黃曉運(yùn)，田學(xué)友，楊濤，汪語哲，冉春秋

（大連民族大學(xué)，遼寧大連116600）

1 引言

面對(duì)科技迅速發(fā)展的當(dāng)今社會(huì)，所謂的高科技還未真正解決那些弱勢(shì)群體的生活問題：空巢老人缺少子女的陪伴，日常生活需要有人照顧；盲人出行時(shí)需要靠外界傳遞導(dǎo)航信息等?？紤]到這些細(xì)節(jié)，我們由此引發(fā)了設(shè)計(jì)理念：設(shè)計(jì)一款多功能的服務(wù)型多足機(jī)器人，在那些弱勢(shì)人群需要幫助時(shí)及時(shí)做出相應(yīng)的救援措施，以及陪伴他們的日常生活，做他們的貼身小管家。此款機(jī)器人利用STM32單片機(jī)作為核心控制單元，結(jié)合多種傳感器以及舵機(jī)實(shí)現(xiàn)它的多功能工作狀態(tài)，在輕便小巧的外型下蘊(yùn)涵多種智能服務(wù)模式。服務(wù)型機(jī)器人可以根據(jù)人類的意愿來執(zhí)行任務(wù)

如今空巢老人的生活問題已經(jīng)非常嚴(yán)重，無人陪伴使得他們的安全極其令人擔(dān)憂。殘障人士的生活不便，也成為人人擔(dān)憂的社會(huì)問題。此款機(jī)器人不但可以成為老人們忠實(shí)的伙伴，還可以依照他們的需求，做一些諸如打掃衛(wèi)生、生活小提醒等服務(wù)，可以很好地滿足他們生活中的需求；還可以在他們遇到危險(xiǎn)時(shí)展開緊急救援；本設(shè)計(jì)安裝了紅外報(bào)警系統(tǒng)，保護(hù)了個(gè)人安全。同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)利用太陽(yáng)能電池板作為能源提供裝置，不僅可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，更能起到節(jié)約能源以及綠色環(huán)保的作用。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)方案分析

硬件方面采用STM32單片機(jī)作為控制器，芯片采用型號(hào)為STM32F103ZET6型芯片。通過伺服電機(jī)、光照度傳感器、語音模塊、煙霧傳感器等實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制，并且將需要的數(shù)據(jù)在TFT彩屏上顯示。程序設(shè)計(jì)開發(fā)使用常用的STM32系列開發(fā)軟件Keil5。使用2.8寸TFT彩屏顯示有效數(shù)據(jù)。整個(gè)軟件劃分為若干模塊，分別調(diào)試，最后集成。綜合考慮此方案可行。

2.2 設(shè)計(jì)不足及解決方法

傳統(tǒng)的8位51單片機(jī)沒有足夠的中斷，處理能力也相對(duì)較差，無法驅(qū)動(dòng)多個(gè)傳感器。為了達(dá)到設(shè)計(jì)需要，選擇了32位的STM32F103ZET6單片機(jī)[1]，但增加了開發(fā)成本。在此次設(shè)計(jì)制作中完全可以使用成本較低、性能較差的STM32F103C8T6型芯片，更為廉價(jià)的也可以。在為機(jī)器人提供動(dòng)力方面，我們綜合多個(gè)方面最終決定使用伺服電機(jī)，此電機(jī)價(jià)格昂貴，但我們經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)很適合機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，并便于拆裝。由于是購(gòu)買的開發(fā)板，很多外設(shè)并沒有實(shí)際作用，這在無形中就造成了浪費(fèi)，不利于推廣生產(chǎn)。在之后的設(shè)計(jì)制作中應(yīng)該注意這些問題，并且有效解決。

3 系統(tǒng)功能分析

3.1 主控芯片STM32F103ZET6介紹

開發(fā)板選擇的是STM32F103ZET6作為MCU，該芯片是STM32F1系列里配置最強(qiáng)大的。該芯片的配置也十分強(qiáng)悍，并且還帶外部總線（FSMC）可以用來外擴(kuò)SRAM和連接LCD等，通過FSMC驅(qū)動(dòng)LCD，可以顯著提高LCD的刷屏速度[2]。配置完全符合需求，可以實(shí)現(xiàn)多傳感器多中斷的綜合控制。

3.2 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)

使用20W的家用小型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，配合12V12AH的蓄電池，在正常情況下完全滿足供電需求。即使是在晚上或是陰雨天沒有光照的情況下，系統(tǒng)也能通過蓄電池供電正常運(yùn)轉(zhuǎn)12個(gè)小時(shí)以上[3]。這也是此設(shè)計(jì)制作的創(chuàng)新點(diǎn)之一，使整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了“0”碳排放，非常符合現(xiàn)在的節(jié)能減排需求。

3.3 語音控制模塊

該模塊主要由LD3320語音識(shí)別模塊和STM32最小系統(tǒng)構(gòu)成。LD3320芯片是一款“語音識(shí)別”專用芯片，本芯片在設(shè)計(jì)上注重節(jié)能與高效，不需要外接任何的輔助芯片如Flash、RAM等，直接集成在現(xiàn)有的產(chǎn)品中即可以實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別／聲控／人機(jī)對(duì)話功能。

3.4 人體紅外報(bào)警系統(tǒng)

自制紅外報(bào)警系統(tǒng)。使用人體紅外感應(yīng)傳感器HC-SR501檢測(cè)是否有人通過，人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平，人離開感應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平?？梢愿鶕?jù)需要調(diào)整檢測(cè)范圍的大小。連接蜂鳴器電路，如果有人從窗戶進(jìn)入會(huì)及時(shí)報(bào)警；當(dāng)人們單獨(dú)出行，在偏僻黑暗的地方也可以隨時(shí)警告周圍是否有可疑人物出現(xiàn)。

3.5 光照度傳感器

使用光照強(qiáng)度傳感器BH1750FVI檢測(cè)光照強(qiáng)度，通過觀察返回給顯示屏的數(shù)據(jù)，可以起到對(duì)人們的日常生活提供穿衣出行的提醒作用。比如設(shè)定當(dāng)照度值大于10000Lx時(shí)，光照過強(qiáng)，則語音模塊便會(huì)提示：不宜外出；當(dāng)照度小于5000Lx時(shí)，光照合適，機(jī)器人便會(huì)提醒人們適當(dāng)外出活動(dòng)[4]。因每個(gè)人的偏愛不同，通過程序可以修改響應(yīng)的數(shù)值來達(dá)到最適合自己的需求。

3.6 煙霧報(bào)警模塊

傳感器連接蜂鳴器和伺服電機(jī)，[5]當(dāng)測(cè)量濃度大于設(shè)定濃度時(shí)，單片機(jī)IO口輸出低電平，經(jīng)過電路放大以及經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換使蜂鳴器報(bào)警。通過蜂鳴器報(bào)警能叫醒深夜沉睡的人們，使他們及時(shí)地做出急救措施從而保障了生命安全。

3.7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

我們使用16路舵機(jī)控制模塊，來驅(qū)動(dòng)16個(gè)伺服電機(jī)。可通過上位機(jī)軟件控制驅(qū)動(dòng)板從而改變舵機(jī)的正反轉(zhuǎn)，也可調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3.8 紅外遙控模塊

通過紅外遙控器控制機(jī)器人的開關(guān)，執(zhí)行指令動(dòng)作，提高了系統(tǒng)的可操作性，也使得整個(gè)設(shè)計(jì)制作更加人性化。紅外遙控器的感應(yīng)范圍為10米左右，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程無線控制。

3.9 TFT彩屏顯示

使用常見的2.8寸有源矩陣類型液晶顯示器TFT-LCD(薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管LCD)作為顯示設(shè)備。顯示的物理量為室內(nèi)氣體濃度、光照強(qiáng)度、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的電量，給人一種直觀的感覺，盡可能為人們的生活提供照顧。

4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)可以自動(dòng)運(yùn)行也可以通過遙控器手動(dòng)控制，遙控器控制的優(yōu)先級(jí)大于自動(dòng)控制。具體實(shí)現(xiàn)過程在Keil5軟件中編寫C語言程序來實(shí)現(xiàn)。

多足機(jī)器人的設(shè)計(jì)既要滿足設(shè)定的功能（完成人機(jī)對(duì)話，執(zhí)行指令等）的程序，也要有對(duì)各個(gè)傳感器采集的外界數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的程序。其中，傳感器數(shù)據(jù)采集程序的主要作用是實(shí)時(shí)響應(yīng)來自外界環(huán)境的各種信息，按信息的類別，優(yōu)先級(jí)進(jìn)行處理。由于控制的傳感器較多，還需要相互的配合，在中斷嵌套的情況下程序運(yùn)行很容易出錯(cuò)，當(dāng)系統(tǒng)不正常工作時(shí)需要手動(dòng)復(fù)位來重啟整個(gè)程序。在程序編寫中遇到了很多的問題，經(jīng)過努力解決了一些，基本的功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但還是有很多問題沒有解決。

5 結(jié)論

智能窗的出現(xiàn)對(duì)提升人們的生活品質(zhì)有著非常重要的意義，傳統(tǒng)的家居正逐步被智能家居所取代。文章提出基于STM32單片機(jī)控制及傳感器綜合運(yùn)用的服務(wù)型機(jī)器人的設(shè)計(jì)制作方案,對(duì)智能窗控制系統(tǒng)的工作原理、硬件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)等進(jìn)行了詳細(xì)說明。主要特點(diǎn)在于功能實(shí)用、操作簡(jiǎn)單、易于安裝。針對(duì)人們的需要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。今后可在技術(shù)水平、可靠性和成本降低方面進(jìn)一步改進(jìn)和完善。