基于STM32G4的物聯(lián)網(wǎng)美妝收納盒的設(shè)計

于樹科　陳煒　梁爽　嚴(yán)晨雪

摘 要：隨著國內(nèi)外美妝市場逐步壯大，人們對“美”需求的提升，家中美妝產(chǎn)品數(shù)量顯著提高，引發(fā)了科學(xué)化收納管理問題的激化，美妝行業(yè)正在發(fā)生一場美妝智能革命。智能美妝產(chǎn)品不斷涌入市場，沖擊并改變了傳統(tǒng)的美妝模式。該文利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、AI和嵌入式等相關(guān)技術(shù)，設(shè)計一款智能化的美妝收納盒，解決了消費(fèi)者收納、智能存取、攜帶和管理等諸多難題，并具備智能控制、社交和金融等功能，迎合了當(dāng)今消費(fèi)者對化妝品市場的需求。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);云計算;AI人工智能;大數(shù)據(jù)分析;STM32G4;收納盒

中圖分類號：TP211文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）03-00-03

0 引 言

隨著社會的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展，人民生活水平和人均收入持續(xù)提高。越來越多的人轉(zhuǎn)向美妝市場，化妝品市場的規(guī)模隨之不斷擴(kuò)大。近年來，國際化妝品巨頭加快了在中國市場的擴(kuò)張，同時隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)融合趨勢初現(xiàn)規(guī)模，一場美妝智能的革命在化妝品收納行業(yè)正在展開[1]。

1 物聯(lián)網(wǎng)美妝收納盒

針對用戶美妝產(chǎn)品收納管理、美妝知識缺乏等情況，設(shè)計了一款基于STM32G4的物聯(lián)網(wǎng)美妝收納盒。以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心，結(jié)合人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)以及自動化機(jī)械等技術(shù)，建立專有的化妝、護(hù)膚產(chǎn)品信息服務(wù)化大數(shù)據(jù)平臺，存儲各大廠商的產(chǎn)品信息[2]。根據(jù)天氣、環(huán)境、妝容用途等外界因素進(jìn)行數(shù)據(jù)量化分析，與APP相互結(jié)合，擴(kuò)充人機(jī)互動功能，滿足用戶生活或工作的需求，解決用戶在使用化妝品時，化妝臺雜亂無章、化妝品不易拿取、遺忘化妝品等問題。專屬的APP具有容易操作、快速使用化妝品、語音對話、網(wǎng)上購物、季節(jié)溫度適用產(chǎn)品分析的功能，令用戶成為美妝潮流的“先行者”[3]。

如圖1所示為設(shè)備工作流程。用戶可通過手機(jī)或電腦進(jìn)行操作，利用WiFi通過路由器連接設(shè)備服務(wù)器，對云端數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，將獲得結(jié)果再形成數(shù)據(jù)回流，反饋用戶。

2 硬件設(shè)計

基于STM32G4的物聯(lián)網(wǎng)美妝收納盒的硬件結(jié)構(gòu)主要分為傳感器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)以及主控芯片，如圖2所示。該設(shè)備的工作原理為：

（1）傳感器系統(tǒng)：采集用戶使用數(shù)據(jù);

（2）控制系統(tǒng)：用戶的日常操作;

（3）主控芯片STM32G4接收用戶操作指令或產(chǎn)生自處理指令，調(diào)用用戶化妝品云端數(shù)據(jù)，結(jié)合天氣、環(huán)境等因素大數(shù)據(jù)分析生成數(shù)據(jù)宏圖。

設(shè)備將用戶的操作與環(huán)境信息發(fā)送給STM32G4，利用云平臺數(shù)據(jù)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、處理以及指令發(fā)送，從而實現(xiàn)科學(xué)數(shù)據(jù)化的操作指導(dǎo)與決策。在人機(jī)交互的基礎(chǔ)上，用戶在任何時間、任何地點(diǎn)通過手機(jī)和計算機(jī)進(jìn)行實時查詢和控制。

2.1 無線通信與圖像處理的解決方案

（1）無線通信。高性能專業(yè)數(shù)據(jù)傳輸站模塊采用DSP和無線電技術(shù)來實現(xiàn)。將AI模塊、集成傳感模塊、圖像處理搭建成傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸三種功能，從而大大提升可用性、魯棒性以及數(shù)據(jù)的新鮮性。

（2）圖像處理。主要對內(nèi)嵌的相機(jī)拍照后的圖像進(jìn)行辨別處理以及定位處理，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)，將信號傳給單片機(jī)，判斷化妝產(chǎn)品信息進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入以及產(chǎn)品入庫的機(jī)械操作[4]。

2.2 控制系統(tǒng)

基于STM32G4的物聯(lián)網(wǎng)美妝收納盒的控制結(jié)構(gòu)如圖3所示?？刂葡到y(tǒng)包括視覺識別分類、機(jī)械控制、AI自學(xué)習(xí)的功能。STM32G4接收移動端傳輸?shù)闹噶钚盘?，控制系統(tǒng)利用控制節(jié)點(diǎn)、AI模塊以及集成傳感器，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集分析、預(yù)測操作以及用戶偏好學(xué)習(xí)。

2.3 主控模塊

STM32G4基于Arm? Cortex?-M4內(nèi)核，支持FPU和DSP指令集，主頻高達(dá)170 MHz，相較于STM32F3和STM32F1的72 MHz主頻，提高了許多。允許外圍設(shè)備之間的自主通信進(jìn)一步解放了CPU資源，使設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)卓越的性能。AES-256加密系統(tǒng)和硬件隨機(jī)數(shù)生成器的集成提高了用戶程序的保密性和通信的安全性。

利用Cordic算法和過濾功能等多種技術(shù)提高能源性能和效率。數(shù)學(xué)加速器是專門為加速計算而設(shè)計的，它比一般的主處理器更快、更有效。此外，這種負(fù)載減少方法允許內(nèi)核釋放更多的資源來接收更多的檢測數(shù)據(jù)并控制其他用戶功能。

2.4 用戶控制模塊

用戶主要通過移動端，從服務(wù)器或云計算平臺獲取資料以及操作數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對設(shè)備的智能控制，具體使用了MQTT 協(xié)議、TC/IP 協(xié)議以及Socket 通信。

3 軟件設(shè)計

基于STM32G4的物聯(lián)網(wǎng)美妝收納盒的軟件架構(gòu)如

圖4所示。傳感器系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)通過WiFi傳輸，使得STM32G4收到數(shù)據(jù)并根據(jù)相應(yīng)的功能實現(xiàn)操作。

系統(tǒng)根據(jù)傳感器系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，利用STM32G4發(fā)出指令，實現(xiàn)云計算平臺、大數(shù)據(jù)分析平臺、AI數(shù)據(jù)、圖像處理模塊的相應(yīng)操作，具體操作功能數(shù)據(jù)如圖5所示。

3.1 移動端模塊設(shè)計

圖6為該設(shè)備的APP端軟件流程。其中的傳感器AD采樣包括：溫度AD值、濕度AD值、操作AD值、語音AD值。發(fā)出指令后，系統(tǒng)開始初始化，獲取當(dāng)前集成傳感器AD值。當(dāng)系統(tǒng)接收到AD值時，與云端標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)中的值進(jìn)行對比，結(jié)合云計算和大數(shù)據(jù)平臺數(shù)據(jù)快速反應(yīng)，若在預(yù)定區(qū)間值內(nèi)，調(diào)用數(shù)據(jù)方案，返回數(shù)據(jù);若不在區(qū)間值內(nèi)，云計算、大數(shù)據(jù)開始數(shù)據(jù)演算，生成解決方案，再返回。

3.2 機(jī)械視覺識別模塊設(shè)計

近幾年來，機(jī)械識別技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)實生活中得到了快速發(fā)展。這些系統(tǒng)由機(jī)械控制組件、圖像處理和執(zhí)行模塊組成?；瘖y品被放置在由伺服電機(jī)控制的傳輸系統(tǒng)上，伺服電機(jī)的運(yùn)動由PLC通過發(fā)送脈沖信號來控制[5]，脈沖信號將編碼器的輸出信號傳遞給PLC，從而確定化妝品的準(zhǔn)確位置。攝像機(jī)和光源系統(tǒng)安裝在發(fā)射機(jī)（CCD攝像機(jī)）上，實現(xiàn)實時圖像采集;CCD攝像機(jī)實時采集被測化妝品的原始圖像，實時提取完真品影像，然后通過圖像掃描發(fā)到云臺進(jìn)行照片信息對比[6]。美妝品在檢測和分揀時，選擇要檢測或識別的鏈路的直線或圓弧參數(shù)作為檢測或識別特征，主要流程如圖7所示。

3.3 數(shù)據(jù)量化分析模塊

大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)不僅相互獨(dú)立，還具有相互依存的關(guān)系。大數(shù)據(jù)主要注重海量信息的存儲方式和分析、處理。由于該設(shè)備中所產(chǎn)生的信息量較大且種類復(fù)雜，而且在分類和層次方面都存有不同特點(diǎn)，不僅有教學(xué)、適用推薦等常規(guī)管理性結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，還包含化妝品類別、成分、膚質(zhì)等多個方面的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。提取大數(shù)據(jù)特征并進(jìn)行分類處理，在人工分類數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上獲取數(shù)據(jù)樣本，然后對樣本進(jìn)行聚類，目的在于消除多余數(shù)據(jù)間可能性矛盾的存在，選取特征性數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行改進(jìn)評估，完善系統(tǒng)性能[7]。

主要的整合應(yīng)用如下：

（1）系統(tǒng)及平臺的構(gòu)建，在該設(shè)備的應(yīng)用系統(tǒng)和平臺構(gòu)建中，可以通過大數(shù)據(jù)及云計算技術(shù)方式實現(xiàn)整合應(yīng)用[8]，實現(xiàn)豐富現(xiàn)有美妝、護(hù)膚技巧和教學(xué)的主要目的;

（2）構(gòu)建智能使用環(huán)境，通過語音對話、膚質(zhì)錄入，結(jié)合化妝品成分分析;

（3）構(gòu)建美妝多媒體數(shù)據(jù)平臺，通過人臉錄入建模以及化妝產(chǎn)品調(diào)用，形成虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合的化妝環(huán)境。

4 結(jié) 語

本文通過對基于STM32G4的物聯(lián)網(wǎng)美妝收納盒的原

則[9]、方法、技術(shù)等方面的總結(jié)與歸納，以及對其設(shè)計方法的分析、研究，希望能夠為化妝品收納設(shè)備的設(shè)計提供較為系統(tǒng)的理論依據(jù)以及可靠的技術(shù)參考。本文采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，能有效解決化妝品在日常生活、工作中所造成的問題。同時，以數(shù)據(jù)量化的方式提升人們化妝品管理與使用水平[10]。從而最大限度地滿足用戶的真實需求，在一定程度上引起廣大用戶對智能收納的重視，使得物聯(lián)網(wǎng)美妝收納盒更好地服務(wù)于社會大眾，讓其成為解決智能美妝收納的最后一步。

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