智能家居服務型機器人的設計與開發(fā)

吉林大學珠海學院 嚴毓培 陳志欽 嚴澤強 鄭鏜浩

智能家居服務型機器人的設計與開發(fā)

吉林大學珠海學院 嚴毓培 陳志欽 嚴澤強 鄭鏜浩

隨著當今機器人技術的迅猛發(fā)展，目前機器人的應用已由工業(yè)自動化領域向家庭服務領域擴展，因此家庭服務型機器人成為了當今消費類電子產品的一支潛力股，我們設計的家庭服務型機器人可實現(xiàn)家庭安防報警和家人健康監(jiān)測的功能，該系統(tǒng)采用上位機加下位機的設計模式，上位機擁有1塊4.3寸觸摸顯示屏，顯示優(yōu)美簡單的QT界面，主芯片采用Exynos 4412 SOC加自主設計的底板組成，采用Linux+QT系統(tǒng)負責顯示和控制下位機。下位機又主芯片是STM32F103ZET6的核心板加自主設計的兩塊底板，以及眾多外圍傳感器組成。支持非特定人群語音識別，語音播報，WIFI數(shù)據(jù)傳輸，GSM短信報警，煙霧報警，溫濕度傳感器，大氣空氣質量檢測，大氣甲醛含量，通過藍牙模塊建立無線信道，支持無線采集血壓，心率，體溫等生理參數(shù)，突破先有有限測量模式。經測試該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，滿足最初的設計要求。

機器人；Linux；QT；STM32

一、簡介

隨著社會的不斷發(fā)展，機器人已經慢慢進入了人們的視野，最為典型的是工業(yè)機器人在生產車間完成復雜精細的生產任務，在倉庫搬用沉重和種類繁多的貨物，與此同時，家庭服務型機器人的相關產品也逐漸成熟，比如早教機器人可以幫助小朋友學習，和小朋友對話，成為了小朋友的智能小伙伴，由此可以看到家庭服務型機器人廣闊的發(fā)展前景，針對目前服務型機器人的發(fā)展現(xiàn)狀，我們研發(fā)了一款家庭服務型機器人，該機器人可以實現(xiàn)安防報警和生理監(jiān)測的功能，填補了目前市面上家庭服務型機器人功能上的欠缺。

本家庭服務型機器人系統(tǒng)主要有語音健康助手系統(tǒng)，安防報警系統(tǒng)和便攜式健康監(jiān)測儀組成，其中語音健康助手系統(tǒng)部分有三個部分組成上位機加下位機，其中上位機采用Exynos 4412 SOC作為主控芯片，運行Linux+QT系統(tǒng)能做出優(yōu)美簡單且具有強交互性的界面[1]。下位機由兩個部分組成信息采集系統(tǒng)，主控芯片采用STM-32F103ZET6作為主控芯片，該芯片有十分豐富的外設，驅動外部傳感器模塊，完成信息采集處理，再通過串口傳送至上位機。上位機和下位機采用串口互連，相互配合，完成整個系統(tǒng)的功能[2]。

便攜式健康監(jiān)測儀集成兩個傳感器模塊，一個是非接觸式體溫測量傳感器GY-MCU90615，另外一個是血壓模塊，這兩個模塊通過藍牙模塊建立的無線信道連接到下位機從機的串口，實現(xiàn)血壓模塊和體溫模塊的遠距離測量，兩個模塊通過無線信道脫離和主系統(tǒng)的物理連接，即減小的主系統(tǒng)的體積，也爭強了測量的靈活性。

圖一 智能家居服務機器人的核心電路板

主系統(tǒng)是由上位機+下位機主機+下位機從機，每個部分都以獨立的電源進行供電，確保系統(tǒng)各部分互不干擾。上位機部分主要是通過Linux+QT界面顯示下位機采集過來的數(shù)據(jù)，并提供功能菜單，方便用戶控制下位機功能的開啟和關閉。

下位機主機主要是負責采集溫濕度，甲醛，PM1.0，PM2.5，PM10,的含量，自己和主機通信的同時，還要作為下位機從機和上位機通信的中繼，同時還要負責語音播報功能。下位機從機主要是采集血壓，體溫模塊，光學傳感器的數(shù)據(jù)，發(fā)送給主機。如果語音識別有識別結果，也應當將識別結果發(fā)送給主機。如果GSM報警打開的，那么每次測量完血壓，都會將血壓的測量結果發(fā)送至設定好的手機號碼中，這一功能可以更好的幫助用戶了解家里人的身體情況，體貼照顧到用戶對家里人的關切之情。特別對于遠離家鄉(xiāng)，時刻牽掛的人來說，就是溫馨報警，簡單來說就是千里報平安，而這也是本系統(tǒng)具有特色性、創(chuàng)新性的一個體現(xiàn)，另外主機那邊的煤氣檢測傳感器，檢測到家里如果發(fā)生煤氣泄漏，會發(fā)送指令，要求從機驅動GSM模塊發(fā)送煤氣泄漏報警短信，及時通知用戶，保障家庭安全。

智能服務型機器人軟件可以實現(xiàn)如下功能：

（1）血壓、心率、體溫三項生理參數(shù)測量解析及QT和APP界面顯示。

（2）溫濕度、甲醛、大氣顆粒物含量、煙霧四項環(huán)境參數(shù)測量解析及QT和APP界面顯示。

（3）語音播報（QT界面設置語音播報提示、火警、生理參數(shù)、環(huán)境參數(shù)的變化及給出相應的提示、預警）

（4）語音識別（識別用戶輸入的語音交互命令，執(zhí)行相應的命令操作，包括語音開啟血壓測量、語音設置系統(tǒng)功能等）

（5）GSM發(fā)送短信報警（火警報警以及家庭成員生理參數(shù)測量結果提示）

（6）QT界面圖形化生理參數(shù)以及環(huán)境參數(shù)波形顯示，以及提醒建議。

二、功能實現(xiàn)

1.系統(tǒng)硬件設計

整套系統(tǒng)的底板都是由我們自主畫的PCB交由生產廠家生產的。

圖二 系統(tǒng)硬件架構圖

1.1 主芯片模組

上位機的主芯片使用三星所生產的4核處理器Exynos4412soc，可以運行Linux Android Ubuntu系統(tǒng)，所以這塊芯片是足以搭載我們的Linux+QT系統(tǒng)，并且流暢運行的。

下位機的芯片是STM32F103ZET6，STM32F103ZET6主芯片最高工作頻率可達72M，有豐富的IO口資源和聯(lián)接到兩條APB總線的外設，包含3個12位的ADC、4個通用16位定時器和2個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C接口、3個SPI接口、2個I2S接口、1個SDIO接口、5個USART接口、一個USB接口和一個CAN接口[3]。豐富的外設資源，低廉的價格提現(xiàn)出芯片的性價比相當之高，這也是選擇其作為主控芯片的原因[4]。

1.2 非接觸式體溫模塊

體溫模塊采用非接觸式體溫測量傳感器GY-MCU90615, GYMCU90615 是一款低成本紅外溫度模塊。工作電壓 3-5v 功耗小，體積小。

1.3 血壓模塊

血壓模塊的測量原理是通過阻塞袖帶中的震蕩波的測量，實現(xiàn)動脈血壓的測量的間接方法。該模塊由數(shù)字血壓監(jiān)測模塊，充氣汞，電磁閥，放氣閥，氣路管件和袖帶組成。

1.4 GSM通信模塊

SIM800A 是 SIMCOM 公司推出的一款高性能工業(yè)級 GSM/ GPRS 模塊，SIM800A 開發(fā)板板載工業(yè)級雙頻GSM/GPRS 模塊：GSM900/1800MHz。SIM800A基本版本可以低功耗實現(xiàn)語音、DTMF、SMS（短信，彩信）、GPRS 數(shù)據(jù)的傳輸。

1.5 藍牙模塊

DX-BT05-A 4.0 藍牙模塊是專為智能無線數(shù)據(jù)傳輸而打造，采用美國 TI 公司 CC2541 芯片，配置 256Kb 空間，遵循 V4.0 BLE 藍牙規(guī)范。支持 AT 指令，可根據(jù)需要更改串口波特率、設備名稱、配對密碼等參數(shù)，使用靈活。模塊支持 UART 接口，并支持 SPP藍牙串口協(xié)議，具有成本低、體積小、功耗低、收發(fā)靈敏性高等優(yōu)點，只需配備少許的外圍元件就能實現(xiàn)其強大功能。

1.6 心率光學傳感器模塊

PulseSensor是一款用于心率測量的光電反射式模擬傳感器。將其佩戴于手指，耳垂等處，其輸出線輸出的模擬信號是隨人的脈搏的改變而改變，利用導線將采集到的模擬信號傳送給STM32，由STM32內置的ADC功能將模擬信號轉換為數(shù)字信號。再經過STM32進行簡單的計算就可以得到心率值。

1.7 語音識別模塊

LD3320 芯片是一款“語音識別”專用芯片，由 ICRoute 公司設計生產。該芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路，包括AD、DA 轉換器、麥克風接口、聲音輸出接口等。

1.8 ESP8266 WIFI模塊

樂鑫智能互聯(lián)平臺——ESP8266 擁有高性能無線 SOC，給移動平臺設計師帶來福音，它以最低成本提供最大實用性，為 WiFi 功能嵌入其他系統(tǒng)提供無限可能。ESP8266 是一個完整且自成體系的WiFi 網絡解決方案，能夠獨立運行，也可以作為 slave 搭載于其他Host 運行，ESP8266 在搭載應用并作為設備中唯一的應用處理器時，能夠直接從外接閃存中啟動。內置的高速緩沖存儲器有利于提高系統(tǒng)性能，并減少內存需求。另外一種情況是，無線上網接入承擔 WiFi 適配器的任務時，可以將其添加到任何基于微控制器的設計中，連接簡單易行，只需通過 SPI/SDIO 接口或中央處理器 AHB橋接口即可。ESP8266 強大的片上處理和存儲能力，使其可通過GPIO 口集成傳感器及其他應用的特定設備，實現(xiàn)了最低前期的開發(fā)和運行中最少地占用系統(tǒng)資源。

1.9 甲醛模塊

甲醛檢測模塊，供電電壓為3.3v，有兩種讀取指令的方式，一個是讀取之后，不需要再次發(fā)送指令，另外一種是讀取之后需要再次發(fā)送指令，通信方式為串口頭型，默認布波特率為9600。

1.10 空氣質量檢測

空氣質量檢測模塊，供電電壓為5V，上電默認輸出數(shù)據(jù)，不需要單片機再發(fā)送讀取指令，極為方便。通信方式為串口通信方式，默認波特率為9600。

2.系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)中Linux+QT作為健康監(jiān)測助手的上位機部分，能實現(xiàn)的功能是解析下位機（基于STM32）傳來的信息以及發(fā)送對下位機控制的指令，將解析好的數(shù)據(jù)分類顯示在QT程序的前端界面上[5]。

本系統(tǒng)中Linux+QT部分硬件基于三星Exynos 4412核心板，Exynos 4412又稱為Exynos 4 Quad，Exynos 4412采用了三星32nm HKMG工藝，是三星的第一款四核處理器，主頻為1.4GHz[6]。這顆處理器有高主頻、低功耗的特點，能處理復雜的任務同時又不用考慮功耗過大的問題，這顆芯片在因為出了有段時間，存在大量可供查閱的資料，所以我們采用這顆芯片，為以后拓展更復雜的功能打好硬件基礎[7]。

圖三 QT主界面圖

本QT程序分為前臺和后臺兩部分。首先后臺控制Exynos 4412的串口電路，每秒對串口緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進行5次的讀取，下位機發(fā)送原始數(shù)據(jù)的頻率是1秒/次，這樣能保證上位機不會漏讀每次下位機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)從而造成丟包。通過讀取下位機發(fā)來的原始信息，根據(jù)上位機和下位機之間設定好的數(shù)據(jù)協(xié)議來解析數(shù)據(jù)，然后把它們分別保存到定義好的變量中，等待程序其他部分對他們的調用。上位機和下位機串口通信的波特率為115200。程序前端主要是UI界面的設計與顯示，用戶操作的檢測，用戶動作與控件事件響應之間的鏈接，相應功能的觸發(fā)。比如，當用戶點擊測量血壓按鈕來進行血壓的測量時，上位機會給下位機傳輸控制字符以啟動血壓測量的功能；當用戶點擊環(huán)境監(jiān)測按鈕時候會顯示當前環(huán)境參數(shù)，給出縮略信息圖，點擊相應選項會進入詳細的波形圖界面；當煤氣泄漏時候，系統(tǒng)會處于警報狀態(tài)，這時候可以通過上位機來解除警報狀態(tài)。此外，在這部分中我們設定了某些指標的閾值，當環(huán)境監(jiān)測值，例如甲醛過高，UI上會顯示當前環(huán)境是否適合居住。

三、總結

該產品與其他類型的家庭服務型機器人相比，具有功能實用豐富，操作簡單，運行穩(wěn)定的特點，首先各種傳感器報警功能在家庭安防中有非常重要的作用，同時健康監(jiān)測功能可使用戶及時了解家人的身體健康狀況；其次該產品提供了液晶觸摸屏和手機監(jiān)控功能，使用起來非常簡單方便；最后該產品經過了多次的連續(xù)測試，運行非常穩(wěn)定可靠，為產品的商業(yè)化提供了后續(xù)保證。

該產品在研發(fā)過程中曾出現(xiàn)了一個難度較大的挑戰(zhàn)，該挑戰(zhàn)是使用Linux下的QT在設計的液晶觸摸屏時出現(xiàn)了控件響應不及時的問題，后續(xù)排查可知是Linux出現(xiàn)了多進程阻塞，導致QT插槽函數(shù)被掛起。

該產品的創(chuàng)新之處在于該產品將安防報警和健康監(jiān)測融合在了一起，豐富了家庭服務機器人功能，提升了家庭服務機器人的檔次，比市面上的早教機器人更具有應用的普適性和廣闊性，填補了市面上同類產品的空缺，所以具有非常大的市場前景。

[1]Alan Ezust,ul Ezust.C++ Qt設計模式[M].電子工業(yè)出版社出版,2012.7.

[2]崔惠婷,陳蔚芳.基于ARM的嵌入式機器人控制系統(tǒng)的設計[J].機械與電子,2016.9.

[3]孫書鷹,陳志佳,寇超.新一代嵌入式微處理器STM32F103開發(fā)與應用[J].微計算機應用,2010.12.

[4]楊百軍.輕松玩轉STM32微控制器[M].電子工業(yè)出版社,2016.7.

[5]譚浩強.C語言程序設計教程[M].清華大學出版社,2010.9.

[6]楊志忠.數(shù)字電子技術(第4版)[M].高等教育出版社,2013.7.

[7]童詩白,華成英.模擬電子技術基礎(第五版)[M].高等教育出版社,2015.7.