基于语音识别及WIFI技术的残障人员机器人助手

罗成立+黄健+林天恩+刘文武

摘要：考虑到残疾人行动不便，设计了一个带多功能智能小车的机器人助手，同时系统涵盖语音控制终端。控制端采用语音识别技术并使用WIFI模块与小车相连接，小车部分通过各种传感器实现数据采集并于与语音控制端间实现无线通信。残疾人只需通过语音口令就可远程控制小车实现预设动作并实时监控整个家庭所有安全指标。

关键词：机器人；语音识别；语音合成；WIFI；残障人士

中图分类号：TP273+.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）05-0174-02

1 引言

全国各类残疾人总数超过8502万人[1]。残障人群作为社会的特殊群体，因为他们的生理原因导致他们无法完成他人眼中看似十分容易的事。如此庞大的人群，在生活中时常需要一些监护人，离开监护人他们哪怕开个电灯都不容易，这会给他们带来极大的挫折感。另一面随着科學技术的发展，智能家居已经慢慢渗入我们的生活中[2-4]。其中语音识别技术、WIFI技术和机器人等就广泛地被应用在各种智能家居系统中。这给我们一个提示，为何不为残障人士设计一款局限于家庭的机器人助手，代替他们实时检测观察房间内外情况。这些技术对于常人或许是为了炫耀，但给残障人员的生活带来很多便利，也多一些阳光。

考虑到成本，我们以智能小车来作为机器人主体，小车携带一个网络摄像头，如此用户可以借由小车实时监测全屋的每个角落。这个设计分为语音控制端和智能小车两部分。智能小车部分以STC12C5A60S2单片机作为控制核心，还包含了电源模块、WIFI无线传输模块、火焰模块、电机驱动模块、温度检测模块、云台舵机模块、网络摄像头以及远红外距离传感器等模块。语音控制端通过一个语音识别模块和一个语音合成模块搭建一个基于语音的人机交互平台，借此用户便可以通过语音远程控制智能小车，与此同时无线模块还会接收智能小车所发送的环境监测信息和视频监控画面，并通过显示模块显示出来。

2 系统语音控制端的设计

2.1 系统框图

本系统由智能小车和语音控制端两大部分组成，小车部分通过单片机采集来自火焰传感器、温度传感器、摄像头拍摄的数据传送到WIFI模块，再由WIFI模块将数据发送给语音控制端并接收来自语音控制端的指令。

2.2 手持语音控制端硬件电路的设计

系统是由STC12C5A60S2单片机、ESP8266WIFI模块、LCD12864显示模块、SYN6288语音合成模块和LD3320语音识别模块组成。

需将ESP8266模块的TXD和RXD交叉接入到STC12C5A60S2单片机上的TXD和RXD上。LCD12864采用并口的连接方式。将语音合成模块LD3320和语音识别模块SYN6288接上电源、共地，把语音识别模块的TXD端口和语音合成模块的RXD端口接到主控单片机上。在语音识别模块的MIC口接了一个麦克风，在语音合成模块的SPK口接了一个喇叭。

系统中选用的语音识别芯片LD3320为ICRoute公司所生产，是一款高集成的芯片，识别成功率高达95%。同时其片内包含AD/DA转换器、麦克风接口、声音输出接口等[5]。搭配上我们所选的SYN6288语音合成芯片，即可打造一个基于听觉的智能化人机交互界面。

2.3 手持语音控制端软件设计

整个软件主要包括四部分，LCD显示部分，语音合成部分，语音识别部分和WIFI数据传输部分。其中LCD显示部分和语音合成部分较为简单，不做累述。

主程序控制着整个系统的运行。系统开启后进入初始化，小车部分的WIFI和控制器部分的WIFI进行配对。配对成功后控制器部分等待语音信号，收到语音信号后语音识别模块对语音信号进行处理，把处理后的数据发送给主控单片机，主控单片机会将语音数据发送给无线模块、语音识别模块和显示模块。由无线模块把数据发送给小车部分，语音识别模块进行语音合成，显示模块进行显示。WIFI模块接收到小车部分发送的数据后，会将数据发送给主控单片机，然后单片机会发送给显示模块，由显示模块显示传感器采集到的温度和火焰情况的信息。

使用语音识别模块前，要先对芯片进行复位，然后对关键词和识别码进行定义。根据智能小车的功能设定对应的识别列表，每个命令对应一个单字节的编号，不同的命令的编号可以相同，不连续。在主函数里面找到处理函数，并按需要进行修改。处理函数的作用是让芯片根据识别到的内容，对内容进行处理。当模块识别到命令并处理完成后，就会把处理后的数据发送给主控单片机，由主控单片机进行调用。

3 智能小车部分设计

智能小车在本设计中的作用相当于残障人士的机器人助手，其意义在于能够代替主人在家中巡逻。因此除了一般智能小车所该具备的行动能力及避障能力外，还需携带网络摄像头，为了360度无死角监控，我们在智能小车上配备了云台舵机；此外还需配备足够的传感器（火焰传感器、温湿度传感器及烟雾传感器等）。

3.1 智能小车硬件设计电路

主控芯片采用STC12C5A60S2，其具有两路PWM非常适合对智能小车进行调速，电机驱动芯片采用L298N。小车的避障、避坑模块分别采用一个红外接近开关去检测前方是否有障碍物或者有坑，通过处理器读取传感器返回的值去判断。在云台摄像头设计中，搭载摄像头的云台采用舵机去搭建，舵机通过单片机定时器控制PWM区控制舵机转动的角度。小车驱动电源由串联在电路板上的两节18650锂电池提供，再经过7805型号的稳压片将电压降为5V电压后连接到单片机，最后再经AMS1117-3.3型号的芯片稳压后将为3.3V电压再连接到WIFI模块。

无线传输模块采用ESP8266 WIFI模块，主要通过AT指令配置模块，配置好后与单片机串口连接。远红外火焰传感器，利用红外线接受管来检测火焰，再通过中央处理器及LM393比较器数据对比后输出数字量，火焰传感器的灵敏度可通过调节电位器改变电阻用来改变。与此同时还有DHT11温湿度模块，MQ2烟雾传感器，光照度传感器等。endprint

3.2 智能小车软件设计

智能小车软件的优化情况就直接决定了该产品的可用性和实用性，也影响了响应速度等关键性指标。系统初始化完成后，WIFI模块就会进行自动连接，连接成功后，通过WIFI模块小车将接收语音控制端发过来的指令，且小车部分向语音控制端发送各个模块所采集到的数据。

驱动程序设计是通过单片机I/O接驱动模块的输入端，通过输入端去控制输出端。PWM初始化后进入等待指令，判断小车运动状态是否改变，若不变保持原有指令，若改变执行新的运动指令，直至收到停止指令。避障、避坑程序设计是两路红外接近开关接I/O口，通过扫描I/O口的电平变化去判断是否有障碍物或者有坑，假如电平没有变化返回重新判断，若电平变化小车启动左转程序。舵机通過单片机定时器控制PWM区控制舵机转动的角度。

WIFI模块软件编写与语音控制部分类似，火焰传感器通过硬件电路的设计，将火焰传感器结合LM393比较器，将火焰模拟信号直接数字量输出，可调节电位器调节火焰传感器的灵敏度，当有火焰时，指示灯亮起，并且向单片机I/O口反馈一个低电平，当单片机扫描到I/O口低电平状态时说明有火焰。其余传感器的控制原理类似，不做累述。

4 结语

本文设计了一个基于语音识别及WIFI技术的残障人员机器人助手。借由WIFI通信，残障人员通过语音口令便可远程控制机器人助手--智能小车，巡逻家里的每个死角，实时观看视频信号以及各类传感器收集到屋内安全信息。本设计操作简单便捷，让一些行动不方便的残障人员无需过多培训下便可自如使用。与一般机器人助手相比，本产品的价格较为低廉，便于推广到许多家庭较为贫困的残疾人家庭。

参考文献

[1]中国残疾人联合会. 关于使用2010年末全国残疾人总数及各类、不同残疾等级人数的通知[EB].

[2] 张仁永，陈敬穆，邹春宇，等.基于HOLTEK单片机的智能家居控制系统设计[J].数字技术与应用，2016（12）：14-14.

[3]彭保基.基于ZigBee和ARM的智能住宅系统[J].数字技术与应用，2016（7）：30-30.

[4]罗成立，张洁，赖增桂.基于语音识别及蓝牙的“无纠缠”家居系统[J].福建电脑，2016，32（3）：30-31.

[5]ICRoute.I D332X开发手册[EB/OL].[2010-03-10] .endprint