劉旋+應忠翔+喬啟鳴+莫園生+胡洪波

摘 要：語音服務機器人由微型控制器和機器人機械框架組成，通過QQ物聯(lián)平臺與QQ進行社交關聯(lián)，可與好友進行視頻通話、語音聊天等，還可在QQ平臺上進行遠程控制。使用語音識別芯片與技術來讀取人的語音信息，控制機器人進行相關動作。機器人具有環(huán)境監(jiān)控功能，通過溫濕度、光照等傳感器來監(jiān)測室內環(huán)境，如有異常則可語音提示主人。

關鍵詞：服務機器人；語音；QQ物聯(lián)；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP242.6 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）06-0-04

0 引 言

2012年4月，中國科技部正式印發(fā)了《服務機器人科技發(fā)展“十三五”專項規(guī)劃》[1]，中國產(chǎn)業(yè)調研網(wǎng)發(fā)布的2015-2020年中國服務機器人市場深度調查分析及發(fā)展趨勢研究報告認為，縱觀國內外服務機器人的發(fā)展，預測服務機器人在我國具有廣闊的市場空間。隨著城市化進程加速、人口老齡化和人口素質的提高，服務機器人的商業(yè)應用將會加速發(fā)展。

語言是人們傳遞信息的重要方法，隨著人工智能的發(fā)展，社會對智能化的要求越來越高，智能機器人的應用范圍越來越廣，通過語音來控制機器人可以大幅提高工作效率。2014年10月，“QQ物聯(lián)智能硬件開放平臺”發(fā)布，開發(fā)者可以充分利用和發(fā)揮騰訊QQ的億萬手機客戶端及云服務的優(yōu)勢。結合目前機器人發(fā)展的方向，本文提出了基于QQ物聯(lián)的智能語音服務機器人系統(tǒng)設計方法。

1 系統(tǒng)功能分析與總體設計

1.1 系統(tǒng)功能分析

基于QQ物聯(lián)的語音服務機器人針對家庭生活場景主要實現(xiàn)以下功能：

（1）QQ物聯(lián)：將QQ賬號體系及關系鏈、QQ消息通道能力等核心能力與機器人合作，實現(xiàn)用戶與機器人之間的互聯(lián)互通互動，充分利用和發(fā)揮騰訊QQ億萬手機客戶端及云服務的優(yōu)勢；

（2）無線充電：機器人自動檢測自身電量，當電量低于預設值時，采用無線充電方式充電；

（3）消息處理：自動連接手機藍牙，語音處理電話等消息。

（4）環(huán)境監(jiān)控：機器人自動檢測房間溫度、濕度、光照強度等，當環(huán)境參數(shù)不在預設值范圍內時，進行語音提醒[1]；

（5）智能安防：當檢測到用戶離開房間后，自動切換到安防模式，用戶可通過攝像頭查看室內狀況，出現(xiàn)突發(fā)情況時自動聯(lián)系用戶；

（6）語音交互：可與用戶實現(xiàn)簡單的人機交互[2]；

（7）娛樂放松：用戶可通過語音交互播放音樂或簡單笑話等。

1.2 系統(tǒng)總體設計框架

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，設計本系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)包括主控制器模塊和外圍功能模塊，外圍部分包括環(huán)境監(jiān)測模塊，攝像頭模塊，語音識別模塊，無線充電模塊，通訊模塊，移動設防系統(tǒng)，視頻與音頻處理模塊和小車模塊。環(huán)境監(jiān)測部分主要通過一些傳感器檢查環(huán)境參數(shù)，并不斷返回控制器，控制器可針對這些數(shù)據(jù)做出綜合調節(jié)。攝像頭模塊負責視頻通話與安防。語音識別模塊可識別出人們的一些語言信息，通過識別這些信息來判斷人們的指令，從而更好、更人性化的為人們服務。無線充電模塊主要維持機器人和小車的正常用電與供電，保證小車和機器人正常工作。通訊模塊的主要功能包括語音外放，語音對講，語音提醒等。無人在家時，如有特殊情況發(fā)生移動設防系統(tǒng)可自動向主人發(fā)送信息。

2 硬件模塊選型與設計

2.1 主控制器

本系統(tǒng)的主控制器選用ST公司生產(chǎn)的STM32F103系列芯片。該芯片基于ARM Cortex-M3 32位的RISC內核，工作頻率最高可達72 MHz，且內置高速存儲器（64 KB的閃存和20 KB的SRAM），豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設。STM32系列提供了全新的32位產(chǎn)品選項，結合高性能、實時、低功耗、低電壓等特性，保持高集成度和易開發(fā)的優(yōu)勢，將32位MCU的性能和功效引向一個新的級別[3]。

2.2 QQ物聯(lián)模塊

QQ物聯(lián)通過QQ賬號體系及相關的關系鏈來實現(xiàn)用戶與設備之間的相互連通，充分發(fā)揮QQ手機客戶端和云服務的優(yōu)勢[4]。本設計采用了QQ物聯(lián)攝像頭模塊，可通過QQ與攝像頭進行交互。具有如下功能：

（1）遠程監(jiān)控：直接打開手機QQ便可隨時隨地遠程查看攝像頭內的視頻。

（2）支持分享設備：將自己錄制好的精彩視頻或照片分享至QQ好友，實現(xiàn)與好友的互動。

（3）移動偵測報警：家中無人時啟動設防功能。如果視頻監(jiān)控畫面中出現(xiàn)了移動物體或人體時，將會截圖發(fā)送至手機，同時也會將截圖自動保存在TF卡上。

（4）語音對講：利用QQ實現(xiàn)實時語音對講，使得好友之間的關系更加親密。

2.3 藍牙音響模塊

藍牙技術是一種短距離通信技術，頻率為全球共有頻段2.4 GHz[5]，可使不同的設備無縫共享資源。它采用短距離無線連接，無需專用電纜，使移動用戶不僅擺脫了線纜的束縛，還易于在室內或室外流動操作。

2.4 語音識別模塊

本系統(tǒng)采用ICRoute公司生產(chǎn)的LD3320語音控制芯片來實現(xiàn)簡單的語音識別[6]。LD3320的電路原理圖如圖2所示。

2.5 無線充電模塊

本系統(tǒng)采用原理為電磁感應的無線充電模塊[7]，使機器人在自身電量不足時能夠進行無線充電，簡化充電過程。

2.6 語音輸出模塊

本系統(tǒng)使用LMD102語音模塊。該模塊價格低廉，穩(wěn)定可靠，支持多路語音，還可通過單片機串口控制。電路原理圖如圖3所示。

2.7 環(huán)境傳感器模塊

環(huán)境參數(shù)主要為測量溫度，濕度和光照等信息。本設計為了能夠更加準確地采集光照及溫濕度信息，使用BH1750傳感器來獲取光照強度[8]，利用DHT11采集溫濕度。

3 系統(tǒng)軟件設計及實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化主要完成堆棧、定時器、串口等的設置。然后根據(jù)需求調用相應的功能，如獲取環(huán)境參數(shù)等。語音芯片識別這些語句后，經(jīng)各模塊獲取相應內容，再通過語音反饋給用戶。本系統(tǒng)還聯(lián)合QQ物聯(lián)，通過QQ控制攝像頭，實現(xiàn)視頻通話與語音對講。軟件流程如圖4所示。

3.2 LD3320語音程序設計

語音識別軟件流程圖如圖5所示。首先對該模塊進行初始化，對語音編碼進行預處理，然后提取相應的特征，進行矢量的量化，最后針對語音的輸入匹配特征，輸出對應的語音結果。在程序設計中，通過改善算法[9]提高了識別準確率。

3.3 環(huán)境監(jiān)測程序設計

首先光照傳感器需要對解析度和透光率進行設置。解析度一般設置為2，傳感器返回的值為實際值乘以透光率。所以在代碼中需要經(jīng)過初始化，經(jīng)光亮度讀取和實際亮度計算得出準確的光照值。光照傳感器程序流程圖如圖6所示。

溫濕度傳感器DHT11包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，只有4個引腳，控制其時鐘序列滿足要求后，即可取出數(shù)據(jù)，DHT11對時鐘的要求非常嚴格。數(shù)據(jù)格式為：8 b濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 b濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 b溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 b溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 b校驗和[10]。圖7所示為DHT11的程序流程圖。

3.4 語音播放程序設計

語音錄制播放模塊LMD102可以錄制多路聲音。由于此模塊具有USB接口功能，可以直接在特定軟件下合成聲音，無需人工錄制聲音，可以大大減輕工作量。本系統(tǒng)采用串口發(fā)送的方法將信息發(fā)送給芯片，由于每段語音都有特定的ID號，因此只需發(fā)送對應的ID號即可播放對應的語音。發(fā)送格式為：引導碼+段號+結束碼。LMD102程序流程圖如圖8所示。

3.5 系統(tǒng)測試

服務機器人機械框架采用3D打印模式，設計實物如圖9所示。

系統(tǒng)采取分模塊測試方法：

（1）攝像頭及語音功能、移動設防功能測試。當有物體在攝像頭面前移動時，會有QQ提醒消息，移動設防功能正常。

（2）藍牙音箱功能測試。打開手機藍牙連接至藍牙音箱，此時會有語音提示，藍牙連接。打開手機音樂，發(fā)現(xiàn)藍牙音箱能夠播放手機音樂，該藍牙音箱測試正常。

（3）環(huán)境參數(shù)測量。為了能夠直觀顯示測試結果，將測試結果輸出至屏幕。

（4）語音播放模塊測試。通過外部調節(jié)使環(huán)境的溫濕度、光照發(fā)生變化，此時服務機器人會發(fā)出語音環(huán)境異常信息的提示。

對各模塊進行綜合測試，發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)工作正常。

4 結 語

本文完成了針對家庭生活的基于QQ物聯(lián)的服務機器人系統(tǒng)設計。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

（1）自動無線充電：解決機器人手動充電的問題，方便機器人長時間工作；

（2）應用范圍廣：本項目可適用于老人、孩子和上班族，適用人群廣泛，通過QQ物聯(lián)接入，擴大用戶人群；

（3）功能完善、穩(wěn)定：本作品加入了語音、攝像頭圖像處理、分布式信息管理、WiFi等功能模塊，使機器人擁有較為完備的功能。同時通過改進相關算法，極大地提高了機器人針對不同場景做出的反應速度。

本設計可廣泛應用于家庭和辦公室等一些私人場所。如果將本設計繼續(xù)優(yōu)化，功能將更加完善，其適用范圍也將更加廣闊。

參考文獻

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