基于語(yǔ)音識(shí)別及WIFI技術(shù)的殘障人員機(jī)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(dòng)不便，設(shè)計(jì)了一個(gè)帶多功能智能小車(chē)的機(jī)器人助手，同時(shí)系統(tǒng)涵蓋語(yǔ)音控制終端。控制端采用語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)并使用WIFI模塊與小車(chē)相連接，小車(chē)部分通過(guò)各種傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集并于與語(yǔ)音控制端間實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信。殘疾人只需通過(guò)語(yǔ)音口令就可遠(yuǎn)程控制小車(chē)實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)動(dòng)作并實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)家庭所有安全指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；語(yǔ)音識(shí)別；語(yǔ)音合成；WIFI；殘障人士

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）05-0174-02

1 引言

全國(guó)各類(lèi)殘疾人總數(shù)超過(guò)8502萬(wàn)人[1]。殘障人群作為社會(huì)的特殊群體，因?yàn)樗麄兊纳碓驅(qū)е滤麄儫o(wú)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(shí)常需要一些監(jiān)護(hù)人，離開(kāi)監(jiān)護(hù)人他們哪怕開(kāi)個(gè)電燈都不容易，這會(huì)給他們帶來(lái)極大的挫折感。另一面隨著科學(xué)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(yǔ)音識(shí)別技術(shù)、WIFI技術(shù)和機(jī)器人等就廣泛地被應(yīng)用在各種智能家居系統(tǒng)中。這給我們一個(gè)提示，為何不為殘障人士設(shè)計(jì)一款局限于家庭的機(jī)器人助手，代替他們實(shí)時(shí)檢測(cè)觀察房間內(nèi)外情況。這些技術(shù)對(duì)于常人或許是為了炫耀，但給殘障人員的生活帶來(lái)很多便利，也多一些陽(yáng)光。

考慮到成本，我們以智能小車(chē)來(lái)作為機(jī)器人主體，小車(chē)攜帶一個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像頭，如此用戶(hù)可以借由小車(chē)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)全屋的每個(gè)角落。這個(gè)設(shè)計(jì)分為語(yǔ)音控制端和智能小車(chē)兩部分。智能小車(chē)部分以STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制核心，還包含了電源模塊、WIFI無(wú)線(xiàn)傳輸模塊、火焰模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、溫度檢測(cè)模塊、云臺(tái)舵機(jī)模塊、網(wǎng)絡(luò)攝像頭以及遠(yuǎn)紅外距離傳感器等模塊。語(yǔ)音控制端通過(guò)一個(gè)語(yǔ)音識(shí)別模塊和一個(gè)語(yǔ)音合成模塊搭建一個(gè)基于語(yǔ)音的人機(jī)交互平臺(tái)，借此用戶(hù)便可以通過(guò)語(yǔ)音遠(yuǎn)程控制智能小車(chē)，與此同時(shí)無(wú)線(xiàn)模塊還會(huì)接收智能小車(chē)所發(fā)送的環(huán)境監(jiān)測(cè)信息和視頻監(jiān)控畫(huà)面，并通過(guò)顯示模塊顯示出來(lái)。

2 系統(tǒng)語(yǔ)音控制端的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)由智能小車(chē)和語(yǔ)音控制端兩大部分組成，小車(chē)部分通過(guò)單片機(jī)采集來(lái)自火焰?zhèn)鞲衅鳌囟葌鞲衅鳌z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(yǔ)音控制端并接收來(lái)自語(yǔ)音控制端的指令。

2.2 手持語(yǔ)音控制端硬件電路的設(shè)計(jì)

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

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

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

2.3 手持語(yǔ)音控制端軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)軟件主要包括四部分，LCD顯示部分，語(yǔ)音合成部分，語(yǔ)音識(shí)別部分和WIFI數(shù)據(jù)傳輸部分。其中LCD顯示部分和語(yǔ)音合成部分較為簡(jiǎn)單，不做累述。

主程序控制著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。系統(tǒng)開(kāi)啟后進(jìn)入初始化，小車(chē)部分的WIFI和控制器部分的WIFI進(jìn)行配對(duì)。配對(duì)成功后控制器部分等待語(yǔ)音信號(hào)，收到語(yǔ)音信號(hào)后語(yǔ)音識(shí)別模塊對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行處理，把處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給主控單片機(jī)，主控單片機(jī)會(huì)將語(yǔ)音數(shù)據(jù)發(fā)送給無(wú)線(xiàn)模塊、語(yǔ)音識(shí)別模塊和顯示模塊。由無(wú)線(xiàn)模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送給小車(chē)部分，語(yǔ)音識(shí)別模塊進(jìn)行語(yǔ)音合成，顯示模塊進(jìn)行顯示。WIFI模塊接收到小車(chē)部分發(fā)送的數(shù)據(jù)后，會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控單片機(jī)，然后單片機(jī)會(huì)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(yǔ)音識(shí)別模塊前，要先對(duì)芯片進(jìn)行復(fù)位，然后對(duì)關(guān)鍵詞和識(shí)別碼進(jìn)行定義。根據(jù)智能小車(chē)的功能設(shè)定對(duì)應(yīng)的識(shí)別列表，每個(gè)命令對(duì)應(yīng)一個(gè)單字節(jié)的編號(hào)，不同的命令的編號(hào)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(jìn)行修改。處理函數(shù)的作用是讓芯片根據(jù)識(shí)別到的內(nèi)容，對(duì)內(nèi)容進(jìn)行處理。當(dāng)模塊識(shí)別到命令并處理完成后，就會(huì)把處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給主控單片機(jī)，由主控單片機(jī)進(jìn)行調(diào)用。

3 智能小車(chē)部分設(shè)計(jì)

智能小車(chē)在本設(shè)計(jì)中的作用相當(dāng)于殘障人士的機(jī)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(chē)所該具備的行動(dòng)能力及避障能力外，還需攜帶網(wǎng)絡(luò)攝像頭，為了360度無(wú)死角監(jiān)控，我們?cè)谥悄苄≤?chē)上配備了云臺(tái)舵機(jī)；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(chē)硬件設(shè)計(jì)電路

主控芯片采用STC12C5A60S2，其具有兩路PWM非常適合對(duì)智能小車(chē)進(jìn)行調(diào)速，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用L298N。小車(chē)的避障、避坑模塊分別采用一個(gè)紅外接近開(kāi)關(guān)去檢測(cè)前方是否有障礙物或者有坑，通過(guò)處理器讀取傳感器返回的值去判斷。在云臺(tái)攝像頭設(shè)計(jì)中，搭載攝像頭的云臺(tái)采用舵機(jī)去搭建，舵機(jī)通過(guò)單片機(jī)定時(shí)器控制PWM區(qū)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。小車(chē)驅(qū)動(dòng)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(guò)7805型號(hào)的穩(wěn)壓片將電壓降為5V電壓后連接到單片機(jī)，最后再經(jīng)AMS1117-3.3型號(hào)的芯片穩(wěn)壓后將為3.3V電壓再連接到WIFI模塊。

無(wú)線(xiàn)傳輸模塊采用ESP8266 WIFI模塊，主要通過(guò)AT指令配置模塊，配置好后與單片機(jī)串口連接。遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鳎眉t外線(xiàn)接受管來(lái)檢測(cè)火焰，再通過(guò)中央處理器及LM393比較器數(shù)據(jù)對(duì)比后輸出數(shù)字量，火焰?zhèn)鞲衅鞯撵`敏度可通過(guò)調(diào)節(jié)電位器改變電阻用來(lái)改變。與此同時(shí)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(chē)軟件設(shè)計(jì)

智能小車(chē)軟件的優(yōu)化情況就直接決定了該產(chǎn)品的可用性和實(shí)用性，也影響了響應(yīng)速度等關(guān)鍵性指標(biāo)。系統(tǒng)初始化完成后，WIFI模塊就會(huì)進(jìn)行自動(dòng)連接，連接成功后，通過(guò)WIFI模塊小車(chē)將接收語(yǔ)音控制端發(fā)過(guò)來(lái)的指令，且小車(chē)部分向語(yǔ)音控制端發(fā)送各個(gè)模塊所采集到的數(shù)據(jù)。

驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)是通過(guò)單片機(jī)I/O接驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端，通過(guò)輸入端去控制輸出端。PWM初始化后進(jìn)入等待指令，判斷小車(chē)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)指令，直至收到停止指令。避障、避坑程序設(shè)計(jì)是兩路紅外接近開(kāi)關(guān)接I/O口，通過(guò)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(chē)啟動(dòng)左轉(zhuǎn)程序。舵機(jī)通過(guò)單片機(jī)定時(shí)器控制PWM區(qū)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

WIFI模塊軟件編寫(xiě)與語(yǔ)音控制部分類(lèi)似，火焰?zhèn)鞲衅魍ㄟ^(guò)硬件電路的設(shè)計(jì)，將火焰?zhèn)鞲衅鹘Y(jié)合LM393比較器，將火焰模擬信號(hào)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(dāng)有火焰時(shí)，指示燈亮起，并且向單片機(jī)I/O口反饋一個(gè)低電平，當(dāng)單片機(jī)掃描到I/O口低電平狀態(tài)時(shí)說(shuō)明有火焰。其余傳感器的控制原理類(lèi)似，不做累述。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于語(yǔ)音識(shí)別及WIFI技術(shù)的殘障人員機(jī)器人助手。借由WIFI通信，殘障人員通過(guò)語(yǔ)音口令便可遠(yuǎn)程控制機(jī)器人助手--智能小車(chē)，巡邏家里的每個(gè)死角，實(shí)時(shí)觀看視頻信號(hào)以及各類(lèi)傳感器收集到屋內(nèi)安全信息。本設(shè)計(jì)操作簡(jiǎn)單便捷，讓一些行動(dòng)不方便的殘障人員無(wú)需過(guò)多培訓(xùn)下便可自如使用。與一般機(jī)器人助手相比，本產(chǎn)品的價(jià)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(xiàn)

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