基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的寵物防丟可穿戴設(shè)備系統(tǒng)*

夏倫騰 ，張 莉 ，吳 飛

(1.中南民族大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢430070；2.中南民族大學(xué) 檢測與儀器校級(jí)工程中心實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430070；3.中南民族大學(xué) 腦認(rèn)知國家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430070)

0 引言

第一財(cái)經(jīng)商業(yè)數(shù)據(jù)顯示2018 年中國寵物行業(yè)市場規(guī)模已經(jīng)達(dá)到了1 722 億元，為五年前市場規(guī)模的3 倍之多。寵物對(duì)于主人來說，已經(jīng)成為重要的精神陪伴者。如果寵物走丟，寵主會(huì)花費(fèi)大量的人力和物力進(jìn)行找回，但找尋如大海撈針，找回幾率極低，同時(shí)寵物丟失所造成的安全隱患和財(cái)產(chǎn)損失一直是一個(gè)亟待解決的社會(huì)問題[1]。 如何設(shè)計(jì)一款寵物智能可穿戴設(shè)備——寵物防丟器便顯得尤為重要，具有很大的市場價(jià)值。 國內(nèi)的寵物可穿戴設(shè)備應(yīng)用并不廣泛，功能且單一；國外的寵物可穿戴設(shè)備多以單純測量寵物的生理參數(shù)為主，用以監(jiān)測寵物的健康情況。 因此，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的寵物尋回可穿戴設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

物聯(lián)網(wǎng)概念在1999 年正式提出，顧名思義就是“物與物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，目前國內(nèi)的定義是：通過傳感器、無線射頻技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)、全球定位系統(tǒng)等信息傳感設(shè)備，按約定協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[2]。 2016 年9月微信小程序面世，在微信生態(tài)下，觸手可及、用完即走的微信小程序引起廣泛關(guān)注，微信公開數(shù)據(jù)顯示，小程序日活已達(dá)2.8 億，人均使用20 個(gè)小程序，人均使用時(shí)長超過10 min。 因此越來越多的開發(fā)者將用戶端的操作移植到了微信小程序端，相信以微信小程序作為用戶端的設(shè)備開發(fā)更容易被市場所接受。

本文著重于在寵物出行時(shí)丟失，及時(shí)幫助主人尋回而設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的寵物防丟可穿戴設(shè)備系統(tǒng)，用戶通過微信小程序控制LED 燈的閃爍，亦可以控制音樂、語音播放。 通過語音播放存儲(chǔ)的狗語或者貓語文件來安撫寵物，避免其在走丟時(shí)亂跑，可以幫助用戶迅速對(duì)寵物進(jìn)行尋找，大大提高了寵物的尋回可能性；同時(shí)，在藍(lán)牙控制信號(hào)覆蓋以外，可以通過微信小程序查看寵物的地理位置和速度信息，調(diào)用手機(jī)上的騰訊地圖實(shí)時(shí)顯示出來，這兩項(xiàng)信息由可穿戴設(shè)備上GPS+GPRS模塊負(fù)責(zé)采集和傳輸；最后，在一定的范圍內(nèi)可以通過喚醒詞對(duì)語音識(shí)別模塊功能進(jìn)行喚醒，通過指令關(guān)鍵詞完成不同的功能，例如通過語音播放貓語或者狗語對(duì)寵物進(jìn)行安撫，或者喊出“回家”的指令，命令寵物回家等。 本文從寵物外出丟失尋回及實(shí)際相處應(yīng)用方面出發(fā)，設(shè)計(jì)了一套完整的、以可穿戴設(shè)備為基礎(chǔ)的系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文寵物可穿戴系統(tǒng)主要由硬件端、云端服務(wù)器、用戶端三部分構(gòu)成。硬件端主要包括鋰電池及電源管理模塊、藍(lán)牙模塊、定位及數(shù)據(jù)傳輸模塊[3]、語音識(shí)別模塊、LED 燈顯示模塊、語音播放模塊。云端服務(wù)器主要負(fù)責(zé)地理位置數(shù)據(jù)及速度信息的云端存儲(chǔ)。用戶端主要包括藍(lán)牙控制部分及地圖信息顯示部分。 基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)示意圖

1.1 電源及管理模塊

本文設(shè)計(jì)用兩節(jié)3.7 V 18650 鋰電池進(jìn)行供電，容量為2 000 mA·h。 鋰電池具有電池轉(zhuǎn)化效率較高、穩(wěn)定性能好、工作時(shí)發(fā)熱低等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于便攜式設(shè)備上。 鋰電池通過低壓差線性穩(wěn)壓器(Low Dropout Regulator，LDO)進(jìn)行輸出電壓校正[4]，使其穩(wěn)定輸出5 V 電壓，為整個(gè)可穿戴設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)定的供電。 本文在實(shí)際應(yīng)用中可以保證寵物可穿戴設(shè)備的穩(wěn)定、持續(xù)運(yùn)行。

1.2 藍(lán)牙4.2 控制模塊

本文藍(lán)牙4.2 模塊采用SKB369，該模塊各方面性能較為出眾[5]。 通過上文的電源模塊為藍(lán)牙模塊供電，將信號(hào)輸出端口與底層的LED 燈以及語音播放模塊Y3-M3耦合， 通過手機(jī)特定的微信小程序?qū)λ{(lán)牙的輸出信號(hào)進(jìn)行控制，從而在需要的時(shí)候打開LED 燈以及特定語音文件，幫助用戶更容易地找到寵物。

1.3 GPS+GPRS 定位模塊

當(dāng)寵物跑出小區(qū)或者更大的范圍時(shí)，上述藍(lán)牙功能便不足以幫助用戶尋找到寵物，用戶可以通過微信小程序查看寵物可穿戴設(shè)備的地理位置及速度信息，幫助其實(shí)時(shí)定位到寵物的位置及狀態(tài)。 本文采用的是SIM80-8GPS+GPRS 模塊，模塊集定位數(shù)據(jù)、速度信息的采集與傳輸為一體，它是四頻模塊，全球范圍內(nèi)可用，并且定位的精度極高，目前廣泛應(yīng)用于各類應(yīng)用之中，例如OFO小黃車。 利用模塊上SIM 卡的GPRS 數(shù)據(jù)傳輸功能進(jìn)行底層數(shù)據(jù)的傳輸，將數(shù)據(jù)傳輸至云端服務(wù)器數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)，隨時(shí)等待微信小程序端的調(diào)取顯示。

1.4 語音識(shí)別控制模塊

用戶在遛寵物或者與寵物相處時(shí)，都會(huì)有聽不懂主人的指令或者在呼喊寵物時(shí)寵物并不會(huì)給予應(yīng)答的情況。 如果這種情況發(fā)生在寵物走丟的初期，主人可以通過呼喊喚醒詞來激活語音識(shí)別系統(tǒng)，然后喊出指定的口令點(diǎn)亮LED 燈、播放音樂，例如播放指定的狗語或者貓語文件來對(duì)寵物進(jìn)行安撫和命令，從而在最有可能發(fā)生寵物丟失的時(shí)間段避免寵物走丟的距離更遠(yuǎn)，大大增加了尋回寵物的難度。

本文采用STC11L08XE 為核心處理芯片，LD3320 作為語音識(shí)別芯片。LD3320 是一顆基于非特定人語音識(shí)別(Speaker-Independent Automatic Speech Recognition，SIASR)[6]技術(shù)的語音識(shí)別/聲控芯片，無需用戶對(duì)其進(jìn)行錄音訓(xùn)練， 只需將識(shí)別的關(guān)鍵詞以字符串的形式傳送進(jìn)芯片，即可在下次識(shí)別中立即生效。 本文語音識(shí)別模塊內(nèi)置高精度A/D 和D/A 通道，支持用戶在程序中添加50 條關(guān)鍵詞語的內(nèi)容，有16 個(gè)IO 口可以用以控制多項(xiàng)執(zhí)行元器件(例如LED燈)、語音播放模塊以及震動(dòng)電機(jī)等。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 藍(lán)牙4.2 控制微信小程序設(shè)計(jì)

本文基于微信小程序設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程藍(lán)牙控制微信小程序[7]，可以遠(yuǎn)程控制多項(xiàng)底層執(zhí)行元器件，例如LED燈的閃爍和語音播放，理論上可以實(shí)現(xiàn)方圓100 m 內(nèi)的無障礙通信控制。 藍(lán)牙微信小程序執(zhí)行流程框圖如圖2所示。

圖2 藍(lán)牙微信小程序執(zhí)行流程圖

2.2 GPS+GPRS 定位程序及定位小程序設(shè)計(jì)

當(dāng)寵物丟失寵物走出的距離可能已經(jīng)大于藍(lán)牙4.2的最大感應(yīng)距離，這時(shí)便需要通過GPS 定位來尋找寵物。通過SIM808 模塊對(duì)寵物的定理位置信息及速度信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集到的信息數(shù)據(jù)通過模塊的GPRS 數(shù)據(jù)傳輸功能以IP 地址的方式傳輸至云端服務(wù)器存儲(chǔ)，采集的信息是符合NEMA0183 標(biāo)準(zhǔn)的信息格式。SIM808 模塊的程序流程圖如圖3 所示，微信小程序端查看地理位置的流程如圖4 所示。

2.3 語音識(shí)別模塊程序設(shè)計(jì)

語音識(shí)別(ASR)技術(shù)是一種基于關(guān)鍵詞列表識(shí)別的技術(shù)，只需要提前設(shè)定好識(shí)別的關(guān)鍵詞語的列表，并且把這些關(guān)鍵詞語以字符的形式傳輸至LD3320 語音識(shí)別芯片的內(nèi)部[8]。 應(yīng)用時(shí)，用戶只需要說出關(guān)鍵詞進(jìn)行識(shí)別，無需用戶提前進(jìn)行任何錄音訓(xùn)練。 語音識(shí)別芯片都采用了模式匹配的原理，說出的關(guān)鍵詞的語音信號(hào)首先經(jīng)過預(yù)處理，包括語音信號(hào)的采樣、反混疊濾波、語音增強(qiáng)；接下來是特征提取[9]，從語音信號(hào)波形中提取一組或幾組能夠描述語音信號(hào)特征的參數(shù)，若識(shí)別成功則在指定的IO 口輸出高電平或者低電平信號(hào)，此信號(hào)的類型可以在程序中進(jìn)行設(shè)置，以滿足各種功能需要。 此模塊的執(zhí)行流程圖如圖5 所示。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 藍(lán)牙功能測試

對(duì)于尋找寵物的問題，藍(lán)牙連接的穩(wěn)定性及連接控制的距離有很大的影響，只有穩(wěn)定的系統(tǒng)以及足夠大的連接距離才能保證寵物尋回的及時(shí)性。為了測試本文可穿戴設(shè)備的藍(lán)牙通信的穩(wěn)定性以及可控制的極限距離，將測試寵物穿戴設(shè)備在校園、小區(qū)及公園3 個(gè)不同的地點(diǎn)進(jìn)行測試，并且不同的距離內(nèi)進(jìn)行LED 燈及語音播放模塊進(jìn)行控制。校園內(nèi)人流量大，小區(qū)內(nèi)墻體多，公園內(nèi)較空曠，通過這三個(gè)地點(diǎn)測試藍(lán)牙信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，具體的測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

圖3 GPS 定位流程圖

圖4 微信小程序端執(zhí)行流程圖

圖5 語音識(shí)別功能執(zhí)行流程圖

表1 藍(lán)牙穩(wěn)定性測試結(jié)果

由表1 結(jié)果可以看到：根據(jù)3 個(gè)不同地方的特點(diǎn)，人群和建筑對(duì)藍(lán)牙信號(hào)都有一定的影響，建筑對(duì)藍(lán)牙信號(hào)的減弱有最大的影響，人群對(duì)藍(lán)牙信號(hào)的影響次之，空曠地方影響最小。 在較為空曠的地方可連接的有效距離達(dá)到80 m，在人群較多的地方有效距離在70 m 左右，在建筑為較多的地方有效距離在60 m 左右?？偠灾?，本文可穿戴設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定性良好，并且LED 燈的閃爍及語音播放的提醒非常明顯，對(duì)尋找到寵物具有相當(dāng)大的幫助，在實(shí)際應(yīng)用中具有很好的效果。

3.2 GPS 定位功能測試

當(dāng)寵物丟失時(shí)間過長，就需要通過GPS+GPRS 定位功能來對(duì)寵物進(jìn)行尋找，此模塊會(huì)將地理位置及速度信息實(shí)時(shí)傳輸至云端服務(wù)器，用戶可以通過微信小程序?qū)崟r(shí)調(diào)取騰訊地圖顯示[10]。 GPS 定位的精度對(duì)尋找到寵物所需要的時(shí)間有很大的影響，實(shí)驗(yàn)測試人員攜帶可穿戴設(shè)備在不同地點(diǎn)、不同速度下進(jìn)行地理位置信息和速度信息的采集，并且與百度地圖實(shí)際地理位置以及電子表記速度進(jìn)行準(zhǔn)確對(duì)比，比較本文可穿戴設(shè)備的精度及穩(wěn)定性，以NEMA 格式數(shù)據(jù)顯示(例如11423.2349E 即經(jīng) 度114°23′0.2349×60″， 地 圖1″誤 差 約 等 于30.9 m)，具體測試數(shù)據(jù)如表2 所示。

由表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：本文可穿戴設(shè)備應(yīng)用的GPS+GPRS 模塊精度較高， 定位的誤差基本都在2 m以內(nèi)，在空曠地帶的定位效果更佳。另外，測試過程中模擬了各種不同速度下的采集精度情況， 與電子表記的速度信息對(duì)比， 采集的速度信息相當(dāng)準(zhǔn)確， 當(dāng)速度較小時(shí)采集的誤差較小。

3.3 語音識(shí)別控制功能測試

本文語音識(shí)別控制的功能是最大的特點(diǎn)， 通過一個(gè)特定的喚醒詞喚醒語音識(shí)別模塊[11]，之后再說出二級(jí)關(guān)鍵詞，不同的關(guān)鍵詞代表不同的指令，控制著不同IO口， 利用輸出信號(hào)來完成不同的功能。 本文實(shí)驗(yàn)測試在程序中設(shè)定“你好”為喚醒詞，設(shè)置了7 個(gè)二級(jí)關(guān)鍵詞，分別為“調(diào)試”、“音樂”、“開燈”、“關(guān)燈”、“別動(dòng)”、“回家”和“關(guān)閉”，不同的指令對(duì)不同的IO 口進(jìn)行了輸出電平的控制：

(1)“調(diào)試”口令識(shí)別成功后，調(diào)試識(shí)別口令無輸出IO 口控制；

(2)“音樂”口令識(shí)別成功后，播放語音播放模塊指定端口存儲(chǔ)的動(dòng)感音樂，控制PA1 口輸出低電平；

(3)“開燈”口令識(shí)別成功后，開啟LED 炫燈，控制PA2 口輸出高電平；

(4)“關(guān)燈”口令識(shí)別成功后，關(guān)閉LED 炫燈，控制PA2 口輸出低電平；

(5)“別動(dòng)”口令識(shí)別成功后，播放存儲(chǔ)在指定端口的狗語或者貓語翻譯文件，內(nèi)容為：不要?jiǎng)樱刂芇A3 口輸出低電平；

(6)“回家”口令識(shí)別成功后，播放存儲(chǔ)在指定端口的狗語或者貓語翻譯文件，內(nèi)容為：回家，控制PA4 口輸出低電平；

(7)“關(guān)閉”口令識(shí)別成功后，關(guān)閉所有的端口用電器，控制PA1、PA3、PA4 輸出高電平，PA2 輸出低電平。

為測試模塊功能的穩(wěn)定性，將喚醒詞及上述指令進(jìn)行多次調(diào)試，利用串口上位機(jī)輸出識(shí)別結(jié)果和萬用表測量指定端口的電平輸出情況，對(duì)每個(gè)指令進(jìn)行10 次測試，計(jì)算成功識(shí)別率以及輸出IO 口的正確率。

表2 GPS 定位精度測試結(jié)果

表3 語音識(shí)別功能測試結(jié)果

同時(shí)在測試過程中，加入一個(gè)測試程序中未設(shè)置的的關(guān)鍵詞“有趣”，目的是測試其是否存在指令詞誤識(shí)別的可能性，表中總準(zhǔn)確率只計(jì)算已設(shè)置的指令詞成功識(shí)別和IO 口準(zhǔn)確輸出的成功率，具體的測試數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3 測試結(jié)果可以看出：由于每個(gè)關(guān)鍵詞的基元語音的細(xì)節(jié)特征不同，因此在測試時(shí)不同指令的識(shí)別成功結(jié)果不同，本文識(shí)別成功的準(zhǔn)確率達(dá)到了81.25%，IO口正確輸出的準(zhǔn)確率達(dá)到了76.67%，并且不存在對(duì)未設(shè)置關(guān)鍵詞“有趣”詞語的誤識(shí)別，穩(wěn)定性較高。 可以看出當(dāng)關(guān)鍵詞的基元語音的特征越多，該關(guān)鍵詞的識(shí)別成功率越高即模塊更容易識(shí)別。 總的來說，語言識(shí)別模塊的功能在實(shí)際應(yīng)用中具有較好的效果，能夠成功地實(shí)現(xiàn)通過用戶的語音關(guān)鍵詞控制可穿戴設(shè)備執(zhí)行特定的底層功能。

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)及微信小程序開發(fā)技術(shù)為一體， 以鋰電池作為電源，經(jīng)電源管理模塊穩(wěn)定輸出供電給藍(lán)牙模塊、GPS+GPRS定位模塊及語音識(shí)別模塊。在微信小程序端控制藍(lán)牙模塊,控制距離達(dá)到了80 m，它是基于藍(lán)牙4.2 的數(shù)據(jù)傳輸控制LED 燈及語音、音樂播放，便于用戶在近距離內(nèi)迅速找到寵物；另外，還可以在微信小程序操作，通過GPS+GPRS 模塊查詢寵物的具體地理位置和速度信息；最重要的是本文應(yīng)用了語音識(shí)別模塊，用于與寵物的互動(dòng)，通過喚醒詞激活模塊系統(tǒng)，通過最多50 個(gè)關(guān)鍵詞進(jìn)行不同的功能操作，例如播放狗語或者貓語安撫寵物、播放音樂、開啟LED 燈等。 通過實(shí)驗(yàn)調(diào)試，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)上述功能基本實(shí)現(xiàn)，采集測試精度較高，可以在實(shí)際應(yīng)用中具有很好的效果。