家居環境檢測助老服務機器人的設計

戴文娟 韓慧敏 吳育軍

（海南科技職業大學機電工程學院 海南省海口市 571126）

基于近幾年中國機器人及人工智能大賽助老類服務機器人試題，為滿足家庭對家居環境檢測及家居智能化控制的需要，設計一款以智能家居為平臺搭建“用戶-環境-產品”的助老服務機器人。該機器人與物聯網智能家居實現互聯互通，可實時對家中多個房間的室內環境狀況進行監測，并可自由控制或人機語音交互控制家居設備，調整家居環境舒適情況，解決了老年人對家居環境控制不便的實際需求。在設計及產品調試的過程中，有效地提高學生的動手操作能力，綜合能力及創新能力。

1 機器人外觀結構

機器人主體框架由底盤、輪、質金屬桿件拼裝組成，通過車底的四個輪子來移動和承重。其整體結構如圖1所示。

2 電子電路系統

2.1 系統硬件設計

本設計的智能家居助老服務機器人,以四輪驅動小車為平臺，由底盤系統、電控系統組成。底盤系統由轉向機構、傳動機構、差速機構、懸架等組成。電控系統采用STC8A8K64S4A12281/PWM系列單片機為核心控制部分,由電源模塊、驅動模塊、AI 模塊、E32 通信模塊、SYN6658 語音模塊、傳感器模塊組成。可以實現路徑規劃、轉向、測速、實時顯示探測參數的功能及控制等功能。硬件系統框圖見圖2。

圖2：硬件系統框圖

2.2 單元電路設計

2.2.1 電機驅動模塊

采用的TB6612FNG 是一款具有大電流MOSFET-H 橋結構的直流電機驅動器件，雙通道電路輸出，可同時驅動2 個電機，無需外加散熱片，只需外接電源濾波電容就可以直接驅動電機。

舵機也叫伺服電機，由直流電機、減速齒輪組、位置反饋電位計、舵盤和控制電路等組成的自動控制系統，其外部機械設計簡單、力矩大、體積小、穩定性高。可通過編寫程序，發送信號連續控制其轉角，實現智能小車的轉向功能。

2.2.2 AI 模塊

本設計采用百科融創嵌入式小車語音模塊，內置離線語音識別引擎，運行深度神經網絡算法，支持本地語音識別、本地語音合成、中文普通話識別、方言識別和遠講語音識別；支持高靈敏度數字麥克風錄音，通過穩態、動態噪音過濾算法調整錄音音量，利用語音增強算法過濾原始語音數據，利用離線式語音識別引擎識別高信噪比的語言數據，保證了不同距離（遠講）識別的高精準度和抗噪能力。語音模塊見圖3。

圖3：百科融創嵌入式小車語音模塊

2.2.3 E32 通信模塊

本設計采用E32-433T20DC 模塊，嵌入高速低功耗單片機和高性能LoRa 擴頻芯片SX1278，采用循環交織糾檢錯編碼，使其抗干擾性、靈敏度及高效性能等都大大提升。其發射功率為100mW，超低功耗，無線喚醒功能，LoRa 擴頻功能使其通訊距離大大提升。此外還具有：定點發射、廣播監聽、前向糾錯、休眠功能、看門狗、參數保存、抄表行業等特點。

2.2.4 SYN6658 語音模塊

通過UART 接口或SPI 接口將主控制器和SYN6658 語音合成芯片連接在一起。控制命令和文本可由主控制器通過接口發送至SYN6658 語音合成芯片，被SYN6658 語音合成芯片接收，經過語音合成，再經功率放大器放大，并連接到喇叭進行播放。

2.2.5 傳感器

（1）MQ-2 煙霧氣敏傳感器模塊。

MQ-2 煙霧傳感器使用電導率較低的二氧化錫為材料，其電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。MQ-2 氣體傳感器對甲烷的靈敏度高，對天然氣及液化石油氣也具有較好的靈敏度。

（2）光照傳感器（GY-302 光強度光照度模塊 BH1750）。

光強度光照度模塊 BH1750，內部由光敏二極管、運算放大器、ADC 采集、晶振等組成。PD 二極管通過光生伏特效應將輸入光信號轉換成電信號，經運算放大器放大后，ADC 采集電壓，經邏輯電路轉換成16 位二進制數，并存儲在內部寄存器中。光越強，光電流越大，電壓越大，所以通過電壓大小就可以判斷光照大小。

（3） 溫濕度傳感器（SHT21 傳感器模塊/GY-213V-SHT21）。

SHT21 是一款嵌入回流焊的雙列扁平無引腳DFN 封裝的濕溫度傳感器集成芯片。配有全新設計的CMOSens?芯片、標準能隙溫度傳感器元件和改進的電容式濕度傳感元件，使其性能在高濕環境下更穩定。測溫范圍：-40℃-125℃，濕度范圍：0-100%RH。

3 軟件設計

3.1 控制策略

控制系統驅動小車，通過煙霧氣敏傳感器模塊、光照傳感器模塊及溫濕度傳感器檢測環境，并根據檢測結果，實現對目標的控制，或者通過語音識別指令實現對目標的控制。

其控制情況為：

當光照傳感器檢測到光照值小于300 尼特時，機器人打開客廳燈；光照值大于300 尼特時，機器人關閉客廳燈光；

（1）當溫濕度傳感器檢測到溫度大于22℃時，機器人打開臥室空調/風扇，溫度小于22℃時，機器人關閉臥室空調/風扇；

（2）當煙霧氣敏傳感器檢測煙霧時，檢測其輸出電壓值小于0.9V,機器人控制電磁閥關斷；輸出電壓值大于0.9V 小于1.1V，則二氧化碳濃度偏高，機器人打開電磁閥；輸出電壓值大于1.1V 濃度超高，機器人打開電磁閥；

（4）可以通過語音交互的對話方式來實現對客廳燈光、臥室空調/風扇、廚房電磁閥開關控制。

3.2 程序設計

助老機器人集成環境檢測和控制功能，能對室內光照值、溫濕度值、二氧化碳濃度等進行檢測，并對客廳燈光、臥室空調和廚房電磁閥進行自動控制。此機器人采用C 語言編寫應用程序。程序流程圖見圖3，人機語音交互流程見圖4。

圖3：程序流程圖

圖4：人機語音交互流程圖

機器人檢測室內環境及智能控制的部分程序如下：

4 實驗結果

（1）機器人能夠與家居設備互聯，實現智能化控制。

（2）機器人自主檢測客廳光照度數值為112 尼特，并通過語音播報光照度數值，通過判斷112 尼特＜300 尼特,機器人能自主控制客廳燈光打開。

（3）機器人自主檢測臥室溫度為33.70℃，濕度為60.19 百帕，語音播報溫濕度數值，判斷溫度33.70℃＞22℃,機器人能自主控制臥室空調打開。

（4）機器人能自主檢測電壓值小于0.9V，語音播報二氧化碳濃度良好，機器人自主關閉廚房電磁閥。

（5）能夠語音播報各檢測數值；能夠識別語言指令，并進行相應的控制動作。

5 結束語

家居環境檢測和智能控制的助老服務機器人，給人們的生活帶來了便利性和舒適性。同時也給老年人行動不便及未來人口老齡化服務等問題，提供一個可行性的方案，具有廣闊的發展前景。本文設計智能家居助老服務機器人外形美觀度不夠，其智能化水平還可以多集成更多的其它功能，程序仍可以繼續優化。未來仍需繼續加深這方面的學習，繼續改進升級。

通過參加競賽，家居環境檢測助老服務機器人的設計，不斷擴寬學生對智能控制技術和傳感器技術等知識的廣度和深度，綜合考察學生對電路、設計、編程等知識的綜合運用能力，培養了學生分析問題解決問題的能力，及創新思維。