在本教程中，我們將使用 Arduino 33 BLE Sense 和 Edge Impulse Studio 構建咳嗽檢測系統。它可以區分正常的背景噪音和實時音頻中的咳嗽。我們使用 Edge Impulse Studio 訓練咳嗽和背景噪聲樣本數據集，并構建高度優化的 TInyML 模型，該模型可以實時檢測咳嗽聲音。

　　所需組件

　　硬件

　　Arduino 33 BLE 感知

　　引領

　　跳線

　　軟件

　　邊緣脈沖工作室

　　Arduino IDE

　　電路原理圖

　　下面給出了使用 Arduino 33 BLE Sense進行咳嗽檢測的電路圖。Arduino 33 BLE 的 Fritzing 部件不可用，所以我使用了 Arduino Nano，因為它們具有相同的引腳。

　　LED 的正極引線連接到 Arduino 33 BLE sense 的數字引腳 4，負極引線連接到 Arduino 的 GND 引腳。

　　為咳嗽檢測機創建數據集

　　如前所述，我們正在使用 Edge Impulse Studio 來訓練我們的咳嗽檢測模型。為此，我們必須收集一個數據集，其中包含我們希望能夠在 Arduino 上識別的數據樣本。由于目標是檢測咳嗽，因此您需要收集其中的一些樣本和其他一些噪聲樣本，以便區分咳嗽和其他噪聲。

　　我們將創建一個包含“咳嗽”和“噪音”兩個類別的數據集。要創建數據集，請創建一個Edge Impulse帳戶，驗證您的帳戶，然后開始一個新項目。您可以使用手機、Arduino 板加載樣本，也可以將數據集導入邊緣脈沖帳戶。將樣本加載到您的帳戶中的最簡單方法是使用您的手機。為此，您必須將您的手機與 Edge Impulse 連接。

　　要連接您的手機，請單擊“設備”，然后單擊“連接新設備”。

　　現在在下一個窗口中，單擊“使用您的手機”，將出現一個二維碼。使用 Google Lens 或其他 QR 碼掃描儀應用程序使用您的手機掃描 QR 碼。

　　這會將您的手機與 Edge Impulse studio 連接起來。

　　將手機與 Edge Impulse Studio 連接后，您現在可以加載樣本。要加載樣本，請單擊“數據采集”。現在在數據采集頁面上，輸入標簽名稱，選擇麥克風作為傳感器，然后輸入樣本長度。單擊“開始采樣”，開始采樣 40 秒樣本。您可以使用不同長度的在線咳嗽樣本，而不是強迫自己咳嗽。共記錄 10 到 12 個不同長度的咳嗽樣本。

　　上傳咳嗽樣本后，現在將標簽設置為“噪聲”并再收集 10 到 12 個噪聲樣本。

　　這些樣本用于訓練模塊，在接下來的步驟中，我們將收集測試數據。測試數據至少應該是訓練數據的 30%，所以收集 3 個樣本的“噪音”和 4 到 5 個樣本的“咳嗽”。

　　您可以使用 Edge Impulse CLI Uploader 將我們的數據集導入您的 Edge Impulse 帳戶，而不是收集您的數據。

　　要安裝 CLI Uploader，首先，在您的筆記本電腦上下載并安裝Node.js。之后打開命令提示符并輸入以下命令：

　　npm install -g edge-impulse-cli

　　現在下載數據集（數據集鏈接）并將文件解壓縮到您的項目文件夾中。打開命令提示符并導航到數據集位置并運行以下命令：

　　edge-impulse-uploader --clean

　　edge-impulse-uploader --category training training/*.json

　　edge-impulse-uploader --category training training/*.cbor

　　edge-impulse-uploader --category testing testing/*.json

　　edge-impulse-uploader --category testing testing/*.cbor

　　訓練模型并調整代碼

　　隨著數據集準備就緒，現在我們將為數據創建一個脈沖。為此，請轉到“創建沖動”頁面。

　　現在在“創建沖動”頁面上，單擊“添加處理塊”。在下一個窗口中，選擇音頻 （MFCC） 塊。之后單擊“添加學習塊”并選擇神經網絡（Keras）塊。然后點擊“保存沖動”。

　　在下一步中，轉到 MFCC 頁面，然后單擊“生成功能”。它將為我們所有的音頻窗口生成 MFCC 塊。

　　之后進入“ NN Classifier”頁面，點擊“ Neural Network settings”右上角的三個點，選擇“ Switch to Keras （expert） mode”。

　　將原始代碼替換為以下代碼，并將“最低置信度評級”更改為“0.70”。然后單擊“開始培訓”按鈕。它將開始訓練您的模型。

　　將張量流導入為 tf

　　從 tensorflow.keras.models 導入順序

　　從 tensorflow.keras.layers 導入 Dense、InputLayer、Dropout、Flatten、Reshape、BatchNormalization、Conv2D、MaxPooling2D、AveragePooling2D

　　從 tensorflow.keras.optimizers 導入 Adam

　　從 tensorflow.keras.constraints 導入 MaxNorm

　　# 模型架構

　　模型=順序（）

　　model.add（InputLayer（input_shape=（X_train.shape［1］， ）， name=‘x_input’））

　　model.add（Reshape（（int（X_train.shape［1］ / 13）， 13， 1）， input_shape=（X_train.shape［1］， ）））

　　model.add（Conv2D（10， kernel_size=5， activation=‘relu’， padding=‘same’， kernel_constraint=MaxNorm（3）））

　　model.add（AveragePooling2D（pool_size=2， padding=‘same’））

　　model.add（Conv2D（5， kernel_size=5， activation=‘relu’， padding=‘same’， kernel_constraint=MaxNorm（3）））

　　model.add（AveragePooling2D（pool_size=2， padding=‘same’））

　　model.add（展平（））

　　model.add（密集（類，activation=‘softmax’，name=‘y_pred’，kernel_constraint=MaxNorm（3）））

　　# 這控制了學習率

　　選擇 = 亞當（lr=0.005，beta_1=0.9，beta_2=0.999）

　　# 訓練神經網絡

　　model.compile（loss=‘categorical_crossentropy’，優化器=opt，metrics=［‘accuracy’］）

　　model.fit（X_train，Y_train，batch_size=32，epochs=9，validation_data=（X_test，Y_test），詳細=2）

　　訓練模型后，將顯示訓練性能。對我來說，準確率是 96.5%，損失是 0.10，這很好。

　　現在我們的咳嗽檢測模型已經準備就緒，我們將把這個模型部署為 Arduino 庫。在將模型下載為庫之前，您可以通過轉到“實時分類”頁面來測試性能。

　　轉到“部署”頁面并選擇“ Arduino Library”。現在向下滾動并單擊“構建”以開始該過程。這將為您的項目構建一個 Arduino 庫。

　　現在在您的 Arduino IDE 中添加庫。為此，打開 Arduino IDE，然后單擊Sketch 》 Include Library 》 Add.ZIP library。

　　然后，通過轉到 文件 》 示例 》 您的項目名稱 - Edge Impulse 》 nano_ble33_sense_microphone 來加載示例。

　　我們將對代碼進行一些更改，以便在 Arduino 檢測到咳嗽時發出警報聲。為此，Arduino 連接了一個蜂鳴器，當它檢測到咳嗽時，LED 會閃爍 3 次。

　　這些更改是在打印噪音和咳嗽值的void loop（）函數中進行的。在原始代碼中，它同時打印標簽及其值。

　　對于 （size_t ix = 0; ix 《 EI_CLASSIFIER_LABEL_COUNT; ix++） {

　　ei_printf（“%s： %.5f\n”， result.classification［ix］.label， result.classification［ix］.value）;

　　}

　　我們將把噪聲值和咳嗽值保存在不同的變量中，并比較噪聲值。如果噪聲值低于 0.50，則表示咳嗽值大于 0.50，它會發出聲音。用這個替換原來的 for loop（）代碼：

　　對于（size_t ix = 1；ix 《 EI_CLASSIFIER_LABEL_COUNT；ix++）{

　　Serial.print（result.classification［ix］.value）;

　　浮動數據=結果。分類［ix］。值；

　　如果（數據 《 0.50）{

　　Serial.print（“檢測到咳嗽”）;

　　警報（）;

　　}

　　}

　　進行更改后，將代碼上傳到您的 Arduino。以 115200 波特率打開串行監視器。

　　所以這就是咳嗽檢測機器的構建方式，它不是找到任何 COVID19 嫌疑人的非常有效的方法，但它可以在一些擁擠的區域很好地工作。

#define EIDSP_QUANTIZE_FILTERBANK 0
#include
#include
#define LED 5
/** 音頻緩沖區、指針和選擇器 */
類型定義結構{
int16_t *緩沖區；
uint8_t buf_ready；
uint32_t buf_count；
uint32_t n_samples;
} inference_t;
靜態推理_t推理；
靜態布爾記錄就緒=假；
靜態有符號短樣本緩沖區[2048]；
靜態 bool debug_nn = false; // 將此設置為 true 以查看例如從原始信號生成的特征
無效設置（）
{
// 把你的設置代碼放在這里，運行一次：
序列號.開始（115200）；
pinMode（LED，輸出）；
Serial.println("邊緣脈沖推理演示");
// 推理設置摘要（來自 model_metadata.h）
ei_printf("推理設置：\n");
ei_printf("\tInterval: %.2f ms.\n", (float)EI_CLASSIFIER_INTERVAL_MS);
ei_printf("\t幀大小: %d\n", EI_CLASSIFIER_DSP_INPUT_FRAME_SIZE);
ei_printf("\t樣本長度: %d ms.\n", EI_CLASSIFIER_RAW_SAMPLE_COUNT / 16);
ei_printf("\tNo. of classes: %d\n", sizeof(ei_classifier_inferencing_categories) / sizeof(ei_classifier_inferencing_categories[0]));
if (microphone_inference_start(EI_CLASSIFIER_RAW_SAMPLE_COUNT) == false) {
ei_printf("ERR: 設置音頻采樣失敗\r\n");
返回;
}
}
無效循環（）
{
ei_printf("2秒后開始推理...\n");
延遲（2000）；
ei_printf("正在錄制...\n");
bool m = 麥克風推理記錄（）；
如果（！米）{
ei_printf("ERR: 錄音失敗...\n");
返回;
}
ei_printf("錄制完成\n");
signal_t 信號；
signal.total_length = EI_CLASSIFIER_RAW_SAMPLE_COUNT；
signal.get_data = μphone_audio_signal_get_data;
ei_impulse_result_t 結果 = { 0 };
EI_IMPULSE_ERROR r = run_classifier(&signal, &result, debug_nn);
如果（r！= EI_IMPULSE_OK）{
ei_printf("ERR: 分類器運行失敗(%d)\n", r);
返回;
}
// 打印預測
ei_printf("預測 (DSP: %d ms., 分類: %d ms., 異常: %d ms.): \n",
result.timing.dsp，result.timing.classification，result.timing.anomaly）；
對于（size_t ix = 1；ix < EI_CLASSIFIER_LABEL_COUNT；ix++）{
Serial.print(result.classification[ix].value);
浮動數據=結果.分類[ix].值；
如果（數據 < 0.50）{
Serial.print("檢測到咳嗽");
警報（）;
}
}
//for (size_t ix = 0; ix < EI_CLASSIFIER_LABEL_COUNT; ix++) {
// ei_printf(" %s: %.5f\n", result.classification[ix].label, result.classification[ix].value);
// }
#if EI_CLASSIFIER_HAS_ANOMALY == 1
ei_printf("異常分數：%.3f\n", result.anomaly);
＃萬一
}
void ei_printf(const char *format, ...) {
靜態字符 print_buf[1024] = { 0 };
va_list 參數；
va_start（參數，格式）；
int r = vsnprintf(print_buf, sizeof(print_buf), 格式, args);
va_end(args);
如果 (r > 0) {
Serial.write(print_buf);
}
}
靜態無效 pdm_data_ready_inference_callback(void)
{
int bytesAvailable = PDM.available();
// 讀入樣本緩沖區
int bytesRead = PDM.read((char *)&sampleBuffer[0], bytesAvailable);
if (record_ready == true || inference.buf_ready == 1) {
for(int i = 0; i < bytesRead>>1; i++) {
inference.buffer[inference.buf_count++] = sampleBuffer[i];
if(inference.buf_count >= inference.n_samples) {
inference.buf_count = 0;
inference.buf_ready = 1;
}
}
}
}
靜態布爾mic_inference_start（uint32_t n_samples）
{
inference.buffer = (int16_t *)malloc(n_samples * sizeof(int16_t));
如果（推理。緩沖區 == NULL）{
返回假；
}
inference.buf_count = 0;
inference.n_samples = n_samples;
inference.buf_ready = 0;
// 配置數據接收回調
PDM.onReceive(&pdm_data_ready_inference_callback);
// 可選設置增益，默認為 20
PDM.setGain(80);
//ei_printf("扇區大小: %d nblocks: %d\r\n", ei_nano_fs_get_block_size(), n_sample_blocks);
PDM.setBufferSize(4096);
// 使用以下命令初始化 PDM：
// - 一個通道（單聲道模式）
// - 16 kHz 采樣率
if (!PDM.begin(1, EI_CLASSIFIER_FREQUENCY)) {
ei_printf("啟動 PDM 失敗！");
}
記錄就緒=真；
返回真；
}
靜態布爾麥克風推理記錄（無效）
{
inference.buf_ready = 0;
inference.buf_count = 0;
而（inference.buf_ready == 0）{
延遲（10）；
}
返回真；
}
靜態 int 麥克風_音頻_信號_get_data（size_t 偏移量，size_t 長度，浮點 *out_ptr）
{
arm_q15_to_float(&inference.buffer[offset], out_ptr, length);
返回0；
}
靜態無效麥克風推理結束（無效）
{
PDM.end();
免費（推理。緩沖區）；
}
#if !defined(EI_CLASSIFIER_SENSOR) || EI_CLASSIFIER_SENSOR != EI_CLASSIFIER_SENSOR_MICROPHONE
#error “電流傳感器的型號無效。”
＃萬一
無效警報（）{
for (size_t t = 0; t < 4; t++) {
數字寫入（領導，高）；
延遲（1000）；
數字寫入（領導，低）；
延遲（1000）；
// digitalWrite(led, HIGH);
// 延遲（1000）；
// digitalWrite(LED, LOW);
}
}