張?jiān)S如，任 龍，陳 蕊，潘 婧，徐逸凡，韓改寧

（咸陽(yáng)師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 721000）

0 引 言

目前，在各大企業(yè)的辦公室，久坐已經(jīng)成為越來(lái)越多人工作中的常態(tài)，但在久坐后常常會(huì)產(chǎn)生一系列疾病。據(jù)報(bào)道，《循環(huán)》（Circulation）[1]雜志的一項(xiàng)研究對(duì)8 800名成年人進(jìn)行了7年隨訪，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，和每天坐著看2小時(shí)電視的人相比，那些每天看電視時(shí)間超過(guò)4小時(shí)的人，死亡率高46%。還有研究發(fā)現(xiàn)，如果一個(gè)人一天中有超過(guò)一半的時(shí)間都在坐著，其患糖尿病和心血管等疾病的概率就會(huì)加倍。在大多數(shù)辦公室，針對(duì)久坐而配備的相關(guān)設(shè)施寥寥無(wú)幾，且設(shè)置按摩座椅器械的更是屈指可數(shù)。

現(xiàn)有的按摩座椅配備有按摩器、發(fā)熱器、藍(lán)牙等模塊。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單且大都具備一定的按摩功能，但其缺點(diǎn)在于價(jià)格高、體積大，對(duì)于較小的辦公環(huán)境使用不便和難以存放；且其功能體系不完善，人與座椅之間不能進(jìn)行實(shí)時(shí)的語(yǔ)音交互，使用者無(wú)法獲得更加快捷和舒適的體驗(yàn)[2]。

基于AI語(yǔ)音交互的智能座椅控制器是針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間工作的上班族設(shè)計(jì)的，該座椅安裝便捷且體積較小。當(dāng)使用者長(zhǎng)時(shí)間坐在座椅上保持一個(gè)動(dòng)作工作時(shí)，控制器會(huì)提醒使用者起身活動(dòng)或調(diào)整坐姿，通過(guò)語(yǔ)音交互的方式詢問(wèn)使用者需要的按摩模式并調(diào)節(jié)按摩力度，減少出現(xiàn)肩周炎、腰椎間盤突出等常見(jiàn)的肩部及腰部問(wèn)題，讓人們安心工作[3]。

1 智能座椅控制器的組成

基于AI語(yǔ)音控制的智能座椅控制器主要有四大核心功能模塊，分別是傳感模塊、定時(shí)模塊、電機(jī)控制模塊和AI語(yǔ)音模塊。傳感模塊和定時(shí)模塊結(jié)合其他輔助功能模塊，主要由單片機(jī)控制，當(dāng)使用者坐在座椅上，壓力傳感器接收到持續(xù)的壓力之后，通過(guò)控制器中的計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，每30 min蜂鳴器[4]發(fā)出一次警示，提醒用戶活動(dòng)身體；當(dāng)蜂鳴器提醒次數(shù)大于1次時(shí)，控制器自動(dòng)控制按摩器對(duì)用戶進(jìn)行一定時(shí)長(zhǎng)的按摩；連接WiFi后，用戶可以通過(guò)連續(xù)2次呼喚AI（小椅小椅）與語(yǔ)音系統(tǒng)互動(dòng)，選擇需要的服務(wù)；接收端主要在移動(dòng)設(shè)備（手機(jī)端）上實(shí)現(xiàn)，需在手機(jī)端開(kāi)發(fā)一款基于Android的APP程序。智能座椅和手機(jī)端通過(guò)WiFi連接后，用戶可以在手機(jī)端查看座椅使用時(shí)長(zhǎng)，也可以調(diào)節(jié)座椅的按摩力度。

1.1 座椅控制器

采用STM32F103ZET6單片機(jī)作為控制器，采用HX711傳感模塊測(cè)量外界壓力，LD3320作為AI語(yǔ)音模塊，電源作為供電模板，蜂鳴器和WiFi收發(fā)器作為輔助模塊，總體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

各模塊功能如下：

（1）傳感模塊：精準(zhǔn)感受用戶坐在座椅上時(shí)產(chǎn)生的壓力，將外界的壓力信息傳給單片機(jī)。

（2）定時(shí)模塊：記錄座椅的使用時(shí)長(zhǎng)。

（3）電機(jī)控制模塊：通過(guò)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及提速、降速實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的局部按摩。

（4）AI模塊：連接WiFi后，用戶通過(guò)“語(yǔ)音喚醒詞+命令詞”的方式與座椅進(jìn)行人機(jī)交互，選擇需要的服務(wù)。

（5）電源模塊：為座椅控制器提供電源。

（6）輔助模塊：當(dāng)定時(shí)器達(dá)到設(shè)定的使用時(shí)間后，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲，提醒用戶休息或運(yùn)動(dòng)；連接WiFi后，手機(jī)端APP也會(huì)接收到相關(guān)提醒信息。

1.2 AI語(yǔ)音模塊

AI語(yǔ)音模塊主要實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的輸入和輸出，實(shí)現(xiàn)輸入語(yǔ)音正確應(yīng)答并輸出相應(yīng)的語(yǔ)音信息。采用US516P6作為語(yǔ)音識(shí)別芯片，該芯片采用32位RSIC架構(gòu)內(nèi)核，支持100條本地指令離線識(shí)別，板載USB轉(zhuǎn)串口，支持一鍵下載升級(jí)語(yǔ)音識(shí)別內(nèi)容，支持語(yǔ)音識(shí)別內(nèi)容修改，支持智能元件在線語(yǔ)音模型開(kāi)發(fā)平臺(tái)?？膳c控制器連接發(fā)出控制命令，與蜂鳴器直接連接輸入、輸出語(yǔ)音合成信息。硬件組成如圖2所示。

圖2 AI語(yǔ)音模塊圖

軟件編程支持Scratch語(yǔ)言[5]，支持語(yǔ)音命令詞的設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 AI的Scratch編程操作流程

1.3 手機(jī)端部分

手機(jī)端部分利用手機(jī)的WiFi接收模塊等模型實(shí)現(xiàn)，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 手機(jī)端模塊功能流程

（1）手機(jī)WiFi接收模塊。與智能座椅的WiFi發(fā)送模塊無(wú)線連接，將用戶使用座椅的時(shí)長(zhǎng)發(fā)送給手機(jī)端。

（2）時(shí)間顯示。智能座椅中的計(jì)時(shí)器記錄座椅使用時(shí)長(zhǎng)，通過(guò)WiFi模塊發(fā)送到手機(jī)APP，用戶可以通過(guò)APP查看座椅使用時(shí)長(zhǎng)。

（3）選擇服務(wù)。用戶可以根據(jù)自身需求，通過(guò)開(kāi)發(fā)的手機(jī)APP選擇不同的服務(wù)（包括開(kāi)始按摩、關(guān)閉按摩、選擇按摩時(shí)長(zhǎng)和調(diào)整按摩力度等）。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

AI語(yǔ)音智能座椅的硬件系統(tǒng)主要包括傳感模塊、定時(shí)模塊、電機(jī)控制模塊、AI語(yǔ)音模塊、電源模塊和輔助模塊。硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 硬件系統(tǒng)組成

通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，考慮到價(jià)格和實(shí)際所需，在本次設(shè)計(jì)中的主要元器件型號(hào)如下：

（1）主控模塊：選用STM32F103ZET6單片機(jī)[6]。STM32由于功能強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以有兩種開(kāi)發(fā)方式可以選擇，一種是基于寄存器的開(kāi)發(fā)方式，一種是基于ST官方固件庫(kù)的庫(kù)函數(shù)開(kāi)發(fā)方式?；趲?kù)函數(shù)的開(kāi)發(fā)方式更容易，開(kāi)發(fā)的軟件可靠性、可維護(hù)性有較大提升，且32位單片機(jī)較其他單片機(jī)相比，有較高的性價(jià)比。將4款典型芯片列表比較，比較結(jié)果見(jiàn)表1所列[7]。

表1 典型單片機(jī)性能對(duì)比

（2）傳感模塊：選用HX711芯片[8]。HX711是一款專為高精度感壓而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。與同類型其他芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其他同類型芯片所需的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。降低了智能座椅的整體成本，提高了整體的性能和可靠性。測(cè)試仿真時(shí)，該芯片與STM32單片機(jī)的PA1口連接。

（3）電機(jī)控制模塊：為提高按摩舒適度，考慮到性價(jià)比等因素，采用四相六線電機(jī)進(jìn)行多部位按摩，按摩分為5個(gè)檔位供客戶選擇，并提供正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)按摩。采用12 V電動(dòng)馬達(dá)，DIY按摩靠墊，與小體積TB6612FNG電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制按摩模塊，電機(jī)通過(guò)ULN2003A放大芯片鏈接在STM32單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

（4）語(yǔ)音模塊：選用US516P6語(yǔ)音識(shí)別模塊。該智能語(yǔ)音識(shí)別模塊可離線識(shí)別，識(shí)別率達(dá)98%，具有一鍵燒錄功能，使用方便。與同類型其他語(yǔ)音模塊相比，識(shí)別率高，成本低，回報(bào)利潤(rùn)高。

（5）電源模塊：選用12 V可充電中順芯18650大容量鋰電池。該電池可反復(fù)充電，不僅可為座椅長(zhǎng)時(shí)間提供能源，還可以節(jié)約電力資源，保護(hù)環(huán)境。

（6）輔助模塊：蜂鳴器選用低電平觸發(fā)的無(wú)源蜂鳴器，WiFi收發(fā)器選用ESP8266 ESP-01，ESP8266系列無(wú)線模塊是安信可科技自主研發(fā)設(shè)計(jì)的一系列高性價(jià)比WiFi SoC模組，該系列模塊支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11b/g/n協(xié)議，可以構(gòu)建獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)控制器，功耗與成本較低。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行實(shí)物開(kāi)發(fā)前，選擇在Proteus8.10軟件中進(jìn)行原理設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。采用STM32單片機(jī)作為控制器。LM016L顯示屏代替LCD1602顯示屏等元器件，該控制器各功能模塊之間進(jìn)行連接的仿真如圖6所示。

圖6 電機(jī)仿真電路

由于設(shè)計(jì)需要，用于提醒用戶久坐的蜂鳴器進(jìn)行仿真測(cè)試時(shí)采用Buzzer（蜂鳴器），預(yù)設(shè)提醒時(shí)間縮短為2 min，便于觀察效果。久坐提醒功能通過(guò)STM32直接設(shè)置時(shí)鐘控制，通過(guò)程序宏定義直接修改，便于維護(hù)。久坐提醒模塊電路如圖7所示。

圖7 久坐提醒模塊電路

利用LCD監(jiān)控仿真執(zhí)行過(guò)程，觀察電機(jī)轉(zhuǎn)速，運(yùn)行時(shí)間，壓力模擬所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，顯示模塊電路如圖8所示。

圖8 顯示模塊

3 軟件設(shè)計(jì)模塊

該控制器的軟件設(shè)計(jì)包括傳感器檢測(cè)、電機(jī)控制、提醒、語(yǔ)音交互以及LCD顯示等功能設(shè)計(jì)。電機(jī)的速度控制通過(guò)設(shè)立的獨(dú)立按鈕完成，包括啟停、加減速和正方向控制，定義為Start_Key、Add_KEY、Sub_KEY、Dir_Switch、Dir_Flag，在Speed中設(shè)置5個(gè)等級(jí)的速度調(diào)節(jié)[9]，以滿足用戶的不同需求。語(yǔ)音交互通過(guò)Scratch進(jìn)行測(cè)試。

軟件工作流程如圖9所示。

圖9 軟件工作流程

4 測(cè)試及結(jié)果

在仿真測(cè)試中，將電機(jī)初始速度設(shè)置為1，定時(shí)時(shí)間設(shè)置為2 min，運(yùn)行過(guò)程中對(duì)各按鍵進(jìn)行測(cè)試、改變PA1相連的可變電阻，觀察壓力值是否可以隨著可變電阻的改變而改變，以及3個(gè)步進(jìn)電機(jī)是否可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，顯示器顯示2 min時(shí)蜂鳴器是否報(bào)警等。對(duì)語(yǔ)音模塊進(jìn)行語(yǔ)音測(cè)試[10]，分別說(shuō)出“小椅小椅”“開(kāi)始按摩”“關(guān)閉按摩”3種命令，判斷是否可以對(duì)應(yīng)3種命令分別回答出“我在”“按摩已開(kāi)啟”“按摩已關(guān)閉”3種回復(fù)。

語(yǔ)音測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖10 語(yǔ)音測(cè)試結(jié)果

通過(guò)仿真測(cè)試發(fā)現(xiàn)可變電阻可改變壓力值，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，3個(gè)步進(jìn)電機(jī)可正常轉(zhuǎn)動(dòng)、到達(dá)預(yù)設(shè)時(shí)間時(shí)蜂鳴器正常發(fā)出警報(bào)、語(yǔ)音系統(tǒng)準(zhǔn)確接收各種命令并做出正確回復(fù)。經(jīng)測(cè)試，電機(jī)仿真和語(yǔ)音系統(tǒng)均能滿足該研究所需的要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)的智能座椅控制器集AI語(yǔ)音交互、久坐提醒和按摩為一體，通過(guò)硬件、軟件相結(jié)合改變了傳統(tǒng)座椅功能性單一的弊端，有效加強(qiáng)了座椅的功能。該控制器安裝便捷且使用方便，可以為長(zhǎng)期伏案工作的人群提供健康保障；該控制器具備的功能彌補(bǔ)了當(dāng)下普通座椅的缺點(diǎn)和不足，座椅可定時(shí)按摩，且使用者和座椅可以進(jìn)行實(shí)時(shí)語(yǔ)音交互?，F(xiàn)該設(shè)計(jì)已成功申請(qǐng)了專利[11]，前景可觀。