以 STM32F103RCT6 為主控核心，系統(tǒng)的組成包括：STM32 單片機開發(fā)板、GSM 模塊、LD3320 語音識別模塊、串口播放模塊等電子器件，以及運動控制的機械結(jié)構(gòu)和電源部分。智能護理機器人的工作機制是通過語音識別模塊識別主人口令，控制智能護理機器人運動功能。

物聯(lián)網(wǎng)智能化家居迅速發(fā)展，多功能智能護理機器人是一種利用自動控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，對于傳統(tǒng)機器人進行改造發(fā)展而來的新型智能家居生活家電用品。作為一款智能化的機器人，它不僅能夠處理垃圾更加方便，而且附加的功能能夠節(jié)省生活空間，滿足人們多方面的需求。

本作品以 STM32F103RCT6 為主控核心，該作品系統(tǒng)的組成包括：STM32 單片機開發(fā)板、GSM模塊、LD3320 語音識別模塊、串口播放模塊等電子器件，以及運動控制機械結(jié)構(gòu)、電源部分。智能護理機器人的工作機制：通過語音識別模塊識別主人口令，控制智能護理機器人運動功能[1-4]，歌曲播放功能，對話功能，以及燈的控制；智能防火結(jié)合 GSM與煙霧氣敏模塊，實現(xiàn)高程度的防火功能。在垃圾處理方面，作品具有一定程度的自動化功能。該作品具有創(chuàng)新性好、能耗性低、使用度高、功能性強等優(yōu)點。采用四個電機驅(qū)動，大膽創(chuàng)新，構(gòu)建與機械驅(qū)動結(jié)合的基本架構(gòu)，實現(xiàn)自由運動。

2 系統(tǒng)的設(shè)計

智能護理機器人包括“兩個大系統(tǒng)，五個小系統(tǒng)”,其中兩個大系是以 STM32 為核心構(gòu)建的系統(tǒng)。五個小系統(tǒng)為檢測系統(tǒng)，通信系統(tǒng)，信息輸出系統(tǒng)，電源系統(tǒng)，運動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖 1。系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程見圖 2。

2.1 語言識別功能

語音識別是一門交叉學(xué)科，也被稱為自動語音識別，其目的是將人類的語音中的詞匯內(nèi)容轉(zhuǎn)換為計算機可讀的輸入，例如按鍵、二進制編碼或者字符序列。與說話人識別及說話人確認不同，語音識別嘗試識別或確認發(fā)出語音的說話人而非其中所包含的詞匯內(nèi)容。語音識別技術(shù)的應(yīng)用包括語音撥號、語音導(dǎo)航、室內(nèi)設(shè)備控制、語音文檔檢索、簡單的聽寫數(shù)據(jù)錄入等。語音識別技術(shù)與其他自然語言處理技術(shù)如機器翻譯及語音合成技術(shù)相結(jié)合，可以構(gòu)建出更加復(fù)雜的應(yīng)用，例如語音到語音的翻譯。語音識別技術(shù)所涉及的領(lǐng)域包括信號處理、模式識別、概率論和信息論、發(fā)聲機理和聽覺機理、人工智能等等。很多專家都認為語音識別技術(shù)是 2000 年至 2010 年間信息技術(shù)領(lǐng)域十大重要的科技發(fā)展技術(shù)之一。

智能護理機器人采用 LD3320 語音識別模塊。主人可以向智能護理機器人下達口令，智能護理機器人中的 LD3320 語音模塊可以對口令進行處理，控制智能護理機器人的行跡。這樣可以擺脫以往的鍵盤和按鍵控制，使智能護理機器人更加智能化，形象化，方便主人投放垃圾。

LD3320 語音識別模塊的原理如圖 3 所示。

LD3320 語音識別芯片是 IC Route 公司的產(chǎn)品，它采用 ASR 技術(shù)，提供了一種脫離按鍵、鍵盤、鼠標、觸摸屏等 GUI 操作方式且基于語音的用戶界面 VUI。LD3320 語音識別模塊需要與 STM32 單片機實現(xiàn)通信，在這里，我們使用 SPI 的通信方式，連接 STM32 單片機的 SPI3 實現(xiàn)與 LD3320 模塊的通信。通過 SPI 的通信方式，能夠?qū)崿F(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸，占用較少的 IO 資源。

2.2 歌曲播放功能

隨著人們生活水平的提高，人們越來越重視自己的家庭娛樂。在科技水平高速發(fā)展的今天，電子播放產(chǎn)品豐富了人們的家庭日常生活。本文智能護理機器人采用外接串口播放模塊，外置 TF 卡單獨存儲歌曲，有存儲量大的特點。同時結(jié)合 LD3320 語音識別模塊，采用口令點播歌曲，擺脫以往的鍵盤和按鍵控制，讓點播歌曲更加方便。

我們采用的串口播放模塊支持較為廣泛的播放頻率。它具有 24 bit DAC 輸出，動態(tài)范圍支持 90 dB，信噪比支持 85 dB；完全支持 FAT16、FAT32 文件系統(tǒng)，最大支持 16 GB 的 TF 卡；具備串口控制模式；廣播語插播功能，可以暫停正在播放的背景音樂；音頻數(shù)據(jù)按文件夾排序，最多支持 255 個文件夾，每個文件夾可以分配 500 首歌曲；30級音量可調(diào)，5 級 EQ 可調(diào)；可以通過單片機串口進行控制播放指定的音樂；具備循環(huán)播放、單曲不循環(huán)、隨機等多種播放模式。

2.3 語音照明功能

聲控?zé)羰且环N聲控電子照明裝置，由音頻放大器、選頻電路、延時開啟電路和可控硅電路組成。它提供了一種操作簡便、靈活、抗干擾能力強，控制靈敏的聲控?zé)簦捎萌俗彀l(fā)出約 1 s 的控制信號“嘶”聲，即可方便及時地打開和關(guān)閉聲控照明裝置。聲控?zé)粢话銘?yīng)用于公共場合，在家庭生活方面，我們希望能夠?qū)崿F(xiàn)長時間的照明。我們仿照聲控?zé)舻脑恚诼暱氐幕A(chǔ)上進行改進創(chuàng)新，利用 LD3320 語音識別模塊，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械開關(guān)，通過口令“開”與“關(guān)”實現(xiàn)燈的開關(guān)。

本作品的照明系統(tǒng)，基于 LD3320 語音識別模塊、繼電器、LED 燈來實現(xiàn)。通過 LD3320 語音識別模塊來識別“開”與“關(guān)”口令，同時繼電器實現(xiàn)關(guān)與開，最終實現(xiàn) LED 燈的亮與滅。結(jié)合智能護理機器人與聲控?zé)粼碓O(shè)置的照明系統(tǒng)，不僅能夠節(jié)省家庭空間，而且主人開關(guān)燈更加方便。具體判斷流程見圖 4，單個繼電器模塊原理如圖 5。

對改進后的照明系統(tǒng)進行實驗，我們實現(xiàn)了照明系統(tǒng)的語音控制，照明效果取得了理想的效果。

2.4 人機對話功能

智能護理機器人的人機對話可以實現(xiàn)主人與智能護理機器人的對話，實現(xiàn)智能護理機器人的智能化，增加智能護理機器人的娛樂效果。

我們在歌曲播放功能的基礎(chǔ)上，通過播放錄制好的語音音頻，來實現(xiàn)簡單的人機對話。通過智能護理機器人的人機對話功能，能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的自己介紹。主人發(fā)布口令，智能護理機器人播放對應(yīng)口令的錄制語音。人機對話的機制與前面的歌曲播放功能的機制基本相同。

2.5 運動控制功能

智能護理機器人的運動控制通過四個電機來實現(xiàn)，通過 LD3320 模塊的語音識別，控制其前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)以及輪子的轉(zhuǎn)速。智能護理機器人的左右運動，我們采用差速的方式實現(xiàn)。當(dāng)實現(xiàn)右轉(zhuǎn)時，調(diào)節(jié)輸出的 PWM 的占空比，左輪速度大于右輪速度，實現(xiàn)右轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn)反之。

電機在直流 12 V 時最高空載轉(zhuǎn)速 4 800 轉(zhuǎn)/min，空載電流 180 mA，運轉(zhuǎn)時候外加阻力，電流升到 2 A 左右。電機有 8 個引腳，每個引腳對應(yīng)的定義為：紅色：電機驅(qū)動電源正極 DC 9～12 V；黑色：電源負極；黃色：剎車，短接電源負極剎車；白色：外接 PWM 信號調(diào)速，最低頻率 330 Hz，推薦 20～30 kHz；綠色：正反轉(zhuǎn)控制，低電平反轉(zhuǎn)；藍色：空腳；咖啡色:輸出方波信號，隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化；橙色：空腳。

2.6 防火功能

智能護理機器人通過結(jié)合 MQ-2 煙霧氣敏傳感器與 SIM900A 模塊，來構(gòu)建防火系統(tǒng)。當(dāng) MQ-2 煙霧氣敏模塊檢測到著火源產(chǎn)生的煙霧時，蜂鳴器拉響警報，同時通過 SIM900A 先向主人打一遍電話，然后發(fā)一遍短信，提醒主人家里發(fā)生火災(zāi)。這樣不僅能夠減少經(jīng)濟損失，而且還能夠及時對火災(zāi)做出處理，保證生命安全。

SIM900A 模塊（圖 6）板載 SIMCOM 公司的工業(yè)級雙頻 GSM/GPRS 模塊，工作頻段雙頻 900/1 800 MHz，可以低功耗實現(xiàn)語音、SMS（短信，彩信）、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。ATK-SIM900A所有的控制與數(shù)據(jù)，都是通過串口來傳輸?shù)模覀兺ㄟ^單片機的串口 3 與模塊實現(xiàn)通信。煙霧氣敏傳感器如圖 7。

利用打火機替代火源，進行防火效果檢測。對準MQ-2 煙霧氣敏模塊，打著打火機，持續(xù)幾秒，系統(tǒng)檢測到火源，警報拉響，主人手機收到了火災(zāi)發(fā)生的短信。

2.7 自動開蓋功能

智能護理機器人的自動開蓋控制通過舵機實現(xiàn)。系統(tǒng)通過人體感應(yīng)模塊（圖 8）感應(yīng)人體，來控制舵機，實現(xiàn)桶蓋的自動打開與關(guān)閉。當(dāng)系統(tǒng)感應(yīng)到人體時，舵機旋轉(zhuǎn)一定角度，打開桶蓋。當(dāng)系統(tǒng)檢測不到人體時，舵機復(fù)位，關(guān)閉桶蓋。

HC-SR501 是基于紅外線技術(shù)的自動控制模塊，采用德國原裝進口 LHI778 探頭設(shè)計，靈敏度高，可靠性強，超低電壓工作模式，廣泛應(yīng)用于各類自動感應(yīng)電器設(shè)備。同時，人體感應(yīng)模塊感應(yīng)人體的距離可以通過電位器調(diào)節(jié)。我們通過多次調(diào)節(jié)實驗，實現(xiàn)人體靠近智能護理機器人一米內(nèi)時自動打開桶蓋，減小誤檢的概率。

感應(yīng)模塊采用雙元探頭，探頭的窗口為長方形，雙元（A/B 元）位于較長方向的兩端，當(dāng)人體從左到右或從右到左走過時,紅外光譜到達雙元的時間、距離有差值，差值越大，感應(yīng)越靈敏，當(dāng)人體從正面走向探頭或從上到下或從下到上方向走過時，雙元檢測不到紅外光譜距離的變化，無差值，因此感應(yīng)不靈敏或不工作；所以安裝感應(yīng)器時應(yīng)使探頭雙元的方向與人體活動最多的方向盡量相平行，保證人體經(jīng)過時先后被探頭雙元所感應(yīng)。

本作品的桶蓋通過兩個舵機來控制，防止一個舵機產(chǎn)生的力不足支撐桶蓋。我們通過單片機產(chǎn)生的 PWM 控制舵機的轉(zhuǎn)角。在感應(yīng)到人體與感應(yīng)不到人體時，產(chǎn)生不同的 PWM 控制舵機旋轉(zhuǎn)，舵機不同的轉(zhuǎn)角對應(yīng)的 PWM 的占空比。

3 結(jié)語

在完成各個功能的拓展后，我們對作品進行了整體的系統(tǒng)機構(gòu)優(yōu)化，提高產(chǎn)品的兼容性，穩(wěn)定性，安全性，使其能夠穩(wěn)定高效安全的工作。相信我們的物聯(lián)網(wǎng)作品“智能護理機器人”將進入千家萬戶，為人們的生活起居服務(wù)。