基于Arduino 33 BLE的智慧教室

方案介紹

介紹
我們都遇到了到達(dá)公共圖書(shū)館或共享學(xué)習(xí)空間的問(wèn)題，準(zhǔn)備學(xué)習(xí)和工作，卻發(fā)現(xiàn)沒(méi)有可用空間。在我們的項(xiàng)目中，我們旨在通過(guò)引入一個(gè)跟蹤座位占用情況的應(yīng)用程序來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，并提前通知您可用空間。

描述
我們的項(xiàng)目由兩個(gè)主要部分組成，椅子和一個(gè) Android 應(yīng)用程序。

椅子上牢固地連接著一個(gè) Arduino Nano 33 BLE，它通過(guò)人工智能增強(qiáng)程序跟蹤椅子的占用情況，該程序已經(jīng)學(xué)習(xí)并在我們的坐姿習(xí)慣上進(jìn)行了測(cè)試。

藍(lán)牙和 Arduino

對(duì)于該項(xiàng)目，我們使用了 Arduino 33 BLE，因?yàn)樗粋€(gè)藍(lán)牙模塊和一個(gè)加速度計(jì)，這兩者都使編寫(xiě)程序更容易，因?yàn)橥獠孔兞亢蜐撛趩?wèn)題更少。

我們使用預(yù)定義的 ArduinoBLE 庫(kù)初始化 Arduino 的藍(lán)牙連接，然后我們使用示例藍(lán)牙程序的某些部分來(lái)幫助我們開(kāi)始。

我們必須注冊(cè)一個(gè)新的 BLE 服務(wù)，通過(guò)該服務(wù)，數(shù)據(jù)將以“1”或“0”的字符串形式發(fā)送和接收，指示椅子是否被占用。

設(shè)置本地名稱(chēng)后，我們只發(fā)送電池狀態(tài)并查看 Arduino 是否連接到手機(jī)來(lái)測(cè)試 BLE 連接。幸運(yùn)的是它做到了，所以我們進(jìn)入了項(xiàng)目的下一部分，即機(jī)器學(xué)習(xí)算法。

機(jī)器學(xué)習(xí)細(xì)節(jié)
為了提供占用檢測(cè)，我們對(duì)用戶(hù)坐下或站立時(shí)產(chǎn)生的特定振動(dòng)模式實(shí)施了邊緣機(jī)器學(xué)習(xí)分析。這是使用 Edge Impulse 庫(kù)完成的。為了提供訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的良好數(shù)據(jù)集，我們記錄了大約五分鐘的標(biāo)記記錄以及測(cè)試/驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

在進(jìn)行神經(jīng)分析之前，數(shù)據(jù)被分成兩秒的塊并使用頻譜分析進(jìn)行參數(shù)化。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)包含 207 個(gè)特征的向量，然后將其傳遞到具有 207 個(gè)神經(jīng)元的輸入層。使用具有 96、56 和 30 個(gè)神經(jīng)元的三個(gè)隱藏層，最后使用一個(gè)具有 3 個(gè)神經(jīng)元的輸出層，代表三個(gè)分類(lèi)標(biāo)簽：坐下、站立和空閑。在我們標(biāo)記的測(cè)試數(shù)據(jù)上，準(zhǔn)確率達(dá)到了 93%。

然后將分類(lèi)模型導(dǎo)出為 Arduino 庫(kù)并與我們的設(shè)備固件集成，該固件分析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成的標(biāo)簽

首先，我們從 Edge Impulse 網(wǎng)站下載了 .zip 庫(kù)，并打開(kāi)了一個(gè)名為 nano_33ble_sense_accelerometer_continuous 的示例程序。程序持續(xù)跟蹤椅子的占用情況，并每秒通過(guò)串行連接傳輸狀態(tài)。我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中測(cè)試了該程序的準(zhǔn)確性，并對(duì)結(jié)果感到滿(mǎn)意，因?yàn)樗冀K檢測(cè)到正確的條件。

為了接收和顯示數(shù)據(jù)，我們使用了一個(gè) MIT 應(yīng)用程序發(fā)明者開(kāi)發(fā)的安卓應(yīng)用程序。它是快速原型和開(kāi)發(fā)相當(dāng)復(fù)雜的應(yīng)用程序的有用工具。

該應(yīng)用程序有 3 個(gè)主要屏幕和功能：

在主屏幕上，您連接到 arduino 的 BT 模塊，并可以顯示椅子的占用數(shù)據(jù)。在頂部，您可以選擇要檢查占用率的庫(kù)（現(xiàn)在您只選擇庫(kù)并沒(méi)有真正發(fā)生，因?yàn)槲覀冞€沒(méi)有實(shí)現(xiàn)全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)或服務(wù)器，您可以將數(shù)據(jù)保存到其中）訪(fǎng)問(wèn)其他兩個(gè)屏幕在主頁(yè)上有兩個(gè)按鈕。

每個(gè)頁(yè)面都有自己的scratch代碼，但只是為了了解一下，這里是主屏幕的部分代碼，但最后你也可以找到mit app發(fā)明者的文件，在那里你可以進(jìn)一步探索細(xì)節(jié)的代碼。并確定占用狀態(tài)：空閑或占用。為了提供直接的視覺(jué)反饋，控制 RGB LED 以反映占用情況 - 綠色表示空閑，紅色表示占用。