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python 智能家居系列教程、人工智能

python 树莓派人脸识别自动开机教程

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是不是厌烦了每次回家都要点击按钮打开电脑的操作？

你如果有看过我以前的推送，是不是厌烦了每次回家都要喊“echo，turn on my pc”，让智能音箱打开电脑的操作？

现在，我们有一个全新的操作，坐到椅子上就能让电脑开机！

（避免你跟我一样，拥有一口蹩脚的英语，让echo听不懂的尴尬）

本教程所需要的工具及应用：

  1. 1.一个树莓派3
  2. 2.一个可在树莓派3上运行的摄像头（我用的是罗技C270，树莓派官方摄像头也可以）
  3. 3.Python3
  4. 4.路由器一台，及支持WakeOnLan的主机（大部分都支持）

如果你只是想在windows/macos上尝试一下人脸识别而不需要进行自动开机，则需要：

1.Python3
2.一个可运行的摄像头

自动开机效果演示：

https://pythondict-1252734158.file.myqcloud.com/home/www/pythondict/wp-content/uploads/2019/08/2019082703565322.mp4

1. 安装必要的python组件

windows/macOS:

pip install opencv-python

非常简单，和树莓派的安装复杂度不是一个级别的。

树莓派：

在树莓派上的安装过程比较复杂，需要耐心折腾，分为以下步骤：

1.1 安装Cmake等编译openCV源码的工具
sudo apt-get install build-essential cmake pkg-config
1.2 安装几种常见格式的图像操作的包
sudo apt-get install libjpeg-dev libtiff5-dev libjasper-dev libpng12-dev
1.3 安装视频操作的包
sudo apt-get install libavcodec-dev libavformat-dev libswscale-dev libv4l-dev  
sudo apt-get install libxvidcore-dev libx264-dev
1.4 openCV用于图像/GUI展示的功能依赖highgui模块，为了编译它我们需要安装libgtk2.0-dev
sudo apt-get install libgtk2.0-dev
1.5 额外依赖
sudo apt-get install libatlas-base-dev gfortran
1.6 当然，还要安装构建Python扩展所需要的头文件
sudo apt-get install python2.7-dev python3-dev
1.7 下载并编译opencv和opencv_contrib的源码

下载并解压：

cd ~
wget -O opencv.zip https://github.com/opencv/opencv/archive/4.1.0.zip
unzip opencv.zip 
wget -O opencv_contrib.zip https://github.com/Itseez/opencv_contrib/archive/4.1.0.zip
unzip opencv_contrib.zip

编译：

cd ~/opencv-4.1.0/
mkdir build & cd build 
cmake -D ENABLE_PRECOMPILED_HEADERS=OFF \ -D CMAKE_BUILD_TYPE=RELEASE \ -D CMAKE_INSTALL_PREFIX=/usr/local \ -D INSTALL_PYTHON_EXAMPLES=ON \ -D OPENCV_EXTRA_MODULES_PATH=~/opencv_contrib-4.1.0/modules \ -D BUILD_EXAMPLES=ON ..
make -j4 
make install 
make ldconfig

PS：请注意你自己放置的目录和版本的区别，make -j4 是四线程进行编译，过程大约需要2-3个小时，如果说j4编译失败，请去掉-j4这个参数，直接make (单线程，这样大约需要6-9个小时).

2. 测试你的摄像头

编写如下的Python文件，test.py：

运行本程序：

python test.py

如果成功，你将会看到你的摄像头灯亮起（如果有灯的话），屏幕出现两个窗口，一个是彩色的，一个是灰色的。

你还可以在读取到frame后对frame进行操作，如

frame = cv2.flip(frame, -1) # 垂直反转摄像头图形

对摄像头进行垂直翻转。

2. 人脸识别

人脸识别模块我们将使用Haar级联分类器，我们自己搜集人脸图片然后进行训练是比较麻烦的，好在openCV已经提供了相关的人脸识别XML文件，使用这些文件我们就能直接进行人脸或笑脸的识别，下载地址：

https://github.com/opencv/opencv/tree/master/data/haarcascades

我们代码需要用到里面的 haarcascade_frontalface_default.xml ，当然，如果你想尝试别的识别也可以进行下载。

编写如下的Python文件，test2.py:

运行本程序：

python test2.py

如果成功，当有人脸出现在摄像头范围内，则会被用蓝色框框画起来。如图所示：

3. 获取你的人脸数据作为训练集

好了，我们刚刚成功识别了人脸，现在我们需要识别出某个人脸是某个人，比如当我出现在镜头中，它要识别出这个人就是“幻象客”。

新建文件夹train_data，用于保存拍摄下来的人脸，一共拍摄五十张人脸图片，get_train_data.py：

4. 训练刚刚得到的数据

拍摄完我们的图像后，我们还需要对这些图片进行训练，train.py:

训练完成后，当前文件夹会出现trainer.yml文件，这就是我们所需要的模型文件。

5.实体对象并通知设备自动开机

现在我们就可以使用刚刚训练出来的模型文件，对人脸进行检测，以识别出该人脸的实体对象。

recognize.py 代码如下:
如果你只是在windows或者macOS上运行，直接把wake_on_lan函数调用去掉即可。

其中，在标记人脸部分，由于我们的训练集数量少，我把识别到的人脸然后开机的阈值调到了40，避免无法自动开机的尴尬之处，当识别到的人脸的信度大于40，这个人脸对应的名字是我的时候，才会进行开机操作。

这么低的信度也不需要担心识别到别人的脸也开机，经过测试，陌生人的脸大约只有10~20的信度。当然，如果你还是担心，可以把训练集增加，然后调高该判断的信度阈值。

wake_on_lan()函数中的参数，是你需要自动开机的电脑的mac地址。wake on lan 简称WOL，它能让你使用路由器通过LAN端口对某个设备进行开机的操作。本推送中的自动开机使用到的功能就是这个。你需要在路由器的管理页面中，看到本机的mac地址，并送入这个函数中。

在树莓派上运行这个Python文件，将脸凑到摄像机前，就会将mac地址对应的设备开机（当然，这个设备要连着路由器才行）。

===========================================

思考一下，其实当训练集够多的时候，准度是相当高的，如果你的照片已经保存在某些数据库中，比如尝试过人脸识别通过火车站。那么通过监控摄像头获取你每天的日常路线将轻而易举。这是一件比较可怕的事，我们需要认真思考新时代的人脸识别技术的应用范围了。

欢迎查看本系列的其他教程：

系列教程一， 本文章用到了该文章中提到的wake on lan.

1. 利用智能音箱语音控制电脑开关机

系列教程二

2. 语音控制 – 改造普通风扇

系列教程三

3. 语音控制 – 改造普通台灯

我们的文章到此就结束啦，如果你希望我们今天的Python 教程，请持续关注我们，如果对你有帮助，麻烦在下面点一个赞/在看哦有任何问题都可以在下方留言区留言，我们都会耐心解答的！

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python 树莓派语音控制普通台灯教程

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阅读这篇文章前，这两篇文章可能对你会有所帮助：

利用智能音箱语音控制电脑开关机 （必读，否则你可能不知道我在说什么）

语音控制 – 改造普通风扇 （选读）

先看看效果：

完成这项有趣的实验，你所需要的材料有：

1.电烙铁

2.一个8050三极管

3.一个继电器

4.一个路由器

5.一个树莓派

6.一个智能音箱 (我使用的是亚马逊 Echo Dot2)

7.一个普通台灯

我使用的是最基本的开关台灯，所以它只有一个开关按钮，也只有一个功能，那就是开关台灯（废话），现在我们需要让它能够被语音控制。由于我们可以让智能音箱和树莓派通信，所以只需要让台灯连接树莓派就能达成我们的目的，因此我们需要有一个能和这个台灯并联，并且能够接线出来让树莓派控制的器件。那就是继电器。

PS：为什么不能让树莓派像控制风扇一样，直接控制台灯呢？

因为台灯接的是220V电压，树莓派最大电压只有5V，树莓派是较小电流，较小电流要控制大电流则必须用继电器。

加上继电器后，其电路图就如同下面所示。

我们使用的继电器是这个小东西：

但由于我的台灯里的空间不够大（如下图所示，我还打了个孔，方便接出线），我只好拆出这个继电器的核心，当然如果你的台灯够大，就不需要考虑这一点了。

接下来讲一下继电器的使用（原理可见上方动图），其实是很简单的，把点灯开关的两条线接到COM端（共接点）和NO端(常开端)，此外DC+, DC-分别连树莓派的5V电源和接地即可。然后从树莓派任意GPIO引脚中引线接继电器的控制端，这个控制端能控制NO端的开闭，当输入1的时候就是闭合，电路连通，灯亮。

不过需要注意的是，树莓派的GPIO口是3.3V的，你需要把它转化成5V才能进行控制，怎么转化呢？那就要使用上我们上一节 语音控制 – 改造普通风扇 讲的三极管了。

接完后如下图所示

这样，硬件方面的工作我们就做完了，接下来是软件方面的工作。

其实也就是让智能音箱识别到一个控制开关的命令，跟 利用智能音箱语音控制电脑开关机 中提到的一样。让树莓派使用fauxmo，模拟成许多智能设备，模拟的配置如下：

"MyLight": {
    "path": "/home/pi/Documents/fauxmo/src/fauxmo/plugins/MyLight.py",
    "DEVICES": [
        {
        "name": "Light",
        "port": 49919,
        "on_cmd": "python2 /home/pi/Documents/Automatic/GPIO13.py on",
        "off_cmd": "python /home/pi/Documents/Automatic/GPIO13.py off",
        "state_cmd": ""
        }
    ]
}

这样，智能音箱就会把这个设备的名字识别为 Light. 因此，当你说

” turn on the light “,

它就会执行on_cmd命令,(在这个例子中，我们的path指向的文件MyLight.py即只是启动一个cmd命令而已）即执行 python GPIO13.py on . 相应地，”turn off the light”则执行off_cmd命令。

GPIO13.py 内只是控制树莓派的开关而已，如下所示，它接收两个参数，on或off. 当参数是on的时候，向树莓派的GPIO33口输出高电平，灯亮。Off的时候则输出低电平，灯灭。

# -*- coding: utf-8 -*-

import RPi.GPIO as GPIO
import time
import sys

# BOARD编号方式，基于插座引脚编号
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)

# 输出模式
GPIO.setup(33, GPIO.OUT)

def turnOn():
    GPIO.output(33, GPIO.HIGH)

def turnOff():
    GPIO.output(33, GPIO.LOW)

if sys.argv[1] == 'on':
    turnOn()

elif sys.argv[1] == 'off':
    turnOff()

重启fauxmo，让智能音箱重新搜索，就能找到这个Light的设备，然后说一句 “turn on the light”，就能享受这份折腾的成就感了。

最近我还发现，Amazon Alexa 的手机软件，还支持外网控制这些室内设备，如图。

因此，现在每当我要回到宿舍的时候，在宿舍楼下时，我都会先点击Fan，让它帮我开个风扇，然后根据我是要玩游戏还是要干活，再点击PC或Laptop. 如果是晚上，我还可以点击Light打开点灯。这就是新时代的生活，你得Catch Up。

无论是多么普通的设备，你都可以用一个树莓派把它变得智能。

我们的文章到此就结束啦，如果你希望我们今天的Python 教程，请持续关注我们，如果对你有帮助，麻烦在下面点一个赞/在看哦有任何问题都可以在下方留言区留言，我们都会耐心解答的！

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Python 树莓派语音控制普通风扇实现教程

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完成这项有趣的实验，你所需要的材料有：

其实也可以改造220V风扇，但是比较复杂，需要多一个继电器，我们下一篇讲改造台灯的时候会说到。建议开始之前先阅读上一篇文章：Python利用智能音箱语音控制电脑开关机 你会得到控制流程的整体思路。

首先是改造风扇，利用树莓派控制开关，我们的改造对象：

完成这项有趣的实验，你所需要的材料有：

1.电烙铁

2.一个8050三极管

3.一个路由器

4.一个树莓派

5.一个智能音箱 (我使用的是亚马逊 Echo Dot2)

6.一个普通的5V风扇 

其实也可以改造220V风扇，但是比较复杂，需要多一个继电器，我们下一篇讲改造台灯的时候会说到。

首先是改造风扇，利用树莓派控制开关，我们的改造对象：

像这种风扇，内部电路其实就是一个开关，它使用USB连接的5V电压，其实和树莓派的5V是一样的。所以我们可以直接使用树莓派供电。但是怎么样才能控制它开关呢？这时候我们就需要8050三极管了。

如图所示，从8050的正面(平)的这一面看过去，三极管中间的那一根即b可以作为控制端，我们可以将它连接到树莓派上的GPIO口，三极管的原理我们可以先跳过，大致先这样理解：当b端为低电平时，电路不通；当b端为高电平时，电路连通；因此，通过控制GPIO口的高低电平便能控制它的开关。我们放弃它原先的电路，使用三极管作为一个新的开关电路，如下图所示，树莓派的5V接风扇，出来后接三极管，然后接负极，b端接GPIO的第12号口，如图所示。

这样，我们通过树莓派控制Pin12#的高低电平就能控制风扇的开关。现实版焊接如图所示（没错，红色的不用管，只是线不够长我又延长了，黑色那块就是三极管，棕色那条是控制端，接树莓派的PIN12#）：

进去后，只要把正负连线分别焊接到风扇的正负极即可，如图（其实我这个甚至不用焊，直接连到风扇的正负极就可以了，焊接是怕它掉下来）：

大家如果心里没底，可以先用个LED灯接个电阻试一下三极管的控制，成功后就可以大胆上了！

下面是我们的控制代码GPIO12.py:

# -*- coding: utf-8 -*-

import RPi.GPIO as GPIO
import time
import sys

# BOARD编号方式，基于插座引脚编号
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)

# 输出模式
GPIO.setup(12, GPIO.OUT)

def turnOn():
    GPIO.output(12, GPIO.HIGH)

def turnOff():
    GPIO.output(12, GPIO.LOW)

if sys.argv[1] == 'on':
    turnOn()

elif sys.argv[1] == 'off':
    turnOff()

文件接收一个参数即 on 或 off. 当参数是on的时候，运行turnOn函数，向pin12#发送高电平，风扇开启。off的时候，则执行turnOff函数，向pin12#发送低电平，风扇关闭。

前面我们已经讲过如何用树莓派控制风扇的开关，接下来是语音控制部分。

在上一篇推送中《利用智能音箱语音控制电脑开关机》我已经介绍了模拟WEMO智能家居软件Fauxmo是如何和亚马逊Echo dot2一起工作的，所以我们这里就不再介绍了，大家如果不理解，可以仔细琢磨一下上一篇推送。

根据前面的代码，我们知道控制风扇开关的是一个Python文件，那么我们可以以这样的逻辑思路完成语音控制。

“echo, turn on the fan” -> Echo -> 向树莓派发送指令，执行Python文件，向Pin12#输出高电平，风扇启动

“echo, turn off the fan” -> Echo -> 向树莓派发送指令，执行Python文件，向Pin12#输出低电平，风扇关闭

因此在这里，我们可以继续使用之前提到的commandlineplugin.py文件。音箱收到指令后便查找有没有一个叫 fan 的设备，然后发现(树莓派上)有这样一个设备，便让它通过commandlineplugin.py执行一个文件(GPIO12.py on/off)。

在config.json的PLUGINS下添加下面的代码，注意，port可以随意设置，只要不重复就可以了，Fan 是音箱识别的名字，如果你把它改成baby，那就要 turn on (the) baby 才执行，GPIO12.py你可以放在任何你想要的位置，只要执行的时候写清楚即可，另外如前面所述，文件后面记得写上传递给它的参数。

"MyLight": {
    "path": "/home/pi/Documents/fauxmo/src/fauxmo/plugins/commandlineplugin.py",
    "DEVICES": [
        {
            "name": "Fan",
            "port": 49918,
            "on_cmd": "python2 /home/pi/Documents/Automatic/GPIO12.py on",
            "off_cmd": "python /home/pi/Documents/Automatic/GPIO12.py off",
            "state_cmd": ""
        }
    ]
}

大功告成，重启fauxmo, 然后试试echo, turn on the fan. 你会发现风扇成功运转起来了。如果你是使用的其他智能音箱，请注意，Fauxmo只适用于Echo, 你可以找一个适合于你的智能音箱的，并能让你的树莓派模拟智能家居的工具。

风扇只是牛刀小试，下一篇我们将改造台灯，那才是真正的大工程。

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Python 树莓派智能音箱语音控制电脑开关机

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完成下面这个有趣的实验，你所需要的东西有：

1.路由器（能够形成局域网，且电脑已用网线连接）

2.一个智能音箱（本教程使用的是亚马逊 Echo Dot 2）

3.主板支持wake on lan (大部分都支持)

4.一个树莓派

原理流程图如下：

接下里将按照这个流程图进行讲解，首先是智能音箱和树莓派的连接，我们需要让树莓派发出信号，让智能音箱将其认作是智能家居并连接。由于我使用的是亚马逊的智能音箱，因此我选择了Fauxmo(https://github.com/n8henrie/fauxmo)非常好用的一个工具。

1.在树莓派上安装Fauxmo

Fauxmo的安装方法见下方的操作或网址，注意这里的Python需要3.6以上：

1.git clone https://github.com/n8henrie/fauxmo.git

2.cd fauxmo

3.python3 -m venv .venv

4.source ./.venv/bin/activate

5.pip install -e .[dev]

6.cp config-sample.json config.json

7.根据需求编辑（第一次可先忽略） config.json

8.fauxmo [-v]

成功后，请让智能音箱重新搜索设备，如Echo dot是向他说

“find connected devices”，

或同一局域网下，在网页端(alexa.amazon.com/spa/index.html)上点击Discover devices.

如果它成功发现了新的设备，则安装成功。

2.修改Fauxmo配置，让智能音箱能识别到新的“设备“

Fauxmo其实很简单，我们只需要关注两个地方，一个是源文件下的config.json. 这个文件是用来控制智能音箱能够识别到的设备的。其次是plugins文件夹下的文件，这是树莓派收到指令后将执行的文件。由于开关机我们只需要使用Python进行控制，因此我偷个懒使用了Fauxmo的commandlineplugin(下载地址:https://github.com/n8henrie/fauxmo-plugins/blob/master/commandlineplugin.py). 即树莓派得到指令后就开启命令行，输入相应的操作。

我的PC的config.json配置如下：

"PcControl": {
    "path": "/home/pi/Documents/fauxmo/src/fauxmo/plugins/commandlineplugin.py",
    "DEVICES": [
        {
            "name": "PC",
            "port": 49915,
            "on_cmd":"python2 /home/pi/Documents/Automatic/turnOnPC.py",
            "off_cmd":"python /home/pi/Documents/Automatic/ShutdownAndRebootPC.py 192.168.199.236(该电脑局域网IP) 电脑账号 电脑密码 shutdown",
            "state_cmd": ""
        },
        {
            "name": "RebootPC",
            "port": 49920,
            "on_cmd": "python /home/pi/Documents/Automatic/ShutdownAndRebootPC.py 192.168.199.236 ckend ckend reboot",
            "off_cmd": "python /home/pi/Documents/Automatic/ShutdownAndRebootPC.py 192.168.199.236 ckend ckend reboot",
            "state_cmd": ""
        }
    ]
},

意思就是，如果我向echo说，turn on my PC , 它就通过49915端口访问了plugins文件夹下的commandlineplugin.py，然后on指令的操作是让CMD用python2访问/home/pi/Documents/Automatic/文件夹下的turnOnPC.py文件。

3.增加turnOnPC.py文件和ShutdownAndRebootPC.py文件

turnOnPC.py文件的用处就是通过wake on lan 唤醒电脑，需要提供电脑的Mac地址，不知道的话可以在CMD中输入 ARP -a 查询：

def wake_on_lan(macaddress):

    """ Switches on remote computers using WOL. """

    # Check macaddress format and try to compensate.
    if len(macaddress) == 12:
        pass

    elif len(macaddress) == 12 + 5:
        sep = macaddress[2]
        macaddress = macaddress.replace(sep, '')

    else:
        raise ValueError('Incorrect MAC address format')

    # Pad the synchronization stream.
    data = ''.join(['FFFFFFFFFFFF', macaddress * 20])
    send_data = ''

    # Split up the hex values and pack.
    for i in range(0, len(data), 2):
        send_data = ''.join([send_data,struct.pack('B', int(data[i: i + 2], 16))])

    # Broadcast it to the LAN.
    sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
    sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_BROADCAST, 1)
    sock.sendto(send_data, ('', 7))

如果你的主板还没有开启WOL，请进入BOOT中开启，非常简单，相关操作可自行查阅主板的说明书。

ShutdownAndRebootPC.py文件主要提供关机和重启的操作，其原理是：通过SSH连接Windows系统执行DOS关机/重启的命令。

def shutdown(ip=sys.argv[1], username=sys.argv[2], password=sys.argv[3]):
    # ssh login
    proc = pexpect.spawn("ssh %s@%s " % (str(username), str(ip)))
    index = proc.expect([".*assword.*", ".*yes.*"])

    if index > 0:
        proc.sendline("yes")
        proc.expect(".*assword.*")

    proc.sendline(password)
    proc.expect(".*你的用户名>.*")
    proc.send("shutdown.exe -s -t 00"+'\r\n')
    # 重启是 shutdown.exe -r -t 00
    time.sleep(1)

上述turnOnPC.py文件和ShutdownAndRebootPC.py文件的源代码在https://github.com/Ckend/Pi-SmartHome 中可以下载，请根据自己的需要进行修改。

将上述文件放到前面指定的/home/pi/Documents/Automatic/下，重启fauxmo，并让智能音箱重新搜索，找到这几个新增的设备，分别是：PC和RebootPC.成功后只要说 “Turn off PC” 即可关闭计算机。

由于fauxmo仅仅适用于亚马逊音箱，所以使用其他音箱的同学可能需要寻找一个相应的模拟WeMo或其他智能设备的项目。接下来还会推送风扇和台灯的改造计划，让普通的它们变成可以语音控制的智能家居。希望各位折腾的开心。

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