识别；

S5、摄像头模块关闭，同时树莓派接收麦克风模块音频信号，进行语音识别，当树莓派判定音频信号为设定唤醒词后，返回步骤S2。

进一步地，所述S2包括以下步骤：

S201、树莓派模块实时读取红外寻迹传感器模块的信号，每一组红外信号由一个一维五元数组组成，记录红外寻迹传感器模块中的五个探测头的数据，树莓派模块获取10组红外信号作为模拟数据读入，每一组数据按照相应权值进行加权平均，10组数据中的最大值和最小值进行保留作为寻迹对比数据；

S202、树莓派模块对红外寻迹传感器模块返回的数值进行加权平均后的值进行处理，设定黑线位于正中央的处理值为中心值，将加权平均值和中心值进行对比，二者差值按照设定系数跟最大值和最小值进行相乘，得出左右两马达相应的调整转速，树莓派模块将处理结果反馈到马达模块；

S203、马达模块调整为相应的转速，系统进行寻迹巡逻。

进一步地，所述S3包括以下步骤：

S301、麦克风模块通过USB接口跟树莓派模块进行连接，麦克风模块收集环境音频信号并实时传送到树莓派模块；

S302、树莓派模块使用语音唤醒词识别算法处理音频信号，监测音频信号中是否包含设定的唤醒词。

S303、若监测出音频中包含设定的唤醒词，树莓派模块发送控制信号到马达模块；

S304、马达模块接收树莓派模块的信号，马达模块停止转动，系统停止巡逻。

进一步地，所述S4包括以下步骤：

S401、树莓派模块启动摄像头模块，摄像头模块实时捕获图像；

S402、树莓派模块通过人脸识别算法对图像进行人脸识别，同时用户终端的VNC界面显示图像画面以及人脸识别相关信息；

S403、若捕获的图像判定为系统用户，则在用户终端的VNC端显示该用户姓名和识别置信度，同时树莓派模块修改人员考勤信息文件，更新考勤信息。

进一步地，当执行安防报警功能时，步骤如下：

S1、树莓派模块接收执行指令，执行安防报警功能；

S2、树莓派模块通过蓝牙连接音响模块，同时启动摄像头模块捕获人脸图像，进行人脸识别，若所述人脸图像被识别为非系统用户，树莓派模块发出音频播放信号；

S3、音响模块根据树莓派模块的信号，播放报警音频。

S4、邮件发送模块发送告警邮件至特定邮箱，执行自动邮件报警提醒功能。

进一步地，当执行智能避障清洁功能时，包括如下步骤：

S1、树莓派模块接收执行指令，执行智能避障清洁功能；

S2、树莓派模块接收避障红外传感器模块信号，并根据接收的信号输出相应控制信号到马达模块；

S3、智能设备系统的清洁模块启动，进行路面清洁。

进一步地，当执行邮件作息提醒功能时，包括如下步骤：

S1、邮件发送模块接收树莓派指令，根据设定的时刻发送作息提醒邮件，发送至指定邮箱账户；

S2、当提醒邮件发送后，树莓派启动音响模块，播放歌曲；

S3、播放到达预设时间后，树莓派关闭音响模块，邮件发送模块等待下一次邮件发送指令。

与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：

(1)采用巡逻打卡方式，通过语音唤醒词识别控制设备的行驶与停止，使得员工上班打卡过程更加便捷方便。

(2)采用人脸识别方式进行安防监控，有效识别探测陌生人员，区分办公室员工和陌生外来人员，提供更加有效智能安防功能。

(3)同时提供邮件智能发送服务，能够根据不同情况发送相应邮件，可以根据不同办公场景及需求提供相应的邮件提醒服务。

附图说明

图1是本发明基于树莓派的办公室多功能智能设备实现方法的系统结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例公开了一种基于树莓派的办公室多功能智能设备系统，可以实现巡逻考勤功能、报警安防功能、智能避障清洁功能、邮件作息提醒功能，系统硬件结构如附图1所示。包括：

树莓派模块，用于接收各功能的执行指令以及各模块的信号，并发出信号；

寻迹红外传感模块，用于采集地面线迹信号，并将信号传递给树莓派模块，寻迹红外传感模块包括五个探测头；

马达模块，用于接收树莓派模块发送的控制信号并根据所述控制信号启停，包括位于左右两侧的两个马达；

摄像头模块，用于采集人脸图像；

麦克风模块，用于采集环境音频信号；

音响模块，用于根据树莓派模块的指令播放报警音频；

邮件发送模块，用于完成邮件发送功能；

避障红外传感模块，用于采集障碍物信号，并将信号传送给树莓派模块进行处理，避障红外传感模块包括分别位于左右两侧的左侧红外传感器和右侧红外传感器；

清洁模块，用于进行清洁。

还包括用于给上述各模块供电的电源模块。

本实施例还提供一种基于树莓派的办公室多功能智能设备系统的实现方法，包括：

步骤1、将用户终端和树莓派连接同一局域网，通过putty进行用户终端和智能设备系统的通信连接。

用户终端为计算机，计算机端开启WIFI热点，树莓派模块中的WIFI模块连接该热点。树莓派和本地计算机通过WIFI连接同一局域网，计算机端可以通过相应连接软件，控制树莓派端执行相应任务文件，从而控制设备系统所工作的模式。

步骤2、用户终端通过VNC远程控制工具以可视化方式查看树莓派内部工程文件；

步骤3、计算机执行相应功能的工程文件，所述相应功能的工程文件分别包括巡逻考勤功能、报警安防功能、智能避障清洁功能和邮件作息提醒功能的工程文件。

进一步的，当执行巡逻考勤功能时，使用该功能时，需提前在使用范围地面上利用区别于地面颜色的线迹规划好设备运动轨迹，例如使用黑色胶带规划设备运动轨迹。具体步骤如下：

S1、树莓派模块接收执行指令，系统执行巡逻考勤功能。

S2、红外寻迹传感器由五个红外传感器横向排列组成，红外传感器会探测路面线迹信号，树莓派模块接收红外寻迹传感器模块信号，并根据接收信号输出相应的控制信号到马达模块。

具体的，本步骤具体包括：

S201、树莓派模块实时读取红外寻迹传感器模块的信号，红外寻迹传感器由五个红外传感器横向排列组成，红外传感会探测路面线迹信号，探测到线迹的红外传感器返回第一信号，如返回1，未探测到线迹的红外传感器返回第二信号，如返回0。返回给树莓派模块的每一组红外信号由一个一维五元数组组成，分别对应每个红外传感器的返回值。

S202、树莓派模块从左至右边分别为每个红外传感器赋予0、1000、2000、3000和4000的权重。树莓派模块对红外寻迹传感器模块返回的数组进行加权处理，并使用加权数组之和除以未加权数组之和，得出绝对偏移值。当绝对偏移值等于2000时，代表地面线迹位于红外寻迹传感器正中央，称该值为中心值。

S203、树莓派模块将绝对偏移值和中心值进行对比，二者差值称为相对偏移值。称当期相对偏移值与前期相对偏移值差值为方位调整值，称之前所有相对偏移值累计求和的值为累计偏移值。称(相对偏移值/25+方位调整值/100+累计偏移值/1000)值为转速差值。设定好马达转速最大值，若转速差值大于马达转速最大值，则将转速差值设为马达转速最大值，若转速差值小于马达转速最大值的相反数，则将转速差值设为马达转速最大值的相反数。若转速差值绝对值小于马达转速最大值，则保持不变。根据上述算法对转速差值进行更新。

S204、对更新后的转速差值进行判断，若转速差值小于零，则左侧马达转速值设为马达转速最大值加上转速差值，右侧马达转速值设为马达转速最大值。反之若转速差值大于零，则左侧马达转速设为马达转速最大值，右侧马达转速设为马达转速最大值减去转速差值。

S205、树莓派模块将更新后的马达转速值反馈至马达模块，马达模块根据设定值对两侧马达转速进行调整，从而达到系统寻迹巡逻的任务。

S3、同时树莓派模块接收麦克风模块音频信号，并进行语音识别。

具体的，本步骤包括：

S301、麦克风模块通过USB接口跟树莓派进行连接，麦克风收集到环境音频信号实时传送到树莓派模块；

S302、树莓派模块引入KITT.AI开发的Snowboy唤醒词监测引擎中，利用引擎中语音唤醒词识别算法处理音频信号，监测音频信号中是否包含设定的唤醒词，用户可根据自身的需求，通过Snowboy官网提供的唤醒词训练模型，训练出自身所需的特定唤醒词模型，通过替换唤醒词识别算法中对应的唤醒词模型即可更换所需唤醒词；

S4、当语音识别成功，树莓派模块输出控制信号到马达模块，马达模块停止转动；若语音识别不成功，则重复S2、S3步骤。

具体的，本步骤包括：

S401、若监测出音频中包含设定的唤醒词(例如此处唤醒词可设定为“停”)，树莓派模块发送控制信号到马达模块；

S402、马达模块接收树莓派模块的信号后，马达模块停止转动，即左右两侧马达停止转动，系统停止巡逻。

S5、树莓派启动摄像头模块，进行人脸采集和识别。

具体的，本步骤包括：

S501、树莓派启动摄像头模块，摄像头模块实时捕获图像；

S502、树莓派通过OpenCV人脸识别中的LBPH人脸识别算法对图像进行人脸识别，同时计算机VNC界面显示图像画面以及人脸识别相关信息；

S503、若所述摄摄像捕获的图像判定为系统用户，则在电脑VNC端显示该用户姓名和识别置信度，同时树莓派修改人员考勤信息文件，更新考勤信息；若判定为非系统用户，则在电脑VNC端显示“Unknown”。

S6、摄像头模块关闭，同时树莓派接收麦克风模块音频信号，进行唤醒词语音识别，当树莓派判定音频信号为设定唤醒词(例如此处的唤醒词可设定为“走”)后，返回步骤S2。

具体的，本步骤包括：

S601：摄像头模块定时关闭；

S602：麦克风模块收集到环境音频信号实时传送到树莓派模块；

S603：树莓派模块使用语音识别算法处理音频信号，监测音频信号中是否包含设定的唤醒词；

S604、若监测出音频信号中包含设定的唤醒词，树莓派模块发送控制信号到马达模块；

S605、马达模块接收树莓派模块的信号，系统恢复寻迹巡逻。

当设备处于巡逻考勤模式时，树莓派模块将初始化记录设备活动的txt文件，写入“start”。树莓派模块实时更新读取该txt文件，当文件记录为“start”时，允许马达启动，当文件记录为“stop”时，禁止马达启动。同时红外寻迹传感模块将信号返回树莓派模块进行处理，树莓派模块通过接收的红外信号计算出两马达转速并反馈到马达模块，从而实现设备寻迹。与此同时麦克风模块实时采集环境音频，并将音频信号通过USB接口传输到树莓派模块，树莓派模块使用语音唤醒词识别算法对音频进行识别检测，当检测到指定唤醒词时，在记录设备活动txt文件中写入“stop”，设备停止行驶，与此同时设备摄像头开启，捕捉图像数据传送至树莓派模块进行人脸识别，将捕捉到的图像与事先存储的人脸进行对比，若识别出人脸为公司员工时，树莓派模块更新员工考勤网页文件，更新员工打卡信息，使用者可以在计算机端看到摄像头捕获的图像，同时人脸检测和人脸识别结果将在计算机屏幕显示，显示人脸位置，人脸名称以及识别置信度。摄像头开启后10秒，摄像头自动关闭。若树莓派模块再次检测到麦克风采集音频包含特定唤醒词，在设备活动txt文件中写入“start”，设备再次进行寻迹巡逻工作。一次考勤周期完成。使用者可以在计算机端通过网页查看员工考勤信息。

当执行安防报警功能时，步骤如下：

S1、树莓派模块接收执行指令，执行安防报警功能。

S2、树莓派模块通过蓝牙连接音响模块，同时启动摄像头模块捕获人脸图像，进行人脸识别，若所述人脸图像被识别为非系统用户，树莓派模块发出音频播放信号。

具体的，本步骤包括：

S201、树莓派模块启动摄像头模块，摄像头模块实时捕获图像；

S202、树莓派模块通过人脸识别算法对图像进行人脸识别，同时电脑端VNC界面显示图像画面以及人脸识别相关信息；

S203、若捕获的图像判定为非系统用户，树莓派模块发送执行音频播放功能信号至音响模块，同时发送执行自动邮件报警提醒功能至邮件发送模块。

S3、音响模块根据树莓派模块的信号，播放报警音频。

S4、邮件发送模块根据树莓派信号，发送报警邮件至指定邮箱。

具体地，本步骤包括：

S401、邮件发送模块发送指令至邮件发送模块，执行自动邮件报警提醒功能；

S402：邮件发送模块使用STMP协议连接STMP服务器；

S403：邮件发送模块使用TLS等相应安全协议登录指定发件人邮箱；

S404：发送相应邮件内容到指定收件人邮箱。

当设备处于陌生人员安防报警功能时，树莓派模块通过蓝牙方式与音响模块进行连接，摄像头模块长期开启，实时捕捉画面，画面数据实时传至树莓派模块进行人脸检测和人脸识别，若探测到人脸，则进行人脸识别，若识别结果为公司员工，则不做处理，若识别结果为陌生人员，则树莓派模块通过音响进行报警音频播放，同时通过邮件发送模块启动自动邮件报警提醒功能，邮件发送模块发送报警邮件至指定邮箱，完成陌生人员报警提醒功能。

当执行智能避障清洁功能时，包括如下步骤：

S1、树莓派模块接收执行指令，执行智能避障清洁功能。

S2、树莓派模块接收避障红外传感器模块信号，并根据接收的信号输出相应控制信号到马达模块。

具体的，本步骤包括：

S201：树莓派实时读取避障红外传感器模块信号，判断障碍物信息，同时马达模块保持以设定速度运行。

S202：若右侧红外传感器返回有障碍物信号，如返回0，则判断前方右侧有障碍物，树莓派模块发送相应指令到马达模块，左侧马达停止转动，本实施例中设定左侧马达停止转动1秒；

S203：若左侧红外传感器返回有障碍物信号，如返回0，则判断前方左侧有障碍物，树莓派模块发送相应指令到马达模块，右侧马达停止转动，本实施例中设定右侧马达停止转动1秒；

S204：若左侧红外传感器与右侧红外传感器同时返回有障碍物信号，如返回0，则判断正前方有障碍物，树莓派模块发送相应指令到马达模块，左侧马达与右侧马达同速反向转动预设的时间，如2秒，右侧马达停止转动预设的时间，如1秒。

S3、智能设备系统的清洁模块启动，进行路面清洁。

在设备行驶过程中，清洁模块对路面进行清扫清洁处理，完成智能避障清洁。

当执行邮件作息提醒功能时，包括如下步骤：

S1、邮件发送模块接收树莓派指令，根据设定的时刻发送作息提醒邮件，发送至指定邮箱账户(例如办公室员工邮箱中)，邮件内容为提醒员工适当休息。

具体的，包括如下步骤：

S101：邮件发送模块使用STMP协议连接STMP服务器；

S102：邮件发送模块使用TLS等相应安全协议登录指定发件人邮箱；

S103：发送相应邮件内容到指定收件人邮箱。

S2、当提醒邮件发送后，树莓派启动音响模块，播放舒缓歌曲，为员工休息营造轻松惬意环境。

S3、一定时长后，树莓派关闭音响模块，邮件发送模块等待下一次邮件发送指令。

通过本实施例提供的系统和方法，通过执行巡逻考勤功能可以实现便捷打卡，使得员工考勤更加方便，通过执行报警安防功能可以通过采集人脸图像并进行识别，以自动识别出陌生人员，并及时报警，提高了安防，通过执行智能避障清洁功能，在清洁过程中可以通过传感器自动识别障碍物信息以及时避开障碍物，以自动完成清洁功能，通过执行邮件作息提醒功能，可以在设定的时间内及时提醒员工休息。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。