基于語音識別及WIFI技術(shù)的殘障人員機器人助手

羅成立+黃健+林天恩+劉文武

摘要：考慮到殘疾人行動不便，設計了一個帶多功能智能小車的機器人助手，同時系統(tǒng)涵蓋語音控制終端?？刂贫瞬捎谜Z音識別技術(shù)并使用WIFI模塊與小車相連接，小車部分通過各種傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集并于與語音控制端間實現(xiàn)無線通信。殘疾人只需通過語音口令就可遠程控制小車實現(xiàn)預設動作并實時監(jiān)控整個家庭所有安全指標。

關(guān)鍵詞：機器人；語音識別；語音合成；WIFI；殘障人士

中圖分類號：TP273+.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）05-0174-02

1 引言

全國各類殘疾人總數(shù)超過8502萬人[1]。殘障人群作為社會的特殊群體，因為他們的生理原因?qū)е滤麄儫o法完成他人眼中看似十分容易的事。如此龐大的人群，在生活中時常需要一些監(jiān)護人，離開監(jiān)護人他們哪怕開個電燈都不容易，這會給他們帶來極大的挫折感。另一面隨著科學技術(shù)的發(fā)展，智能家居已經(jīng)慢慢滲入我們的生活中[2-4]。其中語音識別技術(shù)、WIFI技術(shù)和機器人等就廣泛地被應用在各種智能家居系統(tǒng)中。這給我們一個提示，為何不為殘障人士設計一款局限于家庭的機器人助手，代替他們實時檢測觀察房間內(nèi)外情況。這些技術(shù)對于常人或許是為了炫耀，但給殘障人員的生活帶來很多便利，也多一些陽光。

考慮到成本，我們以智能小車來作為機器人主體，小車攜帶一個網(wǎng)絡攝像頭，如此用戶可以借由小車實時監(jiān)測全屋的每個角落。這個設計分為語音控制端和智能小車兩部分。智能小車部分以STC12C5A60S2單片機作為控制核心，還包含了電源模塊、WIFI無線傳輸模塊、火焰模塊、電機驅(qū)動模塊、溫度檢測模塊、云臺舵機模塊、網(wǎng)絡攝像頭以及遠紅外距離傳感器等模塊。語音控制端通過一個語音識別模塊和一個語音合成模塊搭建一個基于語音的人機交互平臺，借此用戶便可以通過語音遠程控制智能小車，與此同時無線模塊還會接收智能小車所發(fā)送的環(huán)境監(jiān)測信息和視頻監(jiān)控畫面，并通過顯示模塊顯示出來。

2 系統(tǒng)語音控制端的設計

2.1 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)由智能小車和語音控制端兩大部分組成，小車部分通過單片機采集來自火焰?zhèn)鞲衅?、溫度傳感器、攝像頭拍攝的數(shù)據(jù)傳送到WIFI模塊，再由WIFI模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給語音控制端并接收來自語音控制端的指令。

2.2 手持語音控制端硬件電路的設計

系統(tǒng)是由STC12C5A60S2單片機、ESP8266WIFI模塊、LCD12864顯示模塊、SYN6288語音合成模塊和LD3320語音識別模塊組成。

需將ESP8266模塊的TXD和RXD交叉接入到STC12C5A60S2單片機上的TXD和RXD上。LCD12864采用并口的連接方式。將語音合成模塊LD3320和語音識別模塊SYN6288接上電源、共地，把語音識別模塊的TXD端口和語音合成模塊的RXD端口接到主控單片機上。在語音識別模塊的MIC口接了一個麥克風，在語音合成模塊的SPK口接了一個喇叭。

系統(tǒng)中選用的語音識別芯片LD3320為ICRoute公司所生產(chǎn)，是一款高集成的芯片，識別成功率高達95%。同時其片內(nèi)包含AD/DA轉(zhuǎn)換器、麥克風接口、聲音輸出接口等[5]。搭配上我們所選的SYN6288語音合成芯片，即可打造一個基于聽覺的智能化人機交互界面。

2.3 手持語音控制端軟件設計

整個軟件主要包括四部分，LCD顯示部分，語音合成部分，語音識別部分和WIFI數(shù)據(jù)傳輸部分。其中LCD顯示部分和語音合成部分較為簡單，不做累述。

主程序控制著整個系統(tǒng)的運行。系統(tǒng)開啟后進入初始化，小車部分的WIFI和控制器部分的WIFI進行配對。配對成功后控制器部分等待語音信號，收到語音信號后語音識別模塊對語音信號進行處理，把處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給主控單片機，主控單片機會將語音數(shù)據(jù)發(fā)送給無線模塊、語音識別模塊和顯示模塊。由無線模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送給小車部分，語音識別模塊進行語音合成，顯示模塊進行顯示。WIFI模塊接收到小車部分發(fā)送的數(shù)據(jù)后，會將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控單片機，然后單片機會發(fā)送給顯示模塊，由顯示模塊顯示傳感器采集到的溫度和火焰情況的信息。

使用語音識別模塊前，要先對芯片進行復位，然后對關(guān)鍵詞和識別碼進行定義。根據(jù)智能小車的功能設定對應的識別列表，每個命令對應一個單字節(jié)的編號，不同的命令的編號可以相同，不連續(xù)。在主函數(shù)里面找到處理函數(shù)，并按需要進行修改。處理函數(shù)的作用是讓芯片根據(jù)識別到的內(nèi)容，對內(nèi)容進行處理。當模塊識別到命令并處理完成后，就會把處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給主控單片機，由主控單片機進行調(diào)用。

3 智能小車部分設計

智能小車在本設計中的作用相當于殘障人士的機器人助手，其意義在于能夠代替主人在家中巡邏。因此除了一般智能小車所該具備的行動能力及避障能力外，還需攜帶網(wǎng)絡攝像頭，為了360度無死角監(jiān)控，我們在智能小車上配備了云臺舵機；此外還需配備足夠的傳感器（火焰?zhèn)鞲衅鳌貪穸葌鞲衅骷盁熿F傳感器等）。

3.1 智能小車硬件設計電路

主控芯片采用STC12C5A60S2，其具有兩路PWM非常適合對智能小車進行調(diào)速，電機驅(qū)動芯片采用L298N。小車的避障、避坑模塊分別采用一個紅外接近開關(guān)去檢測前方是否有障礙物或者有坑，通過處理器讀取傳感器返回的值去判斷。在云臺攝像頭設計中，搭載攝像頭的云臺采用舵機去搭建，舵機通過單片機定時器控制PWM區(qū)控制舵機轉(zhuǎn)動的角度。小車驅(qū)動電源由串聯(lián)在電路板上的兩節(jié)18650鋰電池提供，再經(jīng)過7805型號的穩(wěn)壓片將電壓降為5V電壓后連接到單片機，最后再經(jīng)AMS1117-3.3型號的芯片穩(wěn)壓后將為3.3V電壓再連接到WIFI模塊。

無線傳輸模塊采用ESP8266 WIFI模塊，主要通過AT指令配置模塊，配置好后與單片機串口連接。遠紅外火焰?zhèn)鞲衅?，利用紅外線接受管來檢測火焰，再通過中央處理器及LM393比較器數(shù)據(jù)對比后輸出數(shù)字量，火焰?zhèn)鞲衅鞯撵`敏度可通過調(diào)節(jié)電位器改變電阻用來改變。與此同時還有DHT11溫濕度模塊，MQ2煙霧傳感器，光照度傳感器等。endprint

3.2 智能小車軟件設計

智能小車軟件的優(yōu)化情況就直接決定了該產(chǎn)品的可用性和實用性，也影響了響應速度等關(guān)鍵性指標。系統(tǒng)初始化完成后，WIFI模塊就會進行自動連接，連接成功后，通過WIFI模塊小車將接收語音控制端發(fā)過來的指令，且小車部分向語音控制端發(fā)送各個模塊所采集到的數(shù)據(jù)。

驅(qū)動程序設計是通過單片機I/O接驅(qū)動模塊的輸入端，通過輸入端去控制輸出端。PWM初始化后進入等待指令，判斷小車運動狀態(tài)是否改變，若不變保持原有指令，若改變執(zhí)行新的運動指令，直至收到停止指令。避障、避坑程序設計是兩路紅外接近開關(guān)接I/O口，通過掃描I/O口的電平變化去判斷是否有障礙物或者有坑，假如電平?jīng)]有變化返回重新判斷，若電平變化小車啟動左轉(zhuǎn)程序。舵機通過單片機定時器控制PWM區(qū)控制舵機轉(zhuǎn)動的角度。

WIFI模塊軟件編寫與語音控制部分類似，火焰?zhèn)鞲衅魍ㄟ^硬件電路的設計，將火焰?zhèn)鞲衅鹘Y(jié)合LM393比較器，將火焰模擬信號直接數(shù)字量輸出，可調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)火焰?zhèn)鞲衅鞯撵`敏度，當有火焰時，指示燈亮起，并且向單片機I/O口反饋一個低電平，當單片機掃描到I/O口低電平狀態(tài)時說明有火焰。其余傳感器的控制原理類似，不做累述。

4 結(jié)語

本文設計了一個基于語音識別及WIFI技術(shù)的殘障人員機器人助手。借由WIFI通信，殘障人員通過語音口令便可遠程控制機器人助手--智能小車，巡邏家里的每個死角，實時觀看視頻信號以及各類傳感器收集到屋內(nèi)安全信息。本設計操作簡單便捷，讓一些行動不方便的殘障人員無需過多培訓下便可自如使用。與一般機器人助手相比，本產(chǎn)品的價格較為低廉，便于推廣到許多家庭較為貧困的殘疾人家庭。

參考文獻

[1]中國殘疾人聯(lián)合會. 關(guān)于使用2010年末全國殘疾人總數(shù)及各類、不同殘疾等級人數(shù)的通知[EB].

[2] 張仁永，陳敬穆，鄒春宇，等.基于HOLTEK單片機的智能家居控制系統(tǒng)設計[J].數(shù)字技術(shù)與應用，2016（12）：14-14.

[3]彭?；?基于ZigBee和ARM的智能住宅系統(tǒng)[J].數(shù)字技術(shù)與應用，2016（7）：30-30.

[4]羅成立，張潔，賴增桂.基于語音識別及藍牙的“無糾纏”家居系統(tǒng)[J].福建電腦，2016，32（3）：30-31.

[5]ICRoute.I D332X開發(fā)手冊[EB/OL].[2010-03-10] .endprint