STM32传感器模块编程实践(十六)DIY人脸识别智能垃圾桶模型

一.概要

上次介绍了款语音对话交互的智能垃圾桶，这次我们更复杂点，增加实现人脸识别的功能，就形成了一款人脸识别智能垃圾桶。

本文就做一个人脸识别感应垃圾桶套件模型，采用STM32F103C8T6单片机+舵机+语音交互模块+人脸识别模块，语音交互模块主要是实现验证语音口令是否正确，只有口令正确的人脸才能注册录入，人脸注册好后，只要刷人脸就能实现垃圾桶打开。

二.实验模型原理

1.硬件连接原理框图

模型主要分为五部分:主芯片单元，语音对话单元，执行动作单元，人脸识别单元。

图中主控芯片为STM32F103C8T6单片机，语音对话单元为ASR-PRO模块，执行传感器为180度SG90舵机，人脸识别单元为人脸识别模块。

信号线连接:SG90(180度)舵机的信号脚橙色线接到单片机的PA6脚。ASR-PRO模块接单片机的PB5,PB6,PB7,PB8,PB9引脚。人脸识别模块接单片机的串口通讯引脚PA9,PA10引脚。

2.控制原理

语音模块交互原理：
语音交互模块是一款集成了离线语音识别功能的模块，用户可以通过该模块实现语音识别功能，外部加上麦克风与喇叭，就能实现语音识别与对话。

语音核心板固件程序可以通过 USB转 TTL模块连接实现硬件连接下载，接线是 5V,GND,TX,RX四根线。

使用语音模块的开发软件，天问 Block 编程软件，制作好图形化语音对话控制程序，下图是语音交互程序，接收的语音命令是"打开"，生成模型后，点击2M编译下载，连接USB转 TTL模块就能实现对语音模块进行固件程序下载。

舵机控制原理：
SG90舵机，首先，控制引脚是三根线，分别是GND(棕色)、VCC(红色)、PWM(黄色)，控制方式也是一样的PWM时序，具体的方法如下：

（1）采用PWM控制的方式来进行舵机的旋转
（2）舵机的控制需要MCU产生一个20ms周期的脉冲信号，以0.5ms到2.5ms的高电平来控制舵机的角度。
（3）高电平时间跟舵机旋转的角度对应关系:
0.5ms-------------0度；对应函数中占空比为2.5%
1.0ms------------45度；对应函数中占空比为5.0%
1.5ms------------90度；对应函数中占空比为7.5%
2.0ms-----------135度；对应函数中占空比为10.0%
2.5ms-----------180度；对应函数中占空比为12.5%

人脸识别模块原理：
BE5100人脸识别模块是一个串口通讯模块，单片机只要通过UART口就能跟人脸识别模块进行通讯，可以实现人脸的录入，人脸识别，人脸删除等功能。

串口通讯参数：

指令格式：

以下对指令包中各域进行说明。
1：同步域（SyncWord）：作为指令包开头的字节，固定为 EF AA。
2：消息类别（MsgID）：消息类别主要分成 3 类，命令消息（Command）、应答消息（Reply）和通知消息（Note）。
3：数据域字节数（Size）：数据域包含的字节数。
4：数据域（Data）：需要传输的具体数据，如确认码、参数等。若无数据传输，数据域可为空。
5：校验域(Check)：对 MsgID、Size、Data 这三个区域所有字节按位进行异或运算(XOR)。

消息类别MsgID主要定义如下：

三.实验模型控制流程

1.人脸识别模块先识别人脸，如果是没有录入过的人脸，单片机PB6引脚输出高电平，单片机的PB6与语音交互模块的PA2是相连的，语音模块读到PA2引脚为高电平，语音模块就会输出"人脸未注册，请输入口令"，这样操作者就得发出"打开"的语音。语音交互模块收到"打开"的语音后，语音模块的PA4引脚输出高电平，单片机的PB9引脚读到高电平后，程序内部允许人脸识别模块进行录入的动作，录入成功之后，单片机的PB7引脚输出高电平，由于单片机的PB7引脚与语音模块的PA1引脚是相连的，语音交互模块就会读取PA1引脚，如果引脚为高电平，语音模块就输出"人脸录入成功"的语音。

2.单片机一直在与人脸识别模块进行串口通讯，在收到人脸识别成功的串口帧之后（标识符ID:0x12），单片机就会通过PA6引脚输出20ms周期的PWM波，PWM波高电平脉冲时间为2.5ms，这样舵机就会旋转180度，从而带动垃圾桶的盖打开，垃圾桶保持打开状态不变。同时单片机还会控制PB5引脚输出高电平，由于单片机的PB5引脚与语音模块的PA3引脚是相连的，语音识别模块的PA3引脚读取到高电平之后，就会输出"人脸识别成功"的语音。

3.垃圾桶盖打开10秒之后，垃圾桶盖就自动闭合。

四.人脸识别垃圾桶模型程序

单片机板子与SG90舵机(180度舵机)用杜邦线连接：
板子5V----红色线
板子A6----橙色线
板子G-----棕色线单片机板子与人脸模块用杜邦线连接：
板子5V------V
板子A9------R
板子A10----T
板子G-------G单片机板子与语音交互模块在底座上直接连接：
板子5V------语音5V
板子B5------语音PA3
板子B6------语音PA2
板子B7------语音PA1
板子B8------语音PA0
板子B9------语音PA4
板子G-------语音GND

USB线需要接小系统板，给STM32板子供5V, 板子与语音模块直接相连，板载麦克风，板子再外接一个喇叭。

实物地址

打开STM32CubeMX软件，新建工程

Part Number处输入STM32F103C8，再双击就创建新的工程

配置下载口引脚

配置外部晶振引脚

配置系统主频

PB5，PB6，PB7配置成输出，PB8，PB9配置成输入，而且是下拉输入，因为要读取语音模块输出的高电平信号。

配置PWM输出，定时器3通道1，周期20ms

PA9，PA10配置成USART串口引脚，波特率115200，中断使能，方便接收数据

配置工程文件名，保存路径，KEIL5工程输出方式

生成工程

用Keil5打开工程

添加代码

添加人脸识别成功控制舵机驱动代码：

添加人脸注册成功代码：

主要程序：

/* USER CODE BEGIN 0 */
uint32_t ShiBieControl;//人脸识别周期计数
uint32_t FaceLuruFlag;//1:录入人脸中
uint32_t FaceLuruTime;//人脸录入周期控制
uint16_t Pluse_Time=500,Old_Pluse_Time;//单位是us
uint8_t OpenFlag;//垃圾桶打开状态标志 1：打开 0：关闭
uint8_t CloseTime;//自动关闭垃圾桶时间计数
/* USER CODE END 0 *//*** @brief  The application entry point.* @retval int*/
int main(void)
{/* USER CODE BEGIN 1 *//* USER CODE END 1 *//* MCU Configuration--------------------------------------------------------*//* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */HAL_Init();/* USER CODE BEGIN Init *//* USER CODE END Init *//* Configure the system clock */SystemClock_Config();/* USER CODE BEGIN SysInit *//* USER CODE END SysInit *//* Initialize all configured peripherals */MX_GPIO_Init();MX_TIM3_Init();MX_USART1_UART_Init();/* USER CODE BEGIN 2 */HAL_UART_Receive_IT(&huart1,(unsigned char*)&UartRxData,1);//接收中断打开Uart1_Send_Reset();//模组复位命令。HAL_Delay(2000);Data_Send_Cmd=1;//开启人脸识别if (HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK)//PA6脚PWM输出{/* PWM generation Error */while(1);}HAL_Delay(200);//等待200ms//以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的（t为高电平时间）：//t=0.5ms（占空比2.5%）---------0°；//t=1.0ms（占空比5%）-----------45°；//t=1.5ms（占空比7.5%）---------90°；//t=2.0ms（占空比10%）---------135°；//t=2.5ms（占空比12.5%）-------180°；Pluse_Time=500;//0.5ms高电平脉冲，用于控制舵机转到0度HAL_TIM_PWM_Stop(&htim3, TIM_CHANNEL_1);//PWM停止输出HAL_Delay(100);//等待100msMX_TIM3_Init();//重新初始化配置PWM波if (HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK)//PA6脚PWM输出{/* PWM generation Error */while(1);}HAL_Delay(2000);//等待2000msHAL_TIM_PWM_Stop(&htim3, TIM_CHANNEL_1);//PWM停止输出	/* USER CODE END 2 *//* Infinite loop *//* USER CODE BEGIN WHILE */while (1){/* USER CODE END WHILE *//* USER CODE BEGIN 3 */ShiBieControl++;HAL_Delay(500);//等待500msif(ShiBieControl>=4 &&( FaceLuruFlag==0||FaceLuruFlag==0x55))//没有人脸录入情况下，人脸识别时间可以短点{ShiBieControl=0;Data_Send_Cmd=1;//开启人脸识别}if(ShiBieControl>=10 && FaceLuruFlag==1)//有人脸录入情况下，人脸识别时间需要长点{ShiBieControl=0;Data_Send_Cmd=1;//开启人脸识别}Sound_Control();//控制语音模块输出if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_9)==GPIO_PIN_SET && FaceLuruFlag==0)//口令通过可以允许录入人脸{Data_Send_Cmd=2;//启动添加人脸FaceLuruFlag=1;ShiBieControl=0;//手动添加人脸过程中，不进行识别判断}if(FaceLuruFlag==1){FaceLuruTime++;if(FaceLuruTime>=20)//如果添加人脸没有成功，10秒之后再允许添加人脸{FaceLuruFlag=0;FaceLuruTime=0;}}Uart1_Deal();//与人脸识别模块通讯 if(OpenFlag==1)//长时间打开垃圾桶，10秒后自动关闭垃圾桶{CloseTime++;if(CloseTime>=20){CloseTime=0;OpenFlag=0;Pluse_Time=500;HAL_TIM_PWM_Stop(&htim3, TIM_CHANNEL_1);//PWM停止输出MX_TIM3_Init();//重新初始化配置PWM波if (HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK)//PA6脚PWM输出{while(1);}HAL_Delay(500);}}}/* USER CODE END 3 */
}
//人脸识别模块串口协议解析主函数
void Uart1_Deal(void)  //主循环函数。
{Uart_RecvFlag();//循环调用接收完成函数 是否接收完成。/*发送命令判断*/if(Data_Send_Cmd != 0x00){switch(Data_Send_Cmd) //发送命令{case 0x01: //启动人脸识别 {//Uart1_Send_Verify();HAL_Delay(1000);Data_Send_Cmd = RESET; //单次循环命令清零。break;}case 0x02:    //启动添加人脸命令。。。{Uart1_Send_EnrollSingleWithID_Point_User_ID();HAL_Delay(1000);Data_Send_Cmd = RESET; //单次循环命令清零。break;}case 0x03:    //删除所有人脸特征的命令。。。。{Uart1_Delete_all_User_ID();Data_Send_Cmd = RESET; //单次循环命令清零。break;}case 0x04:    //模组复位命令 备用未使用。。{Uart1_Send_Reset();Data_Send_Cmd = RESET; //单次循环命令清零。break;}case 0x06:    //。。。{Data_Send_Cmd = RESET; //单次循环命令清零。break;}default:{break;}}}Uart_RecvFlag();//循环调用接收完成函数 是否接收完成。// 数据接收完成if(Usart1Data.receive_flag == SET) //接收完成标志位。   在中断里设置的接收完备{Usart1Data.receive_flag = RESET; //重新复位
//接收判断是什么状态。switch(Usart1Data.Uart_RxBuff[5]) //收到模块发送了过来的数据{case 0x10:    //这个是异或校验值{//复位成功/////****复位命令  在自己单独的工程项目中需要时候使用****/////Usart1Data.Uart_RxBuff[5] = 0;break;}case 0x01:    {//通知包/////*****/////备用未使用Usart1Data.Uart_RxBuff[5] = 0;break;}case 0x12: //识别{if(Usart1Data.Uart_RxBuff[6] == 0x00 &&((Usart1Data.Uart_RxBuff[7] << 8) + Usart1Data.Uart_RxBuff[8]) < 101) //ID最大的值是1----100   //识别成功后有数据。   {/*识别成功后的ID*/Face_ID =	Usart1Data.Uart_RxBuff[7]<<8 |Usart1Data.Uart_RxBuff[8];Display_Cmd = 0x02;//人脸识别成功,播放语音"人脸识别成功，打开垃圾桶"   }else if(Usart1Data.Uart_RxBuff[6] == 0x08 && Usart1Data.Uart_RxBuff[7] == 0x18) //没有已录入的用户  未检测到人脸  {Display_Cmd = 0x04;//显示未注册,播放语音"人脸未注册，输入口令录入人脸"  }//如果都不是识别到的数据。都不是识别到的IDelse  ///    EF AA 00 00 26 12 08 FF FF 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 3C  //对应的识别失败。Uart_RxBuff[7]  Uart_RxBuff[8]  是 FF FF 就是识别失败 成功会返回识别到的正确ID。{//识别失败Display_Cmd = 0x03;//人脸识别失败}break;   //正常switch识别到然后退出。。。。//去显示识别成功。}case 0x1D:	 //这个是 添加人脸特征值返回的数据。{if(Usart1Data.Uart_RxBuff[6] == 0x00)//注册成功{Face_ID =	Usart1Data.Uart_RxBuff[7]<<8 |Usart1Data.Uart_RxBuff[8];//添加成功后返回添加的ID值是多少。HAL_Delay(1000);Display_Cmd = 0x07;//注册成功，播放语音"人脸录入成功"  ShiBieControl=0;//刚注册完成，不立即进行识别}			else if(Usart1Data.Uart_RxBuff[6]==0x0D) //杭州模组录入超时  录入的时候没有人脸的情况下。{Display_Cmd = 0x09;//显示录入失败}else{Display_Cmd = 0x09;//显示录入失败}break;}case 0x21:  // 删除所有人脸 回复命令  {Display_Cmd = 0x0A; //显示清除人脸中 然后显示清除成功。break;}default:{break;}	}			}
}

语音模块是通过图形化编程，用天问软件，流程代码如下：

五.实验效果视频

STM32单片机人脸识别智能垃圾桶模型

六.小结

融合了舵机，语音交互模块，人脸识别模块的控制，对STM32的单片机的定时器PWM功能，定时器功能，USART串口通讯有更深的了解。