基于树莓派4B技术的面膜打印机
基于树莓派4B技术的面膜打印机
卢智浩
摘要：在医美技术日益成熟的今天，越来越多的人意识到护肤的重要性，尤其是传统医美行业蕴含着巨大的商业价值。而面膜作为传统护肤品的一种类别，得到了人们的普遍使用。然而，普适化的面膜已无法满足消费者对私人化、定制化的需求。因此，本文致力于满足当今人们对个性化面膜的需求，并在此基础上设计了此款智能面膜打印机。该产品是基于3D打印技术与人脸肤质检测技术，并结合app建设的智能面膜打印机。旨在服务于当今人们对个性化面膜的需求，具有实时性、便捷性、个性化定制等特点。针对不同肤质进行治理。
关键词：面膜；3D打印技术；人机交互；定制化；树莓派4B
中图分类号：G632 文献标识码：A
0 前言
面膜打印机采用先进的微电脑控制芯片、视觉感知探测装置、机械传动部分组成，是集机光电于一体的高科技新产品。针对不同人群、不同面部部位的需求，选择不同的喷涂底液。本作品是一款集个性化、专业化、智能化、精细化于一体的新型定制面膜打印机，实现定制化与个性化护肤。通过图像识别技术对面部不同区域的肤质情况进行分析，对面膜纸对应区域喷洒原液，从而达到不同部位、不同成分的精准化面膜定制，解决了传统贴式面膜无法对症下药的问题。面膜纸放置于移动式板的可拆卸部分，保证了面板可随时清洁的特点，同时箱体内部有紫外线消毒灯，保证了机器内部环境与面膜干净的特点。面膜液盒的数量为4个，在满足大众对于面部改善例如去皱、保湿、除油、美白等基础需求上减少了面膜盒的数量，降低了产品的重量。液体雾化喷头数量为1个，且液体雾化喷头由一个电机和一组皮带轮带动，实现在横向的运动，移动式加热面膜板在两个电机和丝杠的带动下做纵向运动，两者结合从而达到一定面积内的最有效喷涂路径。移动式加热面膜板配备有金属加热丝，在喷涂面膜液的同时增加了给面膜加热的功能，使成品面膜处于一种温暖的状态，在作用于面部时，加速毛孔的扩张，使皮肤更易吸收成分，同时本发明将面部识别与舌像识别相结合，提供更准确的服务，提高了面膜的使用效果与用户的体验感。
1 面膜打印机系统设计
该项目基于3D打印技术，控制部分硬件系统以Raspberry Pi 4 Computer Model B联合STM32与HC-05蓝牙串口通信模块构成智能操控系统，实现智慧控制。气泵、液泵构成简易回路，将液体雾化喷出。步进电机、同步带、滚珠丝杆构成运动回路，实现喷涂。系统可以通过 2 种方式实现控制。1）由连接设备终端节点和应用端，用户通过手机 App 或在 PC 端上发送命令，以此来控制相关模块。2）用户直接操作触摸面板控制面膜打印机。
1.1硬件设计
面膜打印机主体为亚克力框架结构，长 45cm，宽 50cm，高50cm，如图 1 所示，该系统结构分为上下两层，上层安装面膜液盒、气泵、液泵、四通管、控制板、摄像头、消毒灯。下层安装T8滚珠丝杆、步进电机、同步带、雾化喷头、加热丝、面膜板。其中面膜板部分采用挖孔设计，并辅以密集小孔，实现面膜纸的定位以及废液的储存与排出。图 1 为系统总架构图。
1.1.1智慧移动
整个面膜喷涂过程中，底部双步进电机配合双丝杆实现面膜板的X方向移动，中部单步进电机驱动同步带带动喷头实现Y轴方向的运动，通过控制底部步进电机和中部步进电机的转速以达到完全喷涂，不同部位个性化喷涂的目的。智慧移动部分采用STM32作为控制核心，通过与树莓派之间的通信而得到步进电机的运动参数，驱动步进电机实现整个的移动过程。
1.1.2选择性喷涂
喷涂过程中，根据树莓派针对用户面部的智能分析，得到每部分所需要喷涂的原液组成成分，STM32控制四通管针对四个药液盒进行不同的开关控制，以达到选择性抽出的目的。液泵随之抽出所需要的药液，气泵工作，释放气体，药液盒气体汇聚于液体雾化喷头，液体在通过喷嘴时，克服液体分子之间的表面张力，以较小的颗粒状分离开，从而产生雾化的效果。具体流程图见图2。
1.1.3加热消杀
面膜板底部装有镍铬合金丝Cr20Ni80加热丝盘装结构参数如表1，在进行药液喷涂的过程中实时对面膜纸加热，以保证面膜纸的覆盖温度适宜人面部的毛孔张开温度，以对大程度提高皮肤对药液的吸收。箱体上部装有ZW30S19W石英灯管紫外线灯参数如表2，整体工作完成后，自动对打印机内部进行十分钟的消杀，紫外线灯自带小型电源，可脱机使用，保证消杀问题。
1.2电子控制部分
该面膜打印机所有的硬件设备都在STM32开发板上进行集成和控制，通过 HC-05蓝牙串口通信模块实现了打印机与手机之间的通信功能。控制部分由 上位机、CPU、I/O 模块以及通信模块 4 个部分组成，上位机通过SPI串口与STM32之间实现通讯，通过 STM32 程序和手机蓝牙调试器的控制，完成各个模块之间接口的数据传递和协同工作。该面膜打印机各模块及其所用的硬件如表 3 硬件参数所示。
1.2.1上位机
该项目采用 Ubuntu（虚拟机）作为上位机，作为tcp的服务端（Qt实现），Qt版本为5.12。
1.2.2下位机
该项目采用树莓派4B（相关参数见表4）配合STM32F103C8T6作为下位机，树莓派4B为博通BCM2711的处理器核心，四核Cortex-A72、64位SoC、主频1.5GHz。STM32F103C8T6开发板采用 LQFP48 方式封装，共有 37 个 I/O 引脚，被分为PA(15个)、PB(15个)、PC(3个)、PD(2个)、PE(0个)五个组，大部分端口都可以可以兼容5V信号，并且所有 I/O 接口可以映像到 16 个外部中断。每个 I/O 端口可以接受或输出8mA电流，而灌注电流则可达到20mA。拥有7个定时器，其中 1 个用于电机控制的16位 PWM 高级控制定时器、16位通用定时器3个、看门狗定时器2个（包含独立型的和窗口型）、24位自减型系统嘀嗒定时器1个。1个USB 2.0全速接口、2个IIC接口、3个USART接口、2个SPI接口、1个CAN接口。
1.2.3 IO 模块
IO模块分为5个部分。1）、2）：移动功能，42步进电机42BYGH34S实现移动功能，分布在20-31数字输出引脚，信号采用PWM（脉冲宽度调节）输出。3）：雾化功能，分布在11-18数字输入引脚，信号采用0、1数字量读取和输出。4）：屏幕显示模块进行面板操作，分布于树莓派4B4线SPI串口，信号采用组合串口输入输出。5）：摄像头模块实现面部信息采集，分布于树莓派4B IIC接口，信号采用0、1数字量控制输出。
1.2.4 通信模块
HC-05芯片是一款基于Bluetooth Specification V2.0带EDR蓝牙协议的数传模块的蓝牙串口通信模块。操作简单，不需要编写时序信号等。HC-05实现实时通信，分布在0、1的UART引脚，采用标准蓝牙协议。
2面膜打印机总体控制框架
各模块上电后，以树莓派4B作为控制核心，通过 RX、TX 双线串口与HC-05蓝牙串口通信模块进行通信，通过蓝牙传输协议与手机进行通信，进而在客户端控制面膜打印机。与此同时STM32直接对步进电机、气泵、液泵和电磁阀进行控制，并设计了对应的控制子程序。
2.1手机或屏幕操作实现流程
当用户开始使用面膜打印机时，面膜打印机各项功能待命，进入指令下达过程。用户发出拍照指令后，面膜打印机开始对用户进行面部拍照，并将数据传输到上位机，由上位机对面部特征进行识别，确定各部分所需要的药液组成，并对喷涂过程进行系统分析和路径规划，并将路径信息传输至树莓派4B,当用户下达面膜板推出指令后，由STM32控制面膜板移动电机工作，推出面膜板。放置好面膜纸后，用户下达面膜板退回指令，树莓派同步传输移动数据至STM32。由STM32控制各电子元件同步协调开展工作，完成喷涂过程，并在过程完成后推出面膜板。用户再次下达退
图3 操作实现流程图
回指令后，步进电机工作，随后消毒灯打开，进行箱体消毒工作，消毒完成后退回待机状态。图3为操作实现流程图。
2.2 面膜打印机蓝牙通信功能
该项目使用HC-05蓝牙通信模块，采用蓝牙串口形式实现远程通信。树莓派4B通过HC-05发送短波特高频无线电波进行通信，当客户端蓝牙接收此信号可以进行配对，配对成功之后形成一个短程的临时网络，设备和客户端之间的通信在此临时网络中进行，客户端作为主设备，HC-05作为从设备进行通信。配合手机中蓝牙调试器，可以发送各种数值，树莓派4B通过程序，使每个数值对应面膜打印机的一个动作，进而实现对面膜打印机的有效控制。
3结语
该文设计了一款面膜打印机，采用手机端和面膜板协调控制实现面膜打印机的智慧移动、喷涂、消毒等功能。同时结合物联网开发平台，实现了手机端对垃圾箱的远程通信和控制功能。作为未来私人化定制的一个有机组成部分，该产品的设计开发不仅可以满足当下人们对私人化、定制化、可视化的要求，而且具有极强的市场应用及推广前景。
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