基于語音識別技術(shù)的老年人生活輔助設(shè)備＊

冉冬東，李緯

基于語音識別技術(shù)的老年人生活輔助設(shè)備＊

冉冬東，李緯

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

隨著中國人口老齡化問題日益嚴(yán)重，老年人口數(shù)目日益增多，并且老年人多有腿腳不便的情況，導(dǎo)致一些基本生活活動(dòng)，如如廁和行走等動(dòng)作完成比較困難。為解決老年人的如廁和行走等基本生活活動(dòng)的問題，設(shè)計(jì)出一款基于語音識別技術(shù)的老年人生活輔助設(shè)備，給老年人提供了極大的方便。主控芯片選用STM32F103VET6；結(jié)合單片機(jī)語音識別模塊和語音合成模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備的語音控制和語音提醒；選用超聲波傳感器對周圍障礙物進(jìn)行測距，從而規(guī)劃設(shè)備的行進(jìn)路線，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障。

生活輔助；語音控制；語音提醒；超聲波測距

隨著中國人口老齡化問題日益嚴(yán)重，老年人口數(shù)目日益增多。隨著年齡的增長，老年人多有腿腳不便的情況，有時(shí)難以完成一些如彎腰、下蹲等簡單的動(dòng)作，這給老年人的基本生活帶來了極大挑戰(zhàn)。

目前，國內(nèi)外兼具安全、實(shí)用、功能性的老年人生活輔助設(shè)備非常少，不能為老年人提供人性化的服務(wù)，不能有效滿足老年人多樣化、多層次的養(yǎng)老服務(wù)需求。其中，老年人如廁和行走是兩大難題。雖然目前國內(nèi)外已有幫助老年人如廁和行走的輔助設(shè)計(jì)，但功能單一，未與人工智能相結(jié)合，老年人獨(dú)自操作設(shè)備非常困難。

為了幫助老年人解決行走和如廁等動(dòng)作完成比較困難的問題，本文設(shè)計(jì)了一款基于語音識別技術(shù)的老年人生活輔助設(shè)備，可在輔助如廁和行走方面幫助老年人。生活輔助設(shè)備與語音識別技術(shù)相結(jié)合，方便老年人控制設(shè)備，給老年人提供了極大的方便。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是運(yùn)用創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，綜合應(yīng)用產(chǎn)品組合創(chuàng)新技術(shù)和方法、語音識別技術(shù)、傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)設(shè)計(jì)的一個(gè)智能助老設(shè)備，對設(shè)備進(jìn)行智能管理，通過單片機(jī)語音模塊對設(shè)備的其他模塊進(jìn)行控制，從而控制設(shè)備的運(yùn)行，為老年人提供方便的服務(wù)。

系統(tǒng)總體包含機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩大部分。它們之間的交互關(guān)系如圖1所示。

在研究過程中主要采用的研究方法為理論聯(lián)系實(shí)際。采用產(chǎn)品組合創(chuàng)新方法對機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行創(chuàng)新研究，使用三維軟件進(jìn)行建模和運(yùn)動(dòng)仿真，確定設(shè)計(jì)的合理性和可行性。

使用電路設(shè)計(jì)軟件繪制控制系統(tǒng)的電路原理圖，對控制系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，保證控制系統(tǒng)的可行性和可實(shí)現(xiàn)性，利用語音識別技術(shù)，用戶通過單片機(jī)連接的語音模塊可以和該設(shè)備進(jìn)行對話。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

在嵌入式控制軟件開發(fā)的基礎(chǔ)上，探索軟件工程的研究方法，對軟件進(jìn)行需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)開發(fā)和測試，以確保軟件的有效性。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)了行走機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)動(dòng)坐墊機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)動(dòng)扶手機(jī)構(gòu)和拉桿靠背機(jī)構(gòu)。使用三維CAD軟件Solid works建立了老年人生活輔助設(shè)備三維模型，完成了工程圖設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)整體如圖2所示。

2.2 結(jié)構(gòu)分析

圖2中，Ⅰ為行走機(jī)構(gòu)，使用輪式行走機(jī)構(gòu)，采用后驅(qū)方式，直流電機(jī)通過聯(lián)軸器連接后輪，為設(shè)備的行走提供動(dòng)力，并且通過后輪兩輪之間的差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，帶制動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過腳踩方式實(shí)現(xiàn)定位；Ⅱ?yàn)樯禉C(jī)構(gòu)，使用平行四邊形結(jié)構(gòu)，上端與下端通過雙頭螺栓分別連接在步進(jìn)電動(dòng)推桿上，通過步進(jìn)電動(dòng)推桿的推動(dòng)與收縮實(shí)現(xiàn)設(shè)備的升降；Ⅲ為轉(zhuǎn)動(dòng)坐墊機(jī)構(gòu)，由伺服電機(jī)帶動(dòng)齒輪，再由齒輪嚙合帶動(dòng)連接軸轉(zhuǎn)動(dòng)，坐墊固定安裝在連接軸上，因而坐墊也被帶著轉(zhuǎn)動(dòng)；Ⅳ為轉(zhuǎn)動(dòng)扶手機(jī)構(gòu)，可手動(dòng)旋轉(zhuǎn)，可通過自動(dòng)彈簧插銷對其定位；Ⅴ為拉桿靠背機(jī)構(gòu)，由伸縮拉桿和靠背組成，靠背安裝在伸縮拉桿的最高級，可手動(dòng)拉伸與收縮。其中，行走機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)動(dòng)坐墊機(jī)構(gòu)可通過語音識別模塊與STM32單片機(jī)的通信進(jìn)行自動(dòng)控制，轉(zhuǎn)動(dòng)扶手機(jī)構(gòu)和拉桿靠背機(jī)構(gòu)由用戶手動(dòng)進(jìn)行操作。

圖2 結(jié)構(gòu)整體示意圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)部分主要包括STM32單片機(jī)、語音識別模塊、語音合成模塊、超聲波傳感器、直流電機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)推桿、步進(jìn)電機(jī)等組成部分。利用語音識別技術(shù)，借助軟件編程的方法，用戶通過單片機(jī)連接的語音模塊可以和該設(shè)備進(jìn)行對話，依據(jù)對話內(nèi)容對設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制，為老年人提供了極大的方便。使用電路設(shè)計(jì)軟件Altium designer繪制控制系統(tǒng)電路原理圖。

3.2 模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 電源模塊

選用24 V電源作為設(shè)備的總電源為整個(gè)設(shè)備進(jìn)行供電，通過連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊為直流電機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)推桿和步進(jìn)電機(jī)提供24 V電壓，通過LM2596降壓模塊將24 V電壓降為5 V提供給語音識別模塊、語音合成模塊和超聲波傳感器，再由ASM1117降壓模塊將5 V降為3.3 V提供給STM32單片機(jī)。

3.2.2 主控芯片

控制系統(tǒng)的主控芯片是整個(gè)設(shè)備最核心的部分，主控芯片選型STM32F103VET6。其引腳有100個(gè)，I/O口多達(dá)80個(gè)，且具有眾多定時(shí)器、串口和ADC通道等資源。STM32單片機(jī)通過串口與語音識別模塊和語音合成模塊進(jìn)行通信，進(jìn)行信息的發(fā)送與接收，實(shí)現(xiàn)用戶與設(shè)備之間的對話，進(jìn)行語音識別和語音提醒。并且STM32單片機(jī)引腳連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，通過控制STM32單片機(jī)的I/O口的高低電平實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)推桿和步進(jìn)電機(jī)的控制，從而實(shí)現(xiàn)了弱電控制強(qiáng)電。超聲波傳感器的發(fā)送與接收引腳連接在STM32單片機(jī)的引腳上，通過STM32引腳輸出高電平觸發(fā)超聲波傳感器進(jìn)行測距，并檢測接收引腳的電平，實(shí)現(xiàn)距離的檢測。主控芯片電路原理如圖3所示。

圖3 主控芯片電路原理圖

3.2.3 語音識別模塊

選用LD3320作為設(shè)備控制系統(tǒng)的語音識別模塊。LD3320模塊通過串口與STM32單片機(jī)連接，當(dāng)模塊識別到用戶的語音后，進(jìn)行頻譜分析，再提取特征，語音識別器在提前存入的拼音字符串關(guān)鍵詞庫中進(jìn)行匹配，將識別結(jié)果傳遞給LD3320模塊的CPU，將聲音轉(zhuǎn)化為文本，實(shí)現(xiàn)語音的輸入，LD3320模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送引腳TXD和數(shù)據(jù)接收引腳RXD分別連接在STM32單片機(jī)的PA3和PA2引腳，通過串口將識別結(jié)果傳遞給STM32單片機(jī)，再由STM32單片機(jī)進(jìn)行控制。語音識別流程如圖4所示。

圖4 語音識別流程圖

工作模式設(shè)置為口令模式，用戶需通過設(shè)定的一級口令，喚醒設(shè)備之后才能進(jìn)行后續(xù)操作，減少垃圾詞匯對設(shè)備工作情況的影響。

3.2.4 語音合成模塊

選用SYN6288作為設(shè)備控制系統(tǒng)的語音合成模塊。SYN6288模塊的TXD引腳和RXD引腳分別連接在STM32單片機(jī)的PB11和PB10引腳，由STM32單片機(jī)傳遞信息進(jìn)行控制，將文本轉(zhuǎn)化為語音，并且外接喇叭，實(shí)現(xiàn)語音的輸出。設(shè)備上各個(gè)模塊的信息都被主控芯片所監(jiān)控，當(dāng)需要提醒用戶時(shí)，STM32單片機(jī)可控制語音合成模塊輸出相應(yīng)的聲音，實(shí)現(xiàn)語音提醒功能。

3.2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

設(shè)備運(yùn)行需要下底盤下的2個(gè)直流電機(jī)、下底盤上的2個(gè)步進(jìn)電動(dòng)推桿和上底盤下的2個(gè)步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，因此需要6個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊由24 V電源供電，且ENA、ENB、IN1、IN2、IN3、IN4六路輸入信號連接到STM32單片機(jī)的PA13、PA12、PA11、PA10、PA9、PA8上，控制2個(gè)通道的直流電機(jī)的運(yùn)行。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊由24 V電源供電，采用共陽極接法。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路一和二用于驅(qū)動(dòng)升降機(jī)構(gòu)中的步進(jìn)電動(dòng)推桿的步進(jìn)電機(jī)，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成推桿的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，2個(gè)驅(qū)動(dòng)電路中的EN-、PUL-、DIR-輸入信號連接到STM32單片機(jī)的PC9、PC8、PC7、PC6、PD15、PD14上；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路三和四用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)坐墊機(jī)構(gòu)中的步進(jìn)電機(jī)，2個(gè)驅(qū)動(dòng)電路中的EN-、PUL-、DIR-輸入信號連接到STM32單片機(jī)的PD13、PD12、PD11、PD10、PD9、PD8。

3.2.6 超聲波傳感器模塊

設(shè)備需要借助超聲波傳感器探測外界環(huán)境之后，才能通過控制下底盤的直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能。模塊選型為HC-SR04，三個(gè)傳感器模塊的Trig、Echo引腳分別接到STM32單片機(jī)的PD0、PC12、PC11、PC10、PA15、PA14引腳，由單片機(jī)發(fā)出的高電平信號觸發(fā)測距，通過超聲波傳感器方波信號的發(fā)送和接收的時(shí)間差即可計(jì)算出前方障礙物的距離。計(jì)算公式為：

測試距離=[高電平時(shí)間×聲速（340 m/s）]/2

超聲波傳感器在設(shè)備上的放置位置：左、前、右各放置一個(gè)超聲波傳感器，且左右傳感器呈一定角度，這樣擺放使得傳感器的測距效果更好，提高了設(shè)備自動(dòng)避障的效果。

4 結(jié)語

本文內(nèi)容具有研究意義，結(jié)合語音識別技術(shù)研究老年人生活輔助設(shè)備，方便老年人使用，并且可以幫助解決老年人如廁和行走的生活難題，提高設(shè)備的可靠性和使用價(jià)值。當(dāng)下人口老齡化嚴(yán)重，且在信息化時(shí)代，與老年人相關(guān)的設(shè)備都在朝著智能化方向發(fā)展。因此，本文設(shè)計(jì)的基于語音識別技術(shù)的老年人生活輔助設(shè)備市場前景廣闊。

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TP23

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.08.031

2095－6835（2021）08－0084－03

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（編號：S202010497094）

冉冬東（1999—），男，大學(xué)本科在讀，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。

〔編輯：張思楠〕