智能产品综合开发实践 - 助眠呼吸灯

1 实训选题目的

        提高学生对生活实际应用场景中问题的发现、描述、分析和产品设计能力，对所学人工智能专业知识的综合应用能力，要求同学们能综合运用前期课程中所学习到的Linux操作系统、Python程序设计、人工智能数据处理、机器学习技术及应用、计算机视觉技术、响应式网页设计、创新创业教育、 数据库基础（可能涉及）、软件工程、人工智能产品开发等知识，开发有一定创新、实用价值人工智能产品。

2 实训任务目的

        通过本实训任务，旨在使团队成员掌握树莓派硬件的基本组成，完成树莓派硬件搭建、新版64位桌面版系统烧录安装及SSH、VNC、用户密码等基础配置。通过这些步骤，团队将能够远程控制树莓派，为开发“助眠呼吸灯”项目打下坚实的基础。此外，本任务还将帮助团队成员熟悉树莓派的操作系统环境，确保后续开发过程中能够有效地进行编程和调试，以实现助眠呼吸灯的各项功能。

3 实训介绍

（一）必备功能说明：

1. 系统能够感知用户的呼吸频率，通过调整灯光亮度和颜色，模拟自然呼吸效果，帮助用户放松。这种模拟自然呼吸的灯光效果，可以让用户感觉仿佛在自然环境中呼吸，有助于缓解压力和焦虑，进而促进放松和睡眠。
2. 系统能够根据用户的心率变化，智能调节灯光的亮度和颜色，以促进用户进入睡眠状态。通过监测用户的生理信号，如心率和呼吸频率，系统可以自动调整灯光，创造一个有利于睡眠的环境。
3. 设备能够根据预设的助眠模式，逐渐降低灯光亮度，引导用户自然入睡。这种渐进式的调光技术可以帮助用户逐渐适应黑暗环境，减少对突然黑暗的不适感，从而更容易入睡。

        LED三色灯用于模拟不同环境光，由红色、绿色和蓝色LED组成。LED三色灯是一种新型的照明技术，其外形图如图8_1所示。这种灯光技术通过组合红色、绿色和蓝色三种基本颜色，可以产生广泛的颜色范围，从而模拟各种环境光，为用户提供多样化的照明体验。其外形图8_1所示。

图8_1 LED三色灯实物图

4 实训组件

1. 树莓派主板1块
2. 树莓派电源适配器1个
3. 40P软排线1根
4. LED三色灯1个
5. 面包板1个
6. 跳线若干
7. 电阻若干（用于LED灯电流限制）
8. 杜邦线若干（用于连接面包板上的组件）

5 实训原理

        助眠呼吸灯的原理是通过控制LED三色灯的亮度和颜色变化，模拟自然呼吸的效果，以及根据用户的生理状态调整光线，以促进放松和改善睡眠质量。该系统主要由树莓派主板控制，通过读取环境光传感器或用户可穿戴设备的数据，智能调节LED灯的状态。以下是助眠呼吸灯的核心工作原理：

1) 树莓派主板作为系统的控制中心，负责处理输入信号并输出控制信号。

2) 环境光传感器（如果使用）检测周围环境的光照强度，并将数据发送给树莓派。

3) 树莓派根据接收到的数据，计算出需要调整的灯光亮度和颜色，以模拟自然呼吸或匹配用户的生理状态。

4) LED三色灯接收来自树莓派的控制信号，通过改变红、绿、蓝三种颜色LED的亮度比例，混合出不同的颜色和亮度。

5) 系统还可以根据预设的助眠模式，逐渐改变灯光状态，引导用户进入睡眠状态。

6) 电阻和跳线用于电路的连接和电流限制，确保LED灯的工作安全和稳定。

图10_1 系统功能结构图

        上图展示了LED三色灯的系统功能结构。树莓派通过软件程序控制LED灯的状态，实现助眠功能。

6 实训步骤

6.1 需求分析

表11_1 项目功能概览表

6.2 最终代码展示

import RPi.GPIO as GPIO
import time

# Set the GPIO mode to BOARD
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)

# Define the GPIO pins for the RGB LED
RED_PIN = 11
GREEN_PIN = 13
BLUE_PIN = 15

# Set up the GPIO pins as outputs
GPIO.setup(RED_PIN, GPIO.OUT)
GPIO.setup(GREEN_PIN, GPIO.OUT)
GPIO.setup(BLUE_PIN, GPIO.OUT)

# Create PWM objects for each LED
pwm_red = GPIO.PWM(RED_PIN, 50)
pwm_green = GPIO.PWM(GREEN_PIN, 50)
pwm_blue = GPIO.PWM(BLUE_PIN, 50)

# Start each PWM channel with 0% duty cycle
pwm_red.start(0)
pwm_green.start(0)
pwm_blue.start(0)

# Function to perform the breathing effect on a single LED
def breathe(pin_pwm, steps, pause):
    # Fade in
    for dc in range(0, 101, steps):
        pin_pwm.ChangeDutyCycle(dc)
        time.sleep(0.1)
    time.sleep(pause)  # Pause at full brightness
    # Fade out
    for dc in range(100, -1, -steps):
        pin_pwm.ChangeDutyCycle(dc)
        time.sleep(0.1)
    time.sleep(pause)  # Pause at off state

# Main program loop
try:
    for _ in range(2):  # Loop twice for the entire sequence
        # Perform the breathing effect on the red LED
        breathe(pwm_red, 5, 0.5)
        # Turn off the red LED
        pwm_red.ChangeDutyCycle(0)
        
        # Perform the breathing effect on the green LED
        breathe(pwm_green, 5, 0.5)
        # Turn off the green LED
        pwm_green.ChangeDutyCycle(0)
        
        # Perform the breathing effect on the blue LED
        breathe(pwm_blue, 5, 0.5)
        # Turn off the blue LED
        pwm_blue.ChangeDutyCycle(0)

except KeyboardInterrupt:
    # If the user sends a keyboard interrupt (Ctrl+C), exit the loop
    print('Ctrl + C quit')

finally:
    # Clean up GPIO resources
    pwm_red.stop()
    pwm_green.stop()
    pwm_blue.stop()
    GPIO.cleanup()
    print('over')

6.3 实验结果展示

        三色LED灯通过控制颜色，组合出不同颜色，依次逐渐亮逐渐暗，实现呼吸灯效果，完成最终展示，如图11_6所示。

图11_6 呼吸灯效果展示

7 参考文献

[1]张美平,吴德平,王灿杰,谢玮铭.基于树莓派的智能家居设计与实现[J].计算机系统应用,2019,28(8):109-114

[2]唐永军.基于深度学习的智能语音助手研究[J].现代信息科技, 2021, 5(12):5.DOI:10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.12.020.

[3]刘帆.基于深度学习的语音识别研究[D].河北工业大学[2024-10-18].DOI:CNKI:CDMD:2.1017.874101.

[4]孙可,刘忠武,吴雨洽,等.基于Python的深度学习语音识别[J].沈阳师范大学学报：自然科学版, 2019, 37(3):4.DOI:CNKI:SUN:SYSX.0.2019-03-018.

[5]华亚军,魏钒,孙建,等.一种基于树莓派的LED灯行为自动化测试系统:CN202022518127.6[P].CN213715422U[2024-10-18].

[6]阳秋光,成建宏.基于树莓派的智能灯光控制系统设计[J].电脑知识与技术：学术版, 2018(10Z):3.DOI:CNKI:SUN:DNZS.0.2018-29-097.