劉子洋，劉忠富，趙宏宇，劉冠初，郭 馨，吳 怡

(大連民族大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，遼寧 大連 116600)

0 引言

在當今的社會老齡化發(fā)展趨勢日益嚴重的大背景下，由于生理退化以及各種疾病的侵蝕使得不在少數(shù)的老年人不能夠獨立的生活，所以需要專人來進行陪護并照顧他們的生活起居，在耗費家人巨大精力的同時也給家庭帶來沉重的心理負擔及經(jīng)濟負擔。因此通過語音及手勢的無線控制系統(tǒng)，使這一類人群對家居環(huán)境進行更好更方便的控制，由此可以看出物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及通信技術(shù)的發(fā)展對人們未來生活的智能化和便利化都具有重要的意義，且具有一定的研究價值。

近些年以來，國內(nèi)外學(xué)者針對助老助殘進行了深入化的研究，姚玉峰基于單片機控制技術(shù)及無線通信技術(shù)對作業(yè)型助老助殘機器人進行了研究[1]，該系統(tǒng)通過采用模塊化的控制結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)人機一體化半自動的控制系統(tǒng)。郭鑫也基于CAN總線及以太網(wǎng)設(shè)計了分布式控制的助老助殘機械臂控制系統(tǒng)[2]。

本文基于STC89C52RC單片機作為核心處理芯片，并采用NRF24L01無線發(fā)射及接收數(shù)據(jù)，同時應(yīng)用LD3320及無線體感控制器進行數(shù)據(jù)采集，設(shè)計了基于語音及手勢控制的助老助殘系統(tǒng)，從而幫助一部分生理功能退化的老年人實現(xiàn)對生活環(huán)境進行智能化控制，減輕了家庭的負擔及社會負擔，并提高了這一人群的生活質(zhì)量。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

本系統(tǒng)通過使用LD3320及無線體感控制器進行數(shù)據(jù)的采集，STC89C52RC單片機為核心處理器進行數(shù)據(jù)處理，并采用NRF24L01進行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，無線傳輸模塊在接收數(shù)據(jù)后，控制終端對數(shù)據(jù)進行識別及處理，從而對履帶車機械手行進方向動作以及家居環(huán)境中電器進行控制。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)主要由三部分組成，信息采集模塊主要有LD3320語音識別模塊以及手勢體感控制器。發(fā)射和接收端主要有以NRF24L01為主控芯片的無線傳輸模塊。履帶車機械臂及家居控制系統(tǒng)均以51單片機為主控芯片。系統(tǒng)整體方案圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案圖

2.1 單片機最小系統(tǒng)電路

本文中所設(shè)計的系統(tǒng)中的微處理器采用STC89C52RC,之所以選用這種芯片是因為其構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單可靠，只要在其芯片上接時鐘電路以及復(fù)位電路，最小系統(tǒng)便可以進行工作。其時鐘頻率選用12 MHz。本系統(tǒng)中主要使用單片機串口識別功能從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)進行控制。

2.2 語音識別及體感控制器電路設(shè)計

2.2.1 語音識別模塊電路

語音采集及識別采用STC11L08XE單片機為核心處理芯片搭載LD3320語音識別模塊進行對使用者語音進行采集并進行識別。本模塊采用特定人聲識別原理[3]，通過程序預(yù)先設(shè)置特定語句當模塊識別語音輸入時，將信息傳遞給主控單片機，主控單片機作出處理后將信息傳遞給無線發(fā)送模塊。使無線發(fā)射模塊進入工作狀態(tài)。LD3320語音識別模塊原理圖如圖2所示。

圖2 LD3320語音識別模塊原理圖

2.2.2 體感控制器硬件設(shè)計

體感控制器通過在核心控制板上搭載五個滑動變阻器用于感應(yīng)手指的運動狀態(tài)，當手指進行動作時滑動變阻器的阻值會發(fā)生變化從而產(chǎn)生電信號的變化進而使單片機檢測手指運動狀態(tài)。并且也搭載了傾角傳感器用于檢測整個手掌的運動狀態(tài)。

2.3 NR24L01無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

當?shù)讓觽鞲衅髯R別信息后將信號傳遞給NRF24L01使無線傳輸系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。NRF24L01是一種基于RFID無線傳輸?shù)母咝实臒o線通信芯片，其可以實現(xiàn)一對一或者是一對多通信，速度最高可以達到2M(bps)。NRF24L01應(yīng)用電路如圖3所示。圖中所示CE端為芯片選擇發(fā)送模式及接收模式的數(shù)據(jù)選擇端，并且本模塊采用SPI通信協(xié)議通過串口與主控芯片進行連接，程序?qū)ζ溥M行判斷后芯片選擇發(fā)送或者接收模式[4]。

2.4 履帶車及機械手控制系統(tǒng)

履帶車及機械手作為被控系統(tǒng)通過主控芯片將無線傳輸模塊的數(shù)據(jù)進行識別及處理后，實現(xiàn)履帶車前進，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)以及機械手抓取等功能。系統(tǒng)主要由以51單片機為核心處理器的單片機系統(tǒng)，無線接收系統(tǒng)，以及以L298D為控制器的二路電機控制系統(tǒng)。本模塊需要7.4 V電源分別對履帶車及機械手進行供電。

圖3 NRF24L01應(yīng)用電路圖

機械手以stm32單片機為核心控制板，通過PC端上位機進行調(diào)節(jié)設(shè)定特定動作組，由履帶車搭載行駛到要抓取物品的特定位置再通過語音及無線控制觸發(fā)動作組實現(xiàn)物品的抓取和放置。

2.5 家居控制系統(tǒng)

家居控制系統(tǒng)以STC89C52RC單片機最小系統(tǒng)進行控制，當語音及體感監(jiān)測端檢測到語音或者動作后，觸發(fā)無線模塊進行工作，在家居控制電路中將接收模塊的RXD,TXD端口分別接到STC89C52RC單片機的P3.1(TXD)和P3.0(RXD)從而實現(xiàn)兩個單片機之間的通信[5]，并且當主控芯片檢測到所接收到的信息迅速對家居環(huán)境進行控制，從而實現(xiàn)語音控制家居環(huán)境。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計部分均以C語言為基礎(chǔ)進行設(shè)計。整個系統(tǒng)的程序編寫著重于語音及手勢信息的識別和處理，同時也包括無線模塊控制程序的編寫。首先軟件單片機串口以及I/O口進行初始化，當單片機識別到傳感器所感應(yīng)到的語音信息或者手勢動作信息時其可通過串口對無線傳輸模塊進行控制，使其進入正常的工作狀態(tài)，從而對終端系統(tǒng)的工作進行控制。

3.1 底層信息采集程序設(shè)計

由圖4所示，在底層信息采集部分程序中，首先對系統(tǒng)進行初始化，而后檢測語音信息的輸入，當檢測到語音時進行語音信息處理，若檢測不到語音信息則直接跳入動作檢測語句，檢測到動作信息將對動作信息進行處理，若檢測不到動作信息進入檢測循環(huán)，直到檢測到信息并且觸發(fā)無線模塊工作。無線發(fā)射模塊發(fā)送信息后則重新對信息進行檢測，從而實現(xiàn)實時采集語音及手勢信息。

圖4 底層信息采集軟件設(shè)計

3.2 家居控制及履帶車機械手程序設(shè)計

本部分軟件系統(tǒng)設(shè)計流程圖如圖5所示，在底層信息采集信息并做出處理后通過無線發(fā)射模塊發(fā)送信息[6]。傳送到本部分的無線接收模塊，本部分程序中將接收到的信息通過串口傳送給家居控制芯片，履帶車控制芯片及機械手控制芯片。其分別對接收到的信息進行處理從而實現(xiàn)控制，程序中通過設(shè)定特定的字符為標志位對家居環(huán)境及履帶車機械手進行控制，并且整個程序不斷循環(huán)檢測無線模塊所接收到的信息，從而及時通過標志位作出判斷實現(xiàn)實時控制。

圖5 終端軟件設(shè)計流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

在調(diào)試過程中首先通過手體感控制器控制履帶車進行前進，后退等動作組實現(xiàn)。同時也利用語音對家居電器以及機械臂動作組進行控制。并且在調(diào)試進行中通過高精度測量儀器對履帶車機械臂以及家居電器核心控制板的輸出電壓進行測量。履帶車控制輸出電壓測量如表1所示。

表1 履帶車控制板電壓輸出測量表

履帶車通過L298D直流電機控制板進行控制測量均為其左右電機電壓輸出，所以可直接測量單片機I/O口輸出電壓。由以上格數(shù)據(jù)所示，電壓誤差均在可控制范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

本文中所設(shè)計的系統(tǒng)將STC89C52RC單片機，NRF24L01無線傳感模塊，以及LD3320語音識別模塊進行整合在一起設(shè)計出一套基于語音及手勢控制的智能助老助殘系統(tǒng)。本系統(tǒng)可以采集使用者所發(fā)出的語音及手勢并對其進行判斷后通過無線傳輸裝置對動作實現(xiàn)終端進行遠程控制。對于生理功能退化的老年人及殘疾人具有極大的便利性并且其性能可靠。具有較好的應(yīng)用價值。