集成電路 | 基于 STM32 的多功能智能護(hù)理機(jī)器人設(shè)計(jì)

以 STM32F103RCT6 為主控核心，系統(tǒng)的組成包括：STM32 單片機(jī)開發(fā)板、GSM 模塊、LD3320 語(yǔ)音識(shí)別模塊、串口播放模塊等電子器件，以及運(yùn)動(dòng)控制的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電源部分。智能護(hù)理機(jī)器人的工作機(jī)制是通過語(yǔ)音識(shí)別模塊識(shí)別主人口令，控制智能護(hù)理機(jī)器人運(yùn)動(dòng)功能。

物聯(lián)網(wǎng)智能化家居迅速發(fā)展，多功能智能護(hù)理機(jī)器人是一種利用自動(dòng)控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)器人進(jìn)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(jī)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(jī)開發(fā)板、GSM模塊、LD3320 語(yǔ)音識(shí)別模塊、串口播放模塊等電子器件，以及運(yùn)動(dòng)控制機(jī)械結(jié)構(gòu)、電源部分。智能護(hù)理機(jī)器人的工作機(jī)制：通過語(yǔ)音識(shí)別模塊識(shí)別主人口令，控制智能護(hù)理機(jī)器人運(yùn)動(dòng)功能[1-4]，歌曲播放功能，對(duì)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(shí)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(dòng)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。采用四個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，大膽創(chuàng)新，構(gòu)建與機(jī)械驅(qū)動(dòng)結(jié)合的基本架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)自由運(yùn)動(dòng)。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

智能護(hù)理機(jī)器人包括“兩個(gè)大系統(tǒng)，五個(gè)小系統(tǒng)”,其中兩個(gè)大系是以 STM32 為核心構(gòu)建的系統(tǒng)。五個(gè)小系統(tǒng)為檢測(cè)系統(tǒng)，通信系統(tǒng)，信息輸出系統(tǒng)，電源系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖 1。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程見圖 2。

2.1 語(yǔ)言識(shí)別功能

語(yǔ)音識(shí)別是一門交叉學(xué)科，也被稱為自動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別，其目的是將人類的語(yǔ)音中的詞匯內(nèi)容轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可讀的輸入，例如按鍵、二進(jìn)制編碼或者字符序列。與說話人識(shí)別及說話人確認(rèn)不同，語(yǔ)音識(shí)別嘗試識(shí)別或確認(rèn)發(fā)出語(yǔ)音的說話人而非其中所包含的詞匯內(nèi)容。語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用包括語(yǔ)音撥號(hào)、語(yǔ)音導(dǎo)航、室內(nèi)設(shè)備控制、語(yǔ)音文檔檢索、簡(jiǎn)單的聽寫數(shù)據(jù)錄入等。語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)與其他自然語(yǔ)言處理技術(shù)如機(jī)器翻譯及語(yǔ)音合成技術(shù)相結(jié)合，可以構(gòu)建出更加復(fù)雜的應(yīng)用，例如語(yǔ)音到語(yǔ)音的翻譯。語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)所涉及的領(lǐng)域包括信號(hào)處理、模式識(shí)別、概率論和信息論、發(fā)聲機(jī)理和聽覺機(jī)理、人工智能等等。很多專家都認(rèn)為語(yǔ)音識(shí)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(hù)理機(jī)器人采用 LD3320 語(yǔ)音識(shí)別模塊。主人可以向智能護(hù)理機(jī)器人下達(dá)口令，智能護(hù)理機(jī)器人中的 LD3320 語(yǔ)音模塊可以對(duì)口令進(jìn)行處理，控制智能護(hù)理機(jī)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(hù)理機(jī)器人更加智能化，形象化，方便主人投放垃圾。

LD3320 語(yǔ)音識(shí)別模塊的原理如圖 3 所示。

LD3320 語(yǔ)音識(shí)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(biāo)、觸摸屏等 GUI 操作方式且基于語(yǔ)音的用戶界面 VUI。LD3320 語(yǔ)音識(shí)別模塊需要與 STM32 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，在這里，我們使用 SPI 的通信方式，連接 STM32 單片機(jī)的 SPI3 實(shí)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?cè)絹碓街匾曌约旱募彝蕵?。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(hù)理機(jī)器人采用外接串口播放模塊，外置 TF 卡單獨(dú)存儲(chǔ)歌曲，有存儲(chǔ)量大的特點(diǎn)。同時(shí)結(jié)合 LD3320 語(yǔ)音識(shí)別模塊，采用口令點(diǎn)播歌曲，擺脫以往的鍵盤和按鍵控制，讓點(diǎn)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(dòng)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(yǔ)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(gè)文件夾，每個(gè)文件夾可以分配 500 首歌曲；30級(jí)音量可調(diào)，5 級(jí) EQ 可調(diào)；可以通過單片機(jī)串口進(jìn)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(jī)等多種播放模式。

2.3 語(yǔ)音照明功能

聲控?zé)羰且环N聲控電子照明裝置，由音頻放大器、選頻電路、延時(shí)開啟電路和可控硅電路組成。它提供了一種操作簡(jiǎn)便、靈活、抗干擾能力強(qiáng)，控制靈敏的聲控?zé)?，它采用人嘴發(fā)出約 1 s 的控制信號(hào)“嘶”聲，即可方便及時(shí)地打開和關(guān)閉聲控照明裝置。聲控?zé)粢话銘?yīng)用于公共場(chǎng)合，在家庭生活方面，我們希望能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的照明。我們仿照聲控?zé)舻脑?，在聲控的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，利用 LD3320 語(yǔ)音識(shí)別模塊，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械開關(guān)，通過口令“開”與“關(guān)”實(shí)現(xiàn)燈的開關(guān)。

本作品的照明系統(tǒng)，基于 LD3320 語(yǔ)音識(shí)別模塊、繼電器、LED 燈來實(shí)現(xiàn)。通過 LD3320 語(yǔ)音識(shí)別模塊來識(shí)別“開”與“關(guān)”口令，同時(shí)繼電器實(shí)現(xiàn)關(guān)與開，最終實(shí)現(xiàn) LED 燈的亮與滅。結(jié)合智能護(hù)理機(jī)器人與聲控?zé)粼碓O(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(gè)繼電器模塊原理如圖 5。

對(duì)改進(jìn)后的照明系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，我們實(shí)現(xiàn)了照明系統(tǒng)的語(yǔ)音控制，照明效果取得了理想的效果。

2.4 人機(jī)對(duì)話功能

智能護(hù)理機(jī)器人的人機(jī)對(duì)話可以實(shí)現(xiàn)主人與智能護(hù)理機(jī)器人的對(duì)話，實(shí)現(xiàn)智能護(hù)理機(jī)器人的智能化，增加智能護(hù)理機(jī)器人的娛樂效果。

我們?cè)诟枨シ殴δ艿幕A(chǔ)上，通過播放錄制好的語(yǔ)音音頻，來實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話。通過智能護(hù)理機(jī)器人的人機(jī)對(duì)話功能，能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單的自己介紹。主人發(fā)布口令，智能護(hù)理機(jī)器人播放對(duì)應(yīng)口令的錄制語(yǔ)音。人機(jī)對(duì)話的機(jī)制與前面的歌曲播放功能的機(jī)制基本相同。

2.5 運(yùn)動(dòng)控制功能

智能護(hù)理機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制通過四個(gè)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，通過 LD3320 模塊的語(yǔ)音識(shí)別，控制其前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)以及輪子的轉(zhuǎn)速。智能護(hù)理機(jī)器人的左右運(yùn)動(dòng)，我們采用差速的方式實(shí)現(xiàn)。當(dāng)實(shí)現(xiàn)右轉(zhuǎn)時(shí)，調(diào)節(jié)輸出的 PWM 的占空比，左輪速度大于右輪速度，實(shí)現(xiàn)右轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn)反之。

電機(jī)在直流 12 V 時(shí)最高空載轉(zhuǎn)速 4 800 轉(zhuǎn)/min，空載電流 180 mA，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)候外加阻力，電流升到 2 A 左右。電機(jī)有 8 個(gè)引腳，每個(gè)引腳對(duì)應(yīng)的定義為：紅色：電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源正極 DC 9～12 V；黑色：電源負(fù)極；黃色：剎車，短接電源負(fù)極剎車；白色：外接 PWM 信號(hào)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(lán)色：空腳；咖啡色:輸出方波信號(hào)，隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化；橙色：空腳。

2.6 防火功能

智能護(hù)理機(jī)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(dāng) MQ-2 煙霧氣敏模塊檢測(cè)到著火源產(chǎn)生的煙霧時(shí)，蜂鳴器拉響警報(bào)，同時(shí)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(zāi)。這樣不僅能夠減少經(jīng)濟(jì)損失，而且還能夠及時(shí)對(duì)火災(zāi)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(jí)雙頻 GSM/GPRS 模塊，工作頻段雙頻 900/1 800 MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)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(jī)的串口 3 與模塊實(shí)現(xiàn)通信。煙霧氣敏傳感器如圖 7。

利用打火機(jī)替代火源，進(jìn)行防火效果檢測(cè)。對(duì)準(zhǔn)MQ-2 煙霧氣敏模塊，打著打火機(jī)，持續(xù)幾秒，系統(tǒng)檢測(cè)到火源，警報(bào)拉響，主人手機(jī)收到了火災(zāi)發(fā)生的短信。

2.7 自動(dòng)開蓋功能

智能護(hù)理機(jī)器人的自動(dòng)開蓋控制通過舵機(jī)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)通過人體感應(yīng)模塊（圖 8）感應(yīng)人體，來控制舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)桶蓋的自動(dòng)打開與關(guān)閉。當(dāng)系統(tǒng)感應(yīng)到人體時(shí)，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度，打開桶蓋。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)不到人體時(shí)，舵機(jī)復(fù)位，關(guān)閉桶蓋。

HC-SR501 是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊，采用德國(guó)原裝進(jìn)口 LHI778 探頭設(shè)計(jì)，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，超低電壓工作模式，廣泛應(yīng)用于各類自動(dòng)感應(yīng)電器設(shè)備。同時(shí)，人體感應(yīng)模塊感應(yīng)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(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)人體靠近智能護(hù)理機(jī)器人一米內(nèi)時(shí)自動(dòng)打開桶蓋，減小誤檢的概率。

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

本作品的桶蓋通過兩個(gè)舵機(jī)來控制，防止一個(gè)舵機(jī)產(chǎn)生的力不足支撐桶蓋。我們通過單片機(jī)產(chǎn)生的 PWM 控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角。在感應(yīng)到人體與感應(yīng)不到人體時(shí)，產(chǎn)生不同的 PWM 控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)，舵機(jī)不同的轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的 PWM 的占空比。

3 結(jié)語(yǔ)

在完成各個(gè)功能的拓展后，我們對(duì)作品進(jìn)行了整體的系統(tǒng)機(jī)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(hù)理機(jī)器人”將進(jìn)入千家萬戶，為人們的生活起居服務(wù)。