一种基于STM32的智慧钢琴助手
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摘 要：针对钢琴初学者往往会因弹琴姿势不对而造成疼痛损伤，同时在冬天练琴会因琴键太冷而出现手指僵硬的问题，提出了一种基于STM32的智慧钢琴助手。该智慧钢琴助手具有坐姿自动识别、语音提示、音频录制、指纹信息识别、送暖等功能。通过摄像头捕捉弹奏者的坐姿图像，实时判断其坐姿是否正确，并通过语音提示。送暖模块能够在冬天送出暖风温暖琴键，在夏天送出自然风以防止手指出汗。同时可以通过系统的音频录制功能存储弹奏者的演奏，通过回听寻找问题。该助手还具有师-生-家互助模块，能有效实现学习过程中的信息互通，从而更好地提升学习效率和演奏效果，以吸引更多儿童参与学习，在学习中获得音乐的乐趣。
关键词：智慧钢琴助手;坐姿识别;送暖模块;STM32;数据传输;视频采集
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）06-00-02
0 引 言
随着物联网技术的广泛应用，传统的儿童练琴方式暴露出诸多问题：儿童弹琴的坐姿不正确，导致练琴效率低下，长此以往不仅会形成不良习惯，更影响身体健康;冬天练琴时冰冷的琴键容易造成手指僵硬;缺少与老师交流的平台，儿童在家练琴暴露的问题家长无法及时指正。针对上述问题，文中设计了一款多功能智慧钢琴助手。
1 系统总体设计
系统总体设计如图1所示。核心芯片采用STM32F407，外设包括指纹识别模块、无线传输模块、摄像头、语音播报模块、录放音模块和PTC发热体送风模块等。录音模块记录弹奏的曲目，指纹模块统计考勤，摄像头模块记录当前用户弹奏的坐姿，STM32F407单片机记录数据后，通过无线传输模块将数据传输至云端库中，待弹奏坐姿与正确坐姿对比后，将正误结果传输至APP端显示，还可通过语音播报模块播报当前情况，人员考勤记录用以进行弹奏时间的计算。系统还可判断弹奏者的练习曲目，并在APP查看相关数据[1-4]。
2 系统功能及组成
系统由音频系统、送风系统、信息采集系统、信息传输系统和信息处理及显示系统组成。
2.1 音频系统
音频系统由话筒与扬声器模块构成，当用户弹奏琴曲时，按下按钮，系统将自动通过话筒模块记录弹奏过程并储存。在弹奏结束后，可选择重复播放弹奏内容，以达到反思弹奏过程中存在的不足并及时改正的目的[5-6]。
2.2 送风系统
送风系统可在天气寒冷时送出热风温暖琴键，减少用户弹奏时由于手指僵硬带来的不适和损伤，强化练琴效果。系统由风机、PTC发热体组成，通过调节控制器的机械旋钮，可对送风温度及风速进行调整。
2.3 信息采集系统
信息采集系统由指纹模块及摄像头模块构成。指纹模块用于采集练琴者的考勤信息，并传输至STM32F407单片机处理后储存;摄像头模块负责采集坐姿图像及实时图像。
2.4 信息传输系统
信息传输系统由RT5350模块、ESP8266及GSM模块组成。GSM模块将经过云端数据库进行数据对比后的结果（练琴曲目）及人员考勤时间统计（通过指纹模块记录）通过发送短信的方式通知家长。传输系统主要传输三种数据：将摄像头采集的坐姿图像通过RT5350传输至云端服务器进行处理;将音频录制模块采集的弹奏曲目的音频文件通过ESP8266模块传输至云端服务器进行储存和识别;将考勤人员初次录入的指纹通过ESP8266模块传输至云端服务器数据库储存。
2.5 信息处理及显示系统
信息处理及显示系统分为信息处理和显示两部分。
2.5.1 信息处理部分
坐姿识别：首先利用大量儿童弹奏钢琴的图片作为数据集，创建对应的训练集和测试集，利用model-master训练得到Pb监测模型，然后载入Tensorflow-master文档发送给AndroidStudio软件，最后运行AndroidStudio软件生成一个可执行弹奏姿态检测任务的APP。通过该APP完成钢琴弹奏视频流的采集和实时分析工作，将弹奏情况划分为相应的等级，及时将分析结果发送给家长或老师，以方便他们对孩子在家或在学习场所的情况随时掌控和指导。实时图像处理：通过特定的压缩算法，将实时弹奏过程储存并传输。指纹数据处理：将通过ESP8266模块上传的指纹数据储存后建立数据库，将其保存建档。
2.5.2 显示部分
在APP端显示坐姿识别结果，根据正误与否显示相应提示;在APP端显示处理压缩后的实时弹奏过程图像;在APP端显示考勤人员相关信息，如姓名、练琴时长等。
3 图像数据采集及图像数据传输实现
基于Linux系统图像数据的采集及传输主要由RT5350实现，姿势动作图像的采集是系统成功的关键，需将USB摄像头采集的数据转化为媒体流数据并保存，需要使用Linux驱动中的UVC协议。Linux内核版本高于2.6则使用Video4Linux2 （V4L2），配合适当的硬件，如视频采集卡、USB摄像头等实现对视频图像的采集、压缩等功能。V4L2为视频数据采集的应用程序提供了接口函数，如open（），read（），write（）等，这些接口函数能够实现对设备的管理。管理内容包括对设备信息的查询、图像属性的设置、视频的捕捉等，方便图像数据的采集、开发。图2所示为V4L2视频采集的基本流程。
由于采集的原始数据是YUV格式，视频信号数据量大，为节省网络带宽及存储资源，须对采集的视频数据压缩编码。首先对采集的视频数据进行压缩处理，之后服务器端在采集结束后监听客户端的访问请求。若收到来自客户端的访问请求，则服务器端将视频数据返回至客户端。系统基于TCP传輸协议设计，图3所示为Socket通信传输流程。
4 系统软件设计
系统软件部分主要包括基于Android系统的钢琴弹奏图像采集处理系统及网页、APP客户端的信息发布。系统软件设计流程如图4所示，软件功能框图如图5所示。
5 结 语
智慧钢琴助手不仅有效解决了教-学-练的及时性问题，更提升了儿童学习的乐趣。通过打通师-生-家环节，方便学生无论何时、何地都能在科学的指导下练习。
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