基于ARM的智能家居機器人設計

魏桐 韓劍輝 蔣蔣薇

摘 要：文章設計了以STM32為微處理器的智能家居互動機器人，該設計以語音識別技術、語音合成技術、傳感器技術、無線數據傳輸技術等為基礎，完成了攝像頭數據采集，數據傳輸，控制臺與各控制終端通信，電機控制，實現了語音人機交互、機器人動作控制、室內環(huán)境監(jiān)測、家用電器控制。完成了智能家居以及機器人互動等功能，并且在現階段，智能家居機器人在市面上較少，有廣泛的應用前景。

關鍵詞：智能家居；機器人；STM32

引言

隨著計算機科學技術與電子技術的高速發(fā)展以及生活水平的提高，智能家居漸漸走進千家萬戶，智能燈，掃地機器人，智能電視等等以家居環(huán)境為平臺，融合了通信，網絡，計算機，自動控制等技術的產品層出不窮，在影視作品《超能陸戰(zhàn)隊》中，大白的形象讓無數人魂牽夢縈，其實它的本質就是一個智能的機器人。本設計以ARM Cortex-M3架構的STM32系列芯片為控制核心，以語音識別、合成技術，2.4Ghz通信技術，自動控制技術為基礎，用藍牙、NRF24L01等將各部分串聯(lián)在一起，形成以機器人為中心的智能家居控制網絡，用戶可以與機器人進行對話或者發(fā)出指令，機器人會對發(fā)出的指令進行解析，并產生反饋，例如：控制家用電器，播放音樂等，除此之外，用戶可以遠程觀看本地實時上傳的室內圖片，可以查看室內的環(huán)境狀況，例如溫濕度，空氣情況等，可以控制機器人在室內行走，當用戶不在室內時，如果有陌生人進入室內，機器人會進行警報，通知用戶。

1 硬件組成

1.1 機器人主體

建立智能家居機器人系統(tǒng)關鍵是要穩(wěn)定可靠，帶負載能力很注意，電源部分、驅動部分是關鍵，采用航模電池鋰電30C 5200MA 11.1v和10A雙路大功率H橋電機驅動模塊，具有強勁剎車功能。為了保證機器人的穩(wěn)定性，底盤采用小型坦克連履帶模型，該模型結構穩(wěn)定，載重能力強，可以穩(wěn)定住底盤上的其他傳感器以及模塊。

1.2 機器人核心

機器人主要微處理器采用ARM Cortex-M3架構的STM32F103ZET6處理器，該處理器基于32位的精簡指令集內核，最高主頻可達72Mhz，內置512KB Flash和64KB SRAM，處理器外部引出16*8組IO口，其中包含3組SPI接口，2組IIC接口，5組串口，3個1Mhz 12位ADC，多組定時器，資源豐富極為豐富。該處理器搭載在一塊德飛萊核心板上，核心板引出了所有的IO口，并擴展出JTAG接口。

在核心底板之上，是我們制作的一塊傳感器擴展板，該擴展板將啟動選項由原來底板上的跳線改為撥碼開關式，另外，擴展板上除了引出所有的原核心板所有引腳外，還將本系統(tǒng)需要使用的傳感器接口一并引出，其中有：兩路SPI總線接口，兩路IIC總線接口，兩路USART接口，還擴展出一路攝像頭SCCB接口以及并行總線接口，該擴展板支持外部供電，由兩片AMS1117提供傳感器需要的電源，防止由于傳感器過多導致的系統(tǒng)供電不足。

除了機器人主體上搭載的微處理器外，為了配合智能家居的其他實現，本系統(tǒng)還搭載了STC公司生產的增強型8051 1T單片機：IAP15F2K61S2，速度比普通8051單片機快8-12倍，內置61KB Flash，2KSRAM，3路PWM，1組SPI接口，2組可重定向UART，內置高速晶振和仿真器，可以直接進行仿真。

1.3 語音模塊XFS5152CE

是一款高集成度的語音合成芯片，可實現中文、英文語音合成；并集成了語音編碼、解碼功能，可支持用戶進行錄音和播放。

YS-V0.7是一款以LD3320芯片為基礎的語音識別模塊，模塊上除了一塊LD3320以外，還搭載了片STC11L08XE單片機，與LD3320配合實現語音識別，可以減少主處理器的資源損耗。

1.4 攝像頭OV2640

OV2640具有體積小、工作電壓低、兼容I2C總線接口等特點。通過SCCB總線控制，支持RAWRGB、RGB（RGB4：2：2、RGB565/555/444）、YUV（4：2：2）和YCBCR（4：2：2）輸出格式，可以輸出整幀、二次轉換分辨率、取特定區(qū)域等方式的各種分辨的8位或10位的圖像幀數據，支持以jpeg格式輸出。

2 智能家居機器人的設計與實現

該智能家居系統(tǒng)由機器人主體、輔助控制終端、遠程控制臺組成。以機器人本體微處理器為核心，以語音識別、無線通信、以及傳感器為基礎架構了一個簡單的室內智能家居網絡，機器人本體設計成可活動的穩(wěn)定性極高的履帶式小車，機體上配有溫濕度等傳感器，配有攝像頭，人體紅外感應模塊，配有語音識別與語音合成模塊，通過NRF24L01與放置在固定位置的輔助終端通信，完成室內家用電器的控制，例如開關燈，空調，電視的切換頻道，音量控制等，通過WIFI模塊連接到遠程服務器，上傳室內數據，實時圖片，實現遠程監(jiān)控與控制。

3 軟件設計

該設計以STM32為核心，軟件編譯環(huán)境為Keil4，使用C語言編寫程序，軟件部分可以分為以下幾個底層初始化程序、系統(tǒng)主程序、攝像模塊子程序、傳感器子程序、語音子程序組成；數據采集上傳定時中斷處理伺服中斷開啟開機循環(huán)各功能模塊初始化開始系統(tǒng)時鐘、中斷分組、I/O口初始化操作。

3.1 微處理器初始化

微處理器是整個系統(tǒng)的心臟，所以它的初始化極為重要：

（1）初始化中斷分組，初始化時鐘NVIC_Configuration（）；，SystemInit（）；。

（2）一個嵌入式系統(tǒng)離不了延時，所以初始化時鐘之后，需要初始化系統(tǒng)滴答時鐘，然后初化延時函數：delay_init（72）；。

（3）初始化各接口：SPI，USART，IIC。

（4）初始化定時器，中斷。初始化各傳感器、模塊。

（5）進入死循環(huán)等待模塊響應。

3.2 攝像頭程序設計，采用JPEG方式輸出

（1）初始化。初始化IIC接口，然后按順序配置OV2640寄存器，首先是配置分辨率，然后配置成YUV輸出，最后配置為JPEG輸出。然后初始化中斷。

（2）中斷數據采集。首先在EXTI2里等待場同步信號VSYNC上升沿中斷，當中斷來臨時，開始通過數據線采集數據，同時開啟EXTI3中斷，等待PCLK上升沿來臨，當上升沿來臨時，關閉EXTI中斷，判斷HREF是否為高，如果為高，則開始上傳圖片數據。

3.3 語音模塊編程

（1）初始化系統(tǒng)配置。由于語音模塊上搭載了一片單片機，所以初始化主要完成復位，時鐘初始化，模式選擇，FIFO等。

（2）初始化語音識別列表。該識別芯片支持50條自定義識別條目，每個條目由漢語拼音以及對應的編號組成，編號取值范圍為00H～FFH。

（3）識別。按手冊設置相關寄存器，芯片ADC輸入為咪頭輸入，輸入增益可調，取值范圍為00H-70H，設定值過大會導致識別不準確，設定值太小會導致系統(tǒng)無法識別。

（4）中斷。咪頭采集到區(qū)別于環(huán)境噪音的人聲時，會產生中斷，中斷程序會根據模塊中BA和C5寄存器的值找出，最佳的識別條目。

（5）處理。單片機根據處理出的數據來判斷，是否通知主處理器，還是合成語音。

4 結束語

文章設計的機器人采用ARM STM32微處理器作為控制核心，履帶式小車作為機器人載體，該系統(tǒng)運用無線技術、網絡、攝像頭以及傳感器，實現了室內環(huán)境監(jiān)測，利用語音識別與合成技術，完成了人機交互功能，實現了機器人的簡單基本功能和智能家居的功能。因此， 該系統(tǒng)設計在實際應用中具有一定的借鑒意義。