AI語音交互智能座椅控制器的設計與開發

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）

0 引 言

目前，在各大企業的辦公室，久坐已經成為越來越多人工作中的常態，但在久坐后常常會產生一系列疾病。據報道，《循環》（Circulation）[1]雜志的一項研究對8 800名成年人進行了7年隨訪，結果發現，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%。還有研究發現，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。

現有的按摩座椅配備有按摩器、發熱器、藍牙等模塊。其優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按摩力度，減少出現肩周炎、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]。

1 智能座椅控制器的組成

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]發出一次警示，提醒用戶活動身體；當蜂鳴器提醒次數大于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2次呼喚AI（小椅小椅）與語音系統互動，選擇需要的服務；接收端主要在移動設備（手機端）上實現，需在手機端開發一款基于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，也可以調節座椅的按摩力度。

1.1 座椅控制器

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收發器作為輔助模塊，總體構成如圖1所示。

圖1 系統功能框圖

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。

1.2 AI語音模塊

AI語音模塊主要實現語音的輸入和輸出，實現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平臺?？膳c控制器連接發出控制命令，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

1.3 手機端部分

手機端部分利用手機的WiFi接收模塊等模型實現，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發送模塊無線連接，將用戶使用座椅的時長發送給手機端。

（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。用戶可以根據自身需求，通過開發的手機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）。

2 硬件系統設計

AI語音智能座椅的硬件系統主要包括傳感模塊、定時模塊、電機控制模塊、AI語音模塊、電源模塊和輔助模塊。硬件系統的總體設計如圖5所示。

圖5 硬件系統結構

2.1 硬件系統組成

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，所以有兩種開發方式可以選擇，一種是基于寄存器的開發方式，一種是基于ST官方固件庫的庫函數開發方式?；趲旌瘮档拈_發方式更容易，開發的軟件可靠性、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，還可以節約電力資源，保護環境。

（6）輔助模塊：蜂鳴器選用低電平觸發的無源蜂鳴器，WiFi收發器選用ESP8266 ESP-01，ESP8266系列無線模塊是安信可科技自主研發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協議，可以構建獨立的網絡控制器，功耗與成本較低。

2.2 硬件設計

在進行實物開發前，選擇在Proteus8.10軟件中進行原理設計與開發。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監控仿真執行過程，觀察電機轉速，運行時間，壓力模擬所產生的數據，顯示模塊電路如圖8所示。

圖8 顯示模塊

3 軟件設計模塊

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[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

4 測試及結果

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

通過仿真測試發現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出警報、語音系統準確接收各種命令并做出正確回復。經測試，電機仿真和語音系統均能滿足該研究所需的要求。

5 結 語

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該設計已成功申請了專利[11]，前景可觀。