馬 杰，莊旭菲，呂玉偉

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學 信息工程學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080）

傳統(tǒng)的家居產(chǎn)品功能單一、自動化程度低等，無法滿足現(xiàn)代人對家居產(chǎn)品個性化和智能化的需要。因此，給傳統(tǒng)家居產(chǎn)品注入智能化新元素，在傳統(tǒng)的家居產(chǎn)品中設(shè)計融入網(wǎng)絡(luò)與智能技術(shù)成為一種發(fā)展趨勢。為了實現(xiàn)用戶使用一套設(shè)備在多個房間內(nèi)開展環(huán)境檢測任務(wù)，并能夠為用戶提出有效的預(yù)警，本文設(shè)計了一款以機器人為載體的智能家居環(huán)境檢測設(shè)備。智能家居環(huán)境檢測機器人具有移動和智能家居的共同特點，用戶可以通過語音命令接口操作設(shè)備[1]，通過遠程視頻監(jiān)控實時了解家庭環(huán)境狀況；同時，機器人對家庭煙霧環(huán)境進行重點監(jiān)測，在危險的情況下，會對用戶提出報警提示。

1 系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計家居環(huán)境檢測機器人的主要目的是在不需要人為搬動設(shè)備的情況下，用戶使用一套設(shè)備實現(xiàn)家庭中多個房間環(huán)境數(shù)據(jù)的檢測任務(wù)，家居環(huán)境檢測機器人的典型應(yīng)用場景如圖1所示。家居環(huán)境檢測機器人應(yīng)具有移動和環(huán)境檢測的特點，因此，為了提高機器人的交互性，加入了語音控制功能；為讓用戶遠程實時掌握家庭環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)，加入了網(wǎng)絡(luò)控制功能。

圖1 家居環(huán)境檢測機器人的應(yīng)用場景

1.1 硬件總體設(shè)計

家居環(huán)境檢測機器人的硬件設(shè)計中，采用了基于功能的模塊化設(shè)計方法，將其劃分為控制中心模塊、環(huán)境檢測模塊、移動避障模塊、語音命令識別模塊、顯示輸出模塊、存儲器模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊。

控制中心模塊采用基于ARM Cortex-A53內(nèi)核的樹莓派rasperry3B+，環(huán)境檢測模塊通過DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器采集室內(nèi)實時環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲到本地SQLite數(shù)據(jù)庫中，蜂鳴器實現(xiàn)警示預(yù)警功能。語音命令識別模塊采用UDA1341高品質(zhì)音頻解碼芯片，實現(xiàn)錄音、放音、線路輸入功能，LD3320非特定人語音交互識別模識別語音命令。移動避障模塊中紅外傳感器，舵機和履帶共同實現(xiàn)機器人道路檢測，規(guī)避前方障礙物的功能。顯示輸出模塊通過USB接口連接攝像頭采集室內(nèi)實時圖像，LCD液晶顯示屏展示數(shù)據(jù)采集結(jié)果和語音命令識別結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)接口通過家庭局域網(wǎng)與Internet相連。

1.2 軟件架構(gòu)設(shè)計

智能家居環(huán)境檢測機器人軟件運行在基于Linux的嵌入式系統(tǒng)之上，軟件架構(gòu)劃分為系統(tǒng)層和應(yīng)用層，其中，系統(tǒng)層包括U-BOOT、嵌入式Linux，yaffs文件系統(tǒng)；應(yīng)用層包括SQLite嵌入式數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用程序等各個功能模塊。

2 核心功能設(shè)計

2.1 移動避障功能

設(shè)計采用紅外線傳感器實現(xiàn)移動感知和避障功能。紅外線被發(fā)射出去后，若遇到避障物，會反射回信息，紅外線接收管對接收到的反射信號進行調(diào)制解調(diào)。紅外線被HS0038A2型紅外接收頭接收，經(jīng)過自動增益控制、帶通濾波器和解調(diào)電路等，在OUT處輸出調(diào)制信號，若為低電平，則引起中斷。遇障礙物時，利用中斷系統(tǒng)控制舵機，使機器人轉(zhuǎn)彎，實現(xiàn)機器人避障功能。

2.2 語音識別功能

本設(shè)計使用語音識別功能，實現(xiàn)用戶語音命令控制機器人操作取代手控操作的工作模式，設(shè)計了3個關(guān)鍵詞語“jian ce”“jian kong”“cha kan”及關(guān)鍵詞語對應(yīng)的程序調(diào)用語句，如表1所示。

表1 語音命令表

LD3320芯片檢測到用戶語音輸入一段文字后，送入芯片內(nèi)的語音識別器進行識別，識別與列表中相似度最高的作為其識別結(jié)果、若有識別結(jié)果，則向系統(tǒng)發(fā)出中斷申請，中斷會讀取出識別結(jié)果，調(diào)用已經(jīng)設(shè)計好的指令，使機器人完成開啟環(huán)境檢測功能、室內(nèi)巡航監(jiān)控、查看設(shè)備信息3項任務(wù)。

2.3 室內(nèi)環(huán)境檢測與預(yù)警功能

室內(nèi)環(huán)境檢測可以幫助用戶及時、全面地了解室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量，實現(xiàn)安防預(yù)警功能。測量溫度、濕度和可燃性氣體濃度3個數(shù)據(jù)。使用DHT11傳感器，含已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度傳感器；家庭環(huán)境中均會含有液化氣、煙霧、甲烷等可燃氣體；MQ-2型煙霧傳感器對天然氣、液化石油氣等煙霧有極高的靈敏度，尤其對烷類煙霧更為敏感，還具有良好的抗干擾能力，能準確排除有刺激性的非可燃性煙霧的干擾信息，預(yù)防火災(zāi)發(fā)生。室內(nèi)環(huán)境檢測與預(yù)警功能使用了煙霧預(yù)警算法。具體煙霧預(yù)警算法如表2所示。

表2 煙霧預(yù)警算法

3 結(jié)語

將語音命令識別技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、紅外移動避障技術(shù)、嵌入式Linux平臺結(jié)合起來，可以完成智能家居機器人對用戶的智能語音命令識別、多個環(huán)境數(shù)據(jù)采集任務(wù)，并滿足復(fù)雜的控制要求，實現(xiàn)遠程家居監(jiān)控預(yù)警。根據(jù)實驗測試結(jié)果，本文所述的智能家居環(huán)境檢測機器人完成了數(shù)據(jù)采集、安防預(yù)警等任務(wù)。