張許如,任 龍,陳 蕊,潘 婧,徐逸凡,韓改寧
(咸陽師范學院 計算機學院,陜西 咸陽 721000)
目前,在各大企業(yè)的辦公室,久坐已經(jīng)成為越來越多人工作中的常態(tài),但在久坐后常常會產(chǎn)生一系列疾病。據(jù)報道,《循環(huán)》(Circulation)[1]雜志的一項研究對8 800名成年人進行了7年隨訪,結果發(fā)現(xiàn),和每天坐著看2小時電視的人相比,那些每天看電視時間超過4小時的人,死亡率高46%。還有研究發(fā)現(xiàn),如果一個人一天中有超過一半的時間都在坐著,其患糖尿病和心血管等疾病的概率就會加倍。在大多數(shù)辦公室,針對久坐而配備的相關設施寥寥無幾,且設置按摩座椅器械的更是屈指可數(shù)。
現(xiàn)有的按摩座椅配備有按摩器、發(fā)熱器、藍牙等模塊。其優(yōu)點是結構設計比較簡單且大都具備一定的按摩功能,但其缺點在于價格高、體積大,對于較小的辦公環(huán)境使用不便和難以存放;且其功能體系不完善,人與座椅之間不能進行實時的語音交互,使用者無法獲得更加快捷和舒適的體驗[2]。
基于AI語音交互的智能座椅控制器是針對長時間工作的上班族設計的,該座椅安裝便捷且體積較小。當使用者長時間坐在座椅上保持一個動作工作時,控制器會提醒使用者起身活動或調整坐姿,通過語音交互的方式詢問使用者需要的按摩模式并調節(jié)按摩力度,減少出現(xiàn)肩周炎、腰椎間盤突出等常見的肩部及腰部問題,讓人們安心工作[3]。
基于AI語音控制的智能座椅控制器主要有四大核心功能模塊,分別是傳感模塊、定時模塊、電機控制模塊和AI語音模塊。傳感模塊和定時模塊結合其他輔助功能模塊,主要由單片機控制,當使用者坐在座椅上,壓力傳感器接收到持續(xù)的壓力之后,通過控制器中的計時器開始計時,每30 min蜂鳴器[4]發(fā)出一次警示,提醒用戶活動身體;當蜂鳴器提醒次數(shù)大于1次時,控制器自動控制按摩器對用戶進行一定時長的按摩;連接WiFi后,用戶可以通過連續(xù)2次呼喚AI(小椅小椅)與語音系統(tǒng)互動,選擇需要的服務;接收端主要在移動設備(手機端)上實現(xiàn),需在手機端開發(fā)一款基于Android的APP程序。智能座椅和手機端通過WiFi連接后,用戶可以在手機端查看座椅使用時長,也可以調節(jié)座椅的按摩力度。
采用STM32F103ZET6單片機作為控制器,采用HX711傳感模塊測量外界壓力,LD3320作為AI語音模塊,電源作為供電模板,蜂鳴器和WiFi收發(fā)器作為輔助模塊,總體構成如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)功能框圖
各模塊功能如下:
(1)傳感模塊:精準感受用戶坐在座椅上時產(chǎn)生的壓力,將外界的壓力信息傳給單片機。
(2)定時模塊:記錄座椅的使用時長。
(3)電機控制模塊:通過電機的正轉、反轉以及提速、降速實現(xiàn)對用戶的局部按摩。
(4)AI模塊:連接WiFi后,用戶通過“語音喚醒詞+命令詞”的方式與座椅進行人機交互,選擇需要的服務。
(5)電源模塊:為座椅控制器提供電源。
(6)輔助模塊:當定時器達到設定的使用時間后,蜂鳴器發(fā)出警報聲,提醒用戶休息或運動;連接WiFi后,手機端APP也會接收到相關提醒信息。
AI語音模塊主要實現(xiàn)語音的輸入和輸出,實現(xiàn)輸入語音正確應答并輸出相應的語音信息。采用US516P6作為語音識別芯片,該芯片采用32位RSIC架構內核,支持100條本地指令離線識別,板載USB轉串口,支持一鍵下載升級語音識別內容,支持語音識別內容修改,支持智能元件在線語音模型開發(fā)平臺??膳c控制器連接發(fā)出控制命令,與蜂鳴器直接連接輸入、輸出語音合成信息。硬件組成如圖2所示。
圖2 AI語音模塊圖
軟件編程支持Scratch語言[5],支持語音命令詞的設計,具體設計如圖3所示。
圖3 AI的Scratch編程操作流程
手機端部分利用手機的WiFi接收模塊等模型實現(xiàn),具體結構如圖4所示。
圖4 手機端模塊功能流程
(1)手機WiFi接收模塊。與智能座椅的WiFi發(fā)送模塊無線連接,將用戶使用座椅的時長發(fā)送給手機端。
(2)時間顯示。智能座椅中的計時器記錄座椅使用時長,通過WiFi模塊發(fā)送到手機APP,用戶可以通過APP查看座椅使用時長。
(3)選擇服務。用戶可以根據(jù)自身需求,通過開發(fā)的手機APP選擇不同的服務(包括開始按摩、關閉按摩、選擇按摩時長和調整按摩力度等)。
AI語音智能座椅的硬件系統(tǒng)主要包括傳感模塊、定時模塊、電機控制模塊、AI語音模塊、電源模塊和輔助模塊。硬件系統(tǒng)的總體設計如圖5所示。
圖5 硬件系統(tǒng)結構
通過市場調研,考慮到價格和實際所需,在本次設計中的主要元器件型號如下:
(1)主控模塊:選用STM32F103ZET6單片機[6]。STM32由于功能強大、結構復雜,所以有兩種開發(fā)方式可以選擇,一種是基于寄存器的開發(fā)方式,一種是基于ST官方固件庫的庫函數(shù)開發(fā)方式?;趲旌瘮?shù)的開發(fā)方式更容易,開發(fā)的軟件可靠性、可維護性有較大提升,且32位單片機較其他單片機相比,有較高的性價比。將4款典型芯片列表比較,比較結果見表1所列[7]。
表1 典型單片機性能對比
(2)傳感模塊:選用HX711芯片[8]。HX711是一款專為高精度感壓而設計的24位A/D轉換器芯片。與同類型其他芯片相比,該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內時鐘振蕩器等其他同類型芯片所需的外圍電路,具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優(yōu)點。降低了智能座椅的整體成本,提高了整體的性能和可靠性。測試仿真時,該芯片與STM32單片機的PA1口連接。
(3)電機控制模塊:為提高按摩舒適度,考慮到性價比等因素,采用四相六線電機進行多部位按摩,按摩分為5個檔位供客戶選擇,并提供正轉和反轉按摩。采用12 V電動馬達,DIY按摩靠墊,與小體積TB6612FNG電機驅動控制按摩模塊,電機通過ULN2003A放大芯片鏈接在STM32單片機系統(tǒng)進行控制。
(4)語音模塊:選用US516P6語音識別模塊。該智能語音識別模塊可離線識別,識別率達98%,具有一鍵燒錄功能,使用方便。與同類型其他語音模塊相比,識別率高,成本低,回報利潤高。
(5)電源模塊:選用12 V可充電中順芯18650大容量鋰電池。該電池可反復充電,不僅可為座椅長時間提供能源,還可以節(jié)約電力資源,保護環(huán)境。
(6)輔助模塊:蜂鳴器選用低電平觸發(fā)的無源蜂鳴器,WiFi收發(fā)器選用ESP8266 ESP-01,ESP8266系列無線模塊是安信可科技自主研發(fā)設計的一系列高性價比WiFi SoC模組,該系列模塊支持標準的IEEE802.11b/g/n協(xié)議,可以構建獨立的網(wǎng)絡控制器,功耗與成本較低。
在進行實物開發(fā)前,選擇在Proteus8.10軟件中進行原理設計與開發(fā)。采用STM32單片機作為控制器。LM016L顯示屏代替LCD1602顯示屏等元器件,該控制器各功能模塊之間進行連接的仿真如圖6所示。
圖6 電機仿真電路
由于設計需要,用于提醒用戶久坐的蜂鳴器進行仿真測試時采用Buzzer(蜂鳴器),預設提醒時間縮短為2 min,便于觀察效果。久坐提醒功能通過STM32直接設置時鐘控制,通過程序宏定義直接修改,便于維護。久坐提醒模塊電路如圖7所示。
圖7 久坐提醒模塊電路
利用LCD監(jiān)控仿真執(zhí)行過程,觀察電機轉速,運行時間,壓力模擬所產(chǎn)生的數(shù)據(jù),顯示模塊電路如圖8所示。
圖8 顯示模塊
該控制器的軟件設計包括傳感器檢測、電機控制、提醒、語音交互以及LCD顯示等功能設計。電機的速度控制通過設立的獨立按鈕完成,包括啟停、加減速和正方向控制,定義為Start_Key、Add_KEY、Sub_KEY、Dir_Switch、Dir_Flag,在Speed中設置5個等級的速度調節(jié)[9],以滿足用戶的不同需求。語音交互通過Scratch進行測試。
軟件工作流程如圖9所示。
圖9 軟件工作流程
在仿真測試中,將電機初始速度設置為1,定時時間設置為2 min,運行過程中對各按鍵進行測試、改變PA1相連的可變電阻,觀察壓力值是否可以隨著可變電阻的改變而改變,以及3個步進電機是否可以正常運轉,顯示器顯示2 min時蜂鳴器是否報警等。對語音模塊進行語音測試[10],分別說出“小椅小椅”“開始按摩”“關閉按摩”3種命令,判斷是否可以對應3種命令分別回答出“我在”“按摩已開啟”“按摩已關閉”3種回復。
語音測試結果如圖10所示。
圖10 語音測試結果
通過仿真測試發(fā)現(xiàn)可變電阻可改變壓力值,對結果進行分析,3個步進電機可正常轉動、到達預設時間時蜂鳴器正常發(fā)出警報、語音系統(tǒng)準確接收各種命令并做出正確回復。經(jīng)測試,電機仿真和語音系統(tǒng)均能滿足該研究所需的要求。
設計的智能座椅控制器集AI語音交互、久坐提醒和按摩為一體,通過硬件、軟件相結合改變了傳統(tǒng)座椅功能性單一的弊端,有效加強了座椅的功能。該控制器安裝便捷且使用方便,可以為長期伏案工作的人群提供健康保障;該控制器具備的功能彌補了當下普通座椅的缺點和不足,座椅可定時按摩,且使用者和座椅可以進行實時語音交互?,F(xiàn)該設計已成功申請了專利[11],前景可觀。