以 STM32F103RCT6 為主控核心，系統(tǒng)的組成包括：STM32 單片機開發(fā)板、GSM 模塊、LD3320 語音識別模塊、串口播放模塊等電子器件，以及運動控制的機械結(jié)構(gòu)和電源部分。智能護理機器人的工作機制是通過語音識別模塊識別主人口令，控制智能護理機器人運動功能。

物聯(lián)網(wǎng)智能化家居迅速發(fā)展，多功能智能護理機器人是一種利用自動控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，對于傳統(tǒng)機器人進行改造發(fā)展而來的新型智能家居生活家電用品。作為一款智能化的機器人，它不僅能夠處理垃圾更加方便，而且附加的功能能夠節(jié)省生活空間，滿足人們多方面的需求。

本作品以 STM32F103RCT6 為主控核心，該作品系統(tǒng)的組成包括：STM32 單片機開發(fā)板、GSM模塊、LD3320 語音識別模塊、串口播放模塊等電子器件，以及運動控制機械結(jié)構(gòu)、電源部分。智能護理機器人的工作機制：通過語音識別模塊識別主人口令，控制智能護理機器人運動功能[1-4]，歌曲播放功能，對話功能，以及燈的控制；智能防火結(jié)合 GSM與煙霧氣敏模塊，實現(xiàn)高程度的防火功能。在垃圾處理方面，作品具有一定程度的自動化功能。該作品具有創(chuàng)新性好、能耗性低、使用度高、功能性強等優(yōu)點。采用四個電機驅(qū)動，大膽創(chuàng)新，構(gòu)建與機械驅(qū)動結(jié)合的基本架構(gòu)，實現(xiàn)自由運動。

2 系統(tǒng)的設(shè)計

智能護理機器人包括“兩個大系統(tǒng)，五個小系統(tǒng)”,其中兩個大系是以 STM32 為核心構(gòu)建的系統(tǒng)。五個小系統(tǒng)為檢測系統(tǒng)，通信系統(tǒng)，信息輸出系統(tǒng)，電源系統(tǒng)，運動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖 1。系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程見圖 2。

2.1 語言識別功能

語音識別是一門交叉學科，也被稱為自動語音識別，其目的是將人類的語音中的詞匯內(nèi)容轉(zhuǎn)換為計算機可讀的輸入，例如按鍵、二進制編碼或者字符序列。與說話人識別及說話人確認不同，語音識別嘗試識別或確認發(fā)出語音的說話人而非其中所包含的詞匯內(nèi)容。語音識別技術(shù)的應用包括語音撥號、語音導航、室內(nèi)設(shè)備控制、語音文檔檢索、簡單的聽寫數(shù)據(jù)錄入等。語音識別技術(shù)與其他自然語言處理技術(shù)如機器翻譯及語音合成技術(shù)相結(jié)合，可以構(gòu)建出更加復雜的應用，例如語音到語音的翻譯。語音識別技術(shù)所涉及的領(lǐng)域包括信號處理、模式識別、概率論和信息論、發(fā)聲機理和聽覺機理、人工智能等等。很多專家都認為語音識別技術(shù)是 2000 年至 2010 年間信息技術(shù)領(lǐng)域十大重要的科技發(fā)展技術(shù)之一。

智能護理機器人采用 LD3320 語音識別模塊。主人可以向智能護理機器人下達口令，智能護理機器人中的 LD3320 語音模塊可以對口令進行處理，控制智能護理機器人的行跡。這樣可以擺脫以往的鍵盤和按鍵控制，使智能護理機器人更加智能化，形象化，方便主人投放垃圾。

LD3320 語音識別模塊的原理如圖 3 所示。

LD3320 語音識別芯片是 IC Route 公司的產(chǎn)品，它采用 ASR 技術(shù)，提供了一種脫離按鍵、鍵盤、鼠標、觸摸屏等 GUI 操作方式且基于語音的用戶界面 VUI。LD3320 語音識別模塊需要與 STM32 單片機實現(xiàn)通信，在這里，我們使用 SPI 的通信方式，連接 STM32 單片機的 SPI3 實現(xiàn)與 LD3320 模塊的通信。通過 SPI 的通信方式，能夠?qū)崿F(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸，占用較少的 IO 資源。

2.2 歌曲播放功能

隨著人們生活水平的提高，人們越來越重視自己的家庭娛樂。在科技水平高速發(fā)展的今天，電子播放產(chǎn)品豐富了人們的家庭日常生活。本文智能護理機器人采用外接串口播放模塊，外置 TF 卡單獨存儲歌曲，有存儲量大的特點。同時結(jié)合 LD3320 語音識別模塊，采用口令點播歌曲，擺脫以往的鍵盤和按鍵控制，讓點播歌曲更加方便。

我們采用的串口播放模塊支持較為廣泛的播放頻率。它具有 24 bit DAC 輸出，動態(tài)范圍支持 90 dB，信噪比支持 85 dB；完全支持 FAT16、FAT32 文件系統(tǒng)，最大支持 16 GB 的 TF 卡；具備串口控制模式；廣播語插播功能，可以暫停正在播放的背景音樂；音頻數(shù)據(jù)按文件夾排序，最多支持 255 個文件夾，每個文件夾可以分配 500 首歌曲；30級音量可調(diào)，5 級 EQ 可調(diào)；可以通過單片機串口進行控制播放指定的音樂；具備循環(huán)播放、單曲不循環(huán)、隨機等多種播放模式。

2.3 語音照明功能

聲控燈是一種聲控電子照明裝置，由音頻放大器、選頻電路、延時開啟電路和可控硅電路組成。它提供了一種操作簡便、靈活、抗干擾能力強，控制靈敏的聲控燈，它采用人嘴發(fā)出約 1 s 的控制信號“嘶”聲，即可方便及時地打開和關(guān)閉聲控照明裝置。聲控燈一般應用于公共場合，在家庭生活方面，我們希望能夠?qū)崿F(xiàn)長時間的照明。我們仿照聲控燈的原理，在聲控的基礎(chǔ)上進行改進創(chuàng)新，利用 LD3320 語音識別模塊，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械開關(guān)，通過口令“開”與“關(guān)”實現(xiàn)燈的開關(guān)。

本作品的照明系統(tǒng)，基于 LD3320 語音識別模塊、繼電器、LED 燈來實現(xiàn)。通過 LD3320 語音識別模塊來識別“開”與“關(guān)”口令，同時繼電器實現(xiàn)關(guān)與開，最終實現(xiàn) LED 燈的亮與滅。結(jié)合智能護理機器人與聲控燈原理設(shè)置的照明系統(tǒng)，不僅能夠節(jié)省家庭空間，而且主人開關(guān)燈更加方便。具體判斷流程見圖 4，單個繼電器模塊原理如圖 5。

對改進后的照明系統(tǒng)進行實驗，我們實現(xiàn)了照明系統(tǒng)的語音控制，照明效果取得了理想的效果。

2.4 人機對話功能

智能護理機器人的人機對話可以實現(xiàn)主人與智能護理機器人的對話，實現(xiàn)智能護理機器人的智能化，增加智能護理機器人的娛樂效果。

我們在歌曲播放功能的基礎(chǔ)上，通過播放錄制好的語音音頻，來實現(xiàn)簡單的人機對話。通過智能護理機器人的人機對話功能，能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的自己介紹。主人發(fā)布口令，智能護理機器人播放對應口令的錄制語音。人機對話的機制與前面的歌曲播放功能的機制基本相同。

2.5 運動控制功能

智能護理機器人的運動控制通過四個電機來實現(xiàn)，通過 LD3320 模塊的語音識別，控制其前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)以及輪子的轉(zhuǎn)速。智能護理機器人的左右運動，我們采用差速的方式實現(xiàn)。當實現(xiàn)右轉(zhuǎn)時，調(diào)節(jié)輸出的 PWM 的占空比，左輪速度大于右輪速度，實現(xiàn)右轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn)反之。

電機在直流 12 V 時最高空載轉(zhuǎn)速 4 800 轉(zhuǎn)/min，空載電流 180 mA，運轉(zhuǎn)時候外加阻力，電流升到 2 A 左右。電機有 8 個引腳，每個引腳對應的定義為：紅色：電機驅(qū)動電源正極 DC 9～12 V；黑色：電源負極；黃色：剎車，短接電源負極剎車；白色：外接 PWM 信號調(diào)速，最低頻率 330 Hz，推薦 20～30 kHz；綠色：正反轉(zhuǎn)控制，低電平反轉(zhuǎn)；藍色：空腳；咖啡色:輸出方波信號，隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化；橙色：空腳。

2.6 防火功能

智能護理機器人通過結(jié)合 MQ-2 煙霧氣敏傳感器與 SIM900A 模塊，來構(gòu)建防火系統(tǒng)。當 MQ-2 煙霧氣敏模塊檢測到著火源產(chǎn)生的煙霧時，蜂鳴器拉響警報，同時通過 SIM900A 先向主人打一遍電話，然后發(fā)一遍短信，提醒主人家里發(fā)生火災。這樣不僅能夠減少經(jīng)濟損失，而且還能夠及時對火災做出處理，保證生命安全。

SIM900A 模塊（圖 6）板載 SIMCOM 公司的工業(yè)級雙頻 GSM/GPRS 模塊，工作頻段雙頻 900/1 800 MHz，可以低功耗實現(xiàn)語音、SMS（短信，彩信）、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。ATK-SIM900A所有的控制與數(shù)據(jù)，都是通過串口來傳輸?shù)?，我們通過單片機的串口 3 與模塊實現(xiàn)通信。煙霧氣敏傳感器如圖 7。

利用打火機替代火源，進行防火效果檢測。對準MQ-2 煙霧氣敏模塊，打著打火機，持續(xù)幾秒，系統(tǒng)檢測到火源，警報拉響，主人手機收到了火災發(fā)生的短信。

2.7 自動開蓋功能

智能護理機器人的自動開蓋控制通過舵機實現(xiàn)。系統(tǒng)通過人體感應模塊（圖 8）感應人體，來控制舵機，實現(xiàn)桶蓋的自動打開與關(guān)閉。當系統(tǒng)感應到人體時，舵機旋轉(zhuǎn)一定角度，打開桶蓋。當系統(tǒng)檢測不到人體時，舵機復位，關(guān)閉桶蓋。

HC-SR501 是基于紅外線技術(shù)的自動控制模塊，采用德國原裝進口 LHI778 探頭設(shè)計，靈敏度高，可靠性強，超低電壓工作模式，廣泛應用于各類自動感應電器設(shè)備。同時，人體感應模塊感應人體的距離可以通過電位器調(diào)節(jié)。我們通過多次調(diào)節(jié)實驗，實現(xiàn)人體靠近智能護理機器人一米內(nèi)時自動打開桶蓋，減小誤檢的概率。

感應模塊采用雙元探頭，探頭的窗口為長方形，雙元（A/B 元）位于較長方向的兩端，當人體從左到右或從右到左走過時,紅外光譜到達雙元的時間、距離有差值，差值越大，感應越靈敏，當人體從正面走向探頭或從上到下或從下到上方向走過時，雙元檢測不到紅外光譜距離的變化，無差值，因此感應不靈敏或不工作；所以安裝感應器時應使探頭雙元的方向與人體活動最多的方向盡量相平行，保證人體經(jīng)過時先后被探頭雙元所感應。

本作品的桶蓋通過兩個舵機來控制，防止一個舵機產(chǎn)生的力不足支撐桶蓋。我們通過單片機產(chǎn)生的 PWM 控制舵機的轉(zhuǎn)角。在感應到人體與感應不到人體時，產(chǎn)生不同的 PWM 控制舵機旋轉(zhuǎn)，舵機不同的轉(zhuǎn)角對應的 PWM 的占空比。

3 結(jié)語

在完成各個功能的拓展后，我們對作品進行了整體的系統(tǒng)機構(gòu)優(yōu)化，提高產(chǎn)品的兼容性，穩(wěn)定性，安全性，使其能夠穩(wěn)定高效安全的工作。相信我們的物聯(lián)網(wǎng)作品“智能護理機器人”將進入千家萬戶，為人們的生活起居服務。