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        基于QQ物聯(lián)的語音服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)

        2017-06-23 22:00:07劉旋應(yīng)忠翔喬啟鳴莫園生胡洪波
        物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2017年6期
        關(guān)鍵詞:物聯(lián)網(wǎng)語音

        劉旋+應(yīng)忠翔+喬啟鳴+莫園生+胡洪波

        摘 要:語音服務(wù)機(jī)器人由微型控制器和機(jī)器人機(jī)械框架組成,通過QQ物聯(lián)平臺(tái)與QQ進(jìn)行社交關(guān)聯(lián),可與好友進(jìn)行視頻通話、語音聊天等,還可在QQ平臺(tái)上進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。使用語音識(shí)別芯片與技術(shù)來讀取人的語音信息,控制機(jī)器人進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作。機(jī)器人具有環(huán)境監(jiān)控功能,通過溫濕度、光照等傳感器來監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境,如有異常則可語音提示主人。

        關(guān)鍵詞:服務(wù)機(jī)器人;語音;QQ物聯(lián);物聯(lián)網(wǎng)

        中圖分類號(hào):TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):2095-1302(2017)06-0-04

        0 引 言

        2012年4月,中國科技部正式印發(fā)了《服務(wù)機(jī)器人科技發(fā)展“十三五”專項(xiàng)規(guī)劃》[1],中國產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng)發(fā)布的2015-2020年中國服務(wù)機(jī)器人市場深度調(diào)查分析及發(fā)展趨勢研究報(bào)告認(rèn)為,縱觀國內(nèi)外服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展,預(yù)測服務(wù)機(jī)器人在我國具有廣闊的市場空間。隨著城市化進(jìn)程加速、人口老齡化和人口素質(zhì)的提高,服務(wù)機(jī)器人的商業(yè)應(yīng)用將會(huì)加速發(fā)展。

        語言是人們傳遞信息的重要方法,隨著人工智能的發(fā)展,社會(huì)對(duì)智能化的要求越來越高,智能機(jī)器人的應(yīng)用范圍越來越廣,通過語音來控制機(jī)器人可以大幅提高工作效率。2014年10月,“QQ物聯(lián)智能硬件開放平臺(tái)”發(fā)布,開發(fā)者可以充分利用和發(fā)揮騰訊QQ的億萬手機(jī)客戶端及云服務(wù)的優(yōu)勢。結(jié)合目前機(jī)器人發(fā)展的方向,本文提出了基于QQ物聯(lián)的智能語音服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

        1 系統(tǒng)功能分析與總體設(shè)計(jì)

        1.1 系統(tǒng)功能分析

        基于QQ物聯(lián)的語音服務(wù)機(jī)器人針對(duì)家庭生活場景主要實(shí)現(xiàn)以下功能:

        (1)QQ物聯(lián):將QQ賬號(hào)體系及關(guān)系鏈、QQ消息通道能力等核心能力與機(jī)器人合作,實(shí)現(xiàn)用戶與機(jī)器人之間的互聯(lián)互通互動(dòng),充分利用和發(fā)揮騰訊QQ億萬手機(jī)客戶端及云服務(wù)的優(yōu)勢;

        (2)無線充電:機(jī)器人自動(dòng)檢測自身電量,當(dāng)電量低于預(yù)設(shè)值時(shí),采用無線充電方式充電;

        (3)消息處理:自動(dòng)連接手機(jī)藍(lán)牙,語音處理電話等消息。

        (4)環(huán)境監(jiān)控:機(jī)器人自動(dòng)檢測房間溫度、濕度、光照強(qiáng)度等,當(dāng)環(huán)境參數(shù)不在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)時(shí),進(jìn)行語音提醒[1];

        (5)智能安防:當(dāng)檢測到用戶離開房間后,自動(dòng)切換到安防模式,用戶可通過攝像頭查看室內(nèi)狀況,出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)自動(dòng)聯(lián)系用戶;

        (6)語音交互:可與用戶實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)交互[2];

        (7)娛樂放松:用戶可通過語音交互播放音樂或簡單笑話等。

        1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

        根據(jù)系統(tǒng)功能要求,設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)包括主控制器模塊和外圍功能模塊,外圍部分包括環(huán)境監(jiān)測模塊,攝像頭模塊,語音識(shí)別模塊,無線充電模塊,通訊模塊,移動(dòng)設(shè)防系統(tǒng),視頻與音頻處理模塊和小車模塊。環(huán)境監(jiān)測部分主要通過一些傳感器檢查環(huán)境參數(shù),并不斷返回控制器,控制器可針對(duì)這些數(shù)據(jù)做出綜合調(diào)節(jié)。攝像頭模塊負(fù)責(zé)視頻通話與安防。語音識(shí)別模塊可識(shí)別出人們的一些語言信息,通過識(shí)別這些信息來判斷人們的指令,從而更好、更人性化的為人們服務(wù)。無線充電模塊主要維持機(jī)器人和小車的正常用電與供電,保證小車和機(jī)器人正常工作。通訊模塊的主要功能包括語音外放,語音對(duì)講,語音提醒等。無人在家時(shí),如有特殊情況發(fā)生移動(dòng)設(shè)防系統(tǒng)可自動(dòng)向主人發(fā)送信息。

        2 硬件模塊選型與設(shè)計(jì)

        2.1 主控制器

        本系統(tǒng)的主控制器選用ST公司生產(chǎn)的STM32F103系列芯片。該芯片基于ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核,工作頻率最高可達(dá)72 MHz,且內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(64 KB的閃存和20 KB的SRAM),豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。STM32系列提供了全新的32位產(chǎn)品選項(xiàng),結(jié)合高性能、實(shí)時(shí)、低功耗、低電壓等特性,保持高集成度和易開發(fā)的優(yōu)勢,將32位MCU的性能和功效引向一個(gè)新的級(jí)別[3]。

        2.2 QQ物聯(lián)模塊

        QQ物聯(lián)通過QQ賬號(hào)體系及相關(guān)的關(guān)系鏈來實(shí)現(xiàn)用戶與設(shè)備之間的相互連通,充分發(fā)揮QQ手機(jī)客戶端和云服務(wù)的優(yōu)勢[4]。本設(shè)計(jì)采用了QQ物聯(lián)攝像頭模塊,可通過QQ與攝像頭進(jìn)行交互。具有如下功能:

        (1)遠(yuǎn)程監(jiān)控:直接打開手機(jī)QQ便可隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程查看攝像頭內(nèi)的視頻。

        (2)支持分享設(shè)備:將自己錄制好的精彩視頻或照片分享至QQ好友,實(shí)現(xiàn)與好友的互動(dòng)。

        (3)移動(dòng)偵測報(bào)警:家中無人時(shí)啟動(dòng)設(shè)防功能。如果視頻監(jiān)控畫面中出現(xiàn)了移動(dòng)物體或人體時(shí),將會(huì)截圖發(fā)送至手機(jī),同時(shí)也會(huì)將截圖自動(dòng)保存在TF卡上。

        (4)語音對(duì)講:利用QQ實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)語音對(duì)講,使得好友之間的關(guān)系更加親密。

        2.3 藍(lán)牙音響模塊

        藍(lán)牙技術(shù)是一種短距離通信技術(shù),頻率為全球共有頻段2.4 GHz[5],可使不同的設(shè)備無縫共享資源。它采用短距離無線連接,無需專用電纜,使移動(dòng)用戶不僅擺脫了線纜的束縛,還易于在室內(nèi)或室外流動(dòng)操作。

        2.4 語音識(shí)別模塊

        本系統(tǒng)采用ICRoute公司生產(chǎn)的LD3320語音控制芯片來實(shí)現(xiàn)簡單的語音識(shí)別[6]。LD3320的電路原理圖如圖2所示。

        2.5 無線充電模塊

        本系統(tǒng)采用原理為電磁感應(yīng)的無線充電模塊[7],使機(jī)器人在自身電量不足時(shí)能夠進(jìn)行無線充電,簡化充電過程。

        2.6 語音輸出模塊

        本系統(tǒng)使用LMD102語音模塊。該模塊價(jià)格低廉,穩(wěn)定可靠,支持多路語音,還可通過單片機(jī)串口控制。電路原理圖如圖3所示。

        2.7 環(huán)境傳感器模塊

        環(huán)境參數(shù)主要為測量溫度,濕度和光照等信息。本設(shè)計(jì)為了能夠更加準(zhǔn)確地采集光照及溫濕度信息,使用BH1750傳感器來獲取光照強(qiáng)度[8],利用DHT11采集溫濕度。

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

        3.1 系統(tǒng)初始化

        系統(tǒng)初始化主要完成堆棧、定時(shí)器、串口等的設(shè)置。然后根據(jù)需求調(diào)用相應(yīng)的功能,如獲取環(huán)境參數(shù)等。語音芯片識(shí)別這些語句后,經(jīng)各模塊獲取相應(yīng)內(nèi)容,再通過語音反饋給用戶。本系統(tǒng)還聯(lián)合QQ物聯(lián),通過QQ控制攝像頭,實(shí)現(xiàn)視頻通話與語音對(duì)講。軟件流程如圖4所示。

        3.2 LD3320語音程序設(shè)計(jì)

        語音識(shí)別軟件流程圖如圖5所示。首先對(duì)該模塊進(jìn)行初始化,對(duì)語音編碼進(jìn)行預(yù)處理,然后提取相應(yīng)的特征,進(jìn)行矢量的量化,最后針對(duì)語音的輸入匹配特征,輸出對(duì)應(yīng)的語音結(jié)果。在程序設(shè)計(jì)中,通過改善算法[9]提高了識(shí)別準(zhǔn)確率。

        3.3 環(huán)境監(jiān)測程序設(shè)計(jì)

        首先光照傳感器需要對(duì)解析度和透光率進(jìn)行設(shè)置。解析度一般設(shè)置為2,傳感器返回的值為實(shí)際值乘以透光率。所以在代碼中需要經(jīng)過初始化,經(jīng)光亮度讀取和實(shí)際亮度計(jì)算得出準(zhǔn)確的光照值。光照傳感器程序流程圖如圖6所示。

        溫濕度傳感器DHT11包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件,只有4個(gè)引腳,控制其時(shí)鐘序列滿足要求后,即可取出數(shù)據(jù),DHT11對(duì)時(shí)鐘的要求非常嚴(yán)格。數(shù)據(jù)格式為:8 b濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 b濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 b溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 b溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 b校驗(yàn)和[10]。圖7所示為DHT11的程序流程圖。

        3.4 語音播放程序設(shè)計(jì)

        語音錄制播放模塊LMD102可以錄制多路聲音。由于此模塊具有USB接口功能,可以直接在特定軟件下合成聲音,無需人工錄制聲音,可以大大減輕工作量。本系統(tǒng)采用串口發(fā)送的方法將信息發(fā)送給芯片,由于每段語音都有特定的ID號(hào),因此只需發(fā)送對(duì)應(yīng)的ID號(hào)即可播放對(duì)應(yīng)的語音。發(fā)送格式為:引導(dǎo)碼+段號(hào)+結(jié)束碼。LMD102程序流程圖如圖8所示。

        3.5 系統(tǒng)測試

        服務(wù)機(jī)器人機(jī)械框架采用3D打印模式,設(shè)計(jì)實(shí)物如圖9所示。

        系統(tǒng)采取分模塊測試方法:

        (1)攝像頭及語音功能、移動(dòng)設(shè)防功能測試。當(dāng)有物體在攝像頭面前移動(dòng)時(shí),會(huì)有QQ提醒消息,移動(dòng)設(shè)防功能正常。

        (2)藍(lán)牙音箱功能測試。打開手機(jī)藍(lán)牙連接至藍(lán)牙音箱,此時(shí)會(huì)有語音提示,藍(lán)牙連接。打開手機(jī)音樂,發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙音箱能夠播放手機(jī)音樂,該藍(lán)牙音箱測試正常。

        (3)環(huán)境參數(shù)測量。為了能夠直觀顯示測試結(jié)果,將測試結(jié)果輸出至屏幕。

        (4)語音播放模塊測試。通過外部調(diào)節(jié)使環(huán)境的溫濕度、光照發(fā)生變化,此時(shí)服務(wù)機(jī)器人會(huì)發(fā)出語音環(huán)境異常信息的提示。

        對(duì)各模塊進(jìn)行綜合測試,發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)工作正常。

        4 結(jié) 語

        本文完成了針對(duì)家庭生活的基于QQ物聯(lián)的服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):

        (1)自動(dòng)無線充電:解決機(jī)器人手動(dòng)充電的問題,方便機(jī)器人長時(shí)間工作;

        (2)應(yīng)用范圍廣:本項(xiàng)目可適用于老人、孩子和上班族,適用人群廣泛,通過QQ物聯(lián)接入,擴(kuò)大用戶人群;

        (3)功能完善、穩(wěn)定:本作品加入了語音、攝像頭圖像處理、分布式信息管理、WiFi等功能模塊,使機(jī)器人擁有較為完備的功能。同時(shí)通過改進(jìn)相關(guān)算法,極大地提高了機(jī)器人針對(duì)不同場景做出的反應(yīng)速度。

        本設(shè)計(jì)可廣泛應(yīng)用于家庭和辦公室等一些私人場所。如果將本設(shè)計(jì)繼續(xù)優(yōu)化,功能將更加完善,其適用范圍也將更加廣闊。

        參考文獻(xiàn)

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