郭慧敏　孟游　遲少華　丁培甫

摘要 針對普通遙控器控制智能小車的局限性，結合移動互聯(lián)網(wǎng)的應用，提出了一種新的人機交互智能小車控制系統(tǒng)的研究方案——一種基于Android手機方向（重力）傳感器和語音控制的藍牙小車控制系統(tǒng).以Android手機作為上位機，包括語音系統(tǒng)、方向（重力）傳感器系統(tǒng)，利用藍牙通信技術與單片機總控制中心、藍牙模塊、電機驅動模塊、蜂鳴器和LED模塊、避障模塊等組成的下位機進行通信，實現(xiàn)對藍牙智能小車的實時控制.通過實物制作和測試，驗證了系統(tǒng)的可操作性和實用性，同時也為智能輪椅、倉庫管理等領域的實際應用奠定了一定的技術基礎.

關鍵詞 方向（重力）傳感器;語音控制系統(tǒng);Android 手機;無線智能控制;智能小車.

中圖分類號 TN79;TP311.5

文獻標志碼 A

0 引言

人機交互技術的飛速發(fā)展，促使遙感技術蓬勃發(fā)展，人們的生活方式將漸趨智能化.讓機器了解你的言語、表情和肢體語言，將給人們帶來更加輕松、舒適和便捷的生活方式[1]，而傳統(tǒng)的人機交互系統(tǒng)遠遠滿足不了人們的需求.

目前市場上的一些遙控車都是一個產品對應著一個遙控設備，即使可以通用的遙控設備也需要手動按鍵去控制[2-3]，操作起來十分不便.Android設備以本身獨特的開源性和可操作性的優(yōu)勢，迅速成為最大的智能手機操作平臺，無論高端機還是低端機，大多集成了方向傳感器、語音和藍牙系統(tǒng)，為本系統(tǒng)的研究提供了便利[4-5].相對于傳統(tǒng)的遙控器控制技術，基于Android手機手勢和語音技術的智能小車的控制方式更加方便快捷，適用于多種帶有方向傳感器和語音功能的Android手機.

1 系統(tǒng)結構

本設計著眼于無線智能設備的傳感器控制[6]，如Android手機、智能手表等.拋棄了傳統(tǒng)的遙控器技術，利用App Inventor[7]作為手機軟件的開發(fā)平臺，通過智能手機攜帶的方向傳感器[8]和語音系統(tǒng)，根據(jù)翻轉手機或語音識別便可實現(xiàn)小車停止、前進、后退和左右轉等，從而達到人機交互的目的.

通過設計帶有方向感應器、語音系統(tǒng)和藍牙功能的Android手機軟件，與帶有HC-05藍牙模塊、STC89C52RC主控制芯片、L9110H電機驅動模塊和紅外避障模塊等硬件電路組成的智能小車控制系統(tǒng)，共同實現(xiàn)了一種新型無線控制智能小車的方法——通過搖晃手機或語音便可對小車進行控制.同時，還在下位機增加了環(huán)境檢測系統(tǒng).本設計框架如圖1所示.

2 下位機硬件電路設計

小車設計的硬件電路由單片機總控制中心、電機驅動模塊、避障模塊、電源供電電路、蜂鳴器和LED控制電路等模塊組成.

2.1 電機控制模塊設計

智能小車最基本的功能是行走，利用單片機驅動直流電機帶動車輪的轉動，但是由于單片機驅動能力有限，無法驅動大功率的直流電機，所以需要在直流電機與單片機之間加一個驅動模塊L9110H.L9110H連接電機的正負極，由兩個輸出端，直接控制電機的正反轉.原理如圖2所示.

2.2 蜂鳴器模塊設計

設計過程中，考慮到單片機I/O口驅動能力不能讓蜂鳴器發(fā)聲，需要利用8550三極管放大驅動電流讓蜂鳴器發(fā)出聲音.當輸入為低電平時，三極管導通，集電極電流通過蜂鳴器，蜂鳴器發(fā)出聲音;當輸入為高電平時，三極管截止，無電流通過蜂鳴器，蜂鳴器不發(fā)聲.設計原理如圖3所示.

2.3 HC-05藍牙模塊

本設計選用HC-05藍牙串口通信模塊.它是主從一體的藍牙串口模塊，簡單地說，就是當藍牙設備與藍牙設備配對成功后，可以忽視藍牙內部的通信協(xié)議，直接將藍牙當串口用.當建立連接時，兩個設備共用一個通道也就是同一個串口，一個設備發(fā)送數(shù)據(jù)到通道中，另一個設備便可以接收通道中的數(shù)據(jù).但是，建立這種通道連接是有一定條件的，需要先對藍牙模塊進行AT指令參數(shù)設置.

2.4 紅外避障模塊

該模塊具有一對紅外發(fā)射器和接收器，通過發(fā)射管發(fā)出紅外線，當檢測到前方障礙物時，發(fā)射光被接收器接收，經過電路處理，發(fā)送給主控制中心.避障距離可以利用電位器進行調節(jié)，具有裝配方便和干擾小的特點，如圖4所示.

3 下位機硬件程序設計

本控制系統(tǒng)需要小車的硬件系統(tǒng)作為支撐.下面分別對藍牙接收信息傳遞給單片機和單片機接收信息后對電機、蜂鳴器以及LED做出相應的控制進行介紹.程序設計采用的是Keil4 for 51作為單片機程序的編程軟件.

3.1 藍牙接收系統(tǒng)程序

通過藍牙模塊對接收手機端發(fā)送過來的控制指令信息進行接收處理，如停止、前進、后退、左右轉等，程序流程如圖5所示.

利用藍牙模塊與51單片機進行連接，串口通信進行數(shù)據(jù)傳輸.接收時，中斷標志RI=0，置允許接收位REN=1，數(shù)據(jù)進入移位寄存器，裝載到SBUF緩沖寄存器，置RI=1;由緩沖接收器SBUF通過總線發(fā)送給CPU.串行通信在數(shù)據(jù)傳輸、人機交互設計等方面起著重要作用[9].設計要求串口通信晶振為11.059 2 MHz，波特率9 600 bps，設置計數(shù)器1的工作方式（SM0=0，SM1=1，即SCON=0x05），T1的初值為253（X值為FDH）.

3.2 電機、蜂鳴器及LED控制系統(tǒng)程序

小車運動狀態(tài)的控制方式如下（藍牙接收控制指令流程如圖5所示）：

1）小車運動：控制電機的轉動;

2）燈：控制LED1及LED2燈的亮滅;

3）蜂鳴器：模擬喇叭，控制蜂鳴器的開關.

4 上位機APP設計

4.1 軟件界面設計

App中添加的控件有：

1）Button按鍵（前進、后退、停止、左轉、右轉、燈、喇叭、方向傳感器以及語音開關鍵）：按下后通過藍牙發(fā)送相應的數(shù)據(jù);

2）連接選擇框：按下它，會訪問到一個列表，用來存儲藍牙信息;

3）水平布局、垂直布局：使按鈕在水平控件框內呈水平或垂直分布;

4）藍牙客戶端：藍牙配對、連接以及通信，通過藍牙設備選擇框組件來顯示藍牙列表;

5）對話框：顯示警告信息，當藍牙連接失敗時，顯示錯誤信息;

6）方向傳感器：設置通過翻轉手機可以實現(xiàn)對小車發(fā)送相應的數(shù)據(jù);

7）語音識別器：設置通過識別語音可以實現(xiàn)對小車發(fā)送相應的數(shù)據(jù).

4.2 藍牙連接系統(tǒng)

建立藍牙連接時，Android手機需要獲取小車HC-05藍牙模塊的地址.

點擊連接時，出現(xiàn)選擇藍牙設備的界面，如圖6所示（列表中的藍牙設備是手機在設置中心已經配對成功的藍牙設備），點擊小車地址，將小車與手機之間建立連接.如果連接成功，界面將會跳轉到控制界面;如果配對失敗，彈出錯誤的警示窗口，則小車的藍牙模塊沒有打開或者沒有正常工作.

點擊斷開連接按鈕時，關閉藍牙連接，同時用戶界面發(fā)生變化，如圖7所示.藍牙設備選擇框會重新出現(xiàn)，而用戶界面上的其余組件將被隱藏.

4.3 按鍵控制系統(tǒng)

App軟件主要通過上下左右4個按鍵控制小車的前進、后退、左轉、右轉，中間的停止鍵讓小車緊急停止.另外，為了增加真實性，還增加了小燈以及喇叭控制的功能（圖8）.按下不同的按鈕，手機就會通過藍牙發(fā)送相應的數(shù)據(jù).

4.4 方向傳感器控制系統(tǒng)

在按鍵的基礎上，增加了方向傳感器的控制，利用手機內的方向傳感器，通過傾斜角和翻轉角的角度變化發(fā)送數(shù)據(jù).在程序軟件的界面上，增加了一個方向傳感器的開關（圖8），在必要時可以關閉方向傳感器.首次打開軟件，方向傳感器是不工作的，點擊一次，方向傳感器開始工作，再點擊一次，方向傳感器停止工作，可通過除2取余的算法來辨識.

點擊方向傳感器按鈕，翻轉角和傾斜角數(shù)據(jù)隨手機的晃動發(fā)生改變，表示方向傳感器開始工作.因為人無法保證手機在手中時，翻轉角和傾斜角都為0，所以翻轉角和傾斜角的大小在±20°范圍內都規(guī)定手機為水平放置.手機發(fā)送數(shù)據(jù)03，智能小車為停止狀態(tài).另外，設定傾斜角和翻轉角同時變化時，為無法識別狀態(tài)，令小車停止，確保其安全性.手機狀態(tài)發(fā)送數(shù)據(jù)如表1所示（可根據(jù)實際需求進行角度判斷的設定）.

為了增加Android遙控小車手機方向傳感器的可辨識度，可在界面顯示傾斜角和翻轉角的數(shù)據(jù).

4.4 語音控制系統(tǒng)

在軟件設計上增加手機語音系統(tǒng)，通過調用手機內部的語音識別器，但手機本身沒有識別語音和文字轉換的功能，需要調用訊飛語記軟件的語音識別功能.設置軟件可識別到的語音中包含“前進”、“后退”、“左轉”等命令，軟件可通過藍牙發(fā)送相關的控制數(shù)據(jù)，具體的數(shù)據(jù)可參考方向傳感器設計部分.

使用時通過按住話筒按鈕，發(fā)出命令語音，如“前進”、“后退”、“左轉”、“右轉”、“停止”等命令，松開后，界面顯示小車相應的運動狀態(tài)，同時會通過藍牙對已連接設備發(fā)送相應的控制數(shù)據(jù)（01、02、03等）.

5 實驗測試與分析

為了測試系統(tǒng)的安全性和準確性，分別對設計進行了軟硬件供電調試.調試包含對下位機小車能否接收數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的準確性，以及上位機是否可以發(fā)送控制數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)發(fā)送的準確率.對于下位機，首先檢查與單片機的連線是否正確，接通電源，燒錄單片機程序測試驅動電機是否可以正常運轉以及電機的運動方向是否正確：當Right-Negative=0，Right-Positive=1，Left-Negative=0，Left-Positive=1是否前進，另外分別測試左轉、右轉、后退、停止等狀態(tài)是否正確.

在小車下載單片機程序后，首先要對通信方面進行測試.通信測試分為3步：

1）第1步是使用單片機串口監(jiān)視器測試.通過USB串口給小車發(fā)送00，01，02，03，04，05，06，07，08等幾個控制數(shù)據(jù)，查看小車的運動狀態(tài)的準確性.

2）第2步是使用手機藍牙串口工具測試.首先USB接口連接藍牙，插入電腦，利用手機連接藍牙模塊后，通過按鍵看是否發(fā)送相應的數(shù)據(jù).按鍵測試成功后，測試手機方向傳感器是否工作.

觀察手機界面上的翻轉角和傾斜角數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化，以及手機前翻轉時，手機是否發(fā)送數(shù)據(jù)01;手機左傾斜時，手機是否發(fā)送數(shù)據(jù)02;當手機右傾斜時，手機是否發(fā)送數(shù)據(jù)04;手機后翻轉時，手機是否發(fā)送數(shù)據(jù)05;手機平放時，手機是否發(fā)送數(shù)據(jù)00等.

3）第3步是對手機語音控制的測試.在第2步測試成功后，按下語音按鈕，通過語音“前進”、“后退”、“左轉”、“右轉”、“亮燈”等命令分別測試手機發(fā)送的數(shù)據(jù)是否正確.

為采集不同型號手機的實驗數(shù)據(jù)，分別采用了OPPO-A57、小米note1、小米5、華為Mate9進行測試.通過多次數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得出，無線控制距離在空曠地帶可達20 m，在0～15 m內可發(fā)送的數(shù)據(jù)正確率在99.1%～99.5%，在15～20 m內收到數(shù)據(jù)的正確率會隨距離的增加逐漸減小，距離超過20 m時會斷開連接，軟件提示“無法連接到藍牙設備”.

測試結果表明，本設計的手機方向傳感器、語音和按鍵3種方式同時控制智能小車行走的軟硬件設備中，下位機的小車硬件以及軟件系統(tǒng)工作正常，上位機Android手機軟件程序正常，可通過方向傳感器、語音和按鍵3種控制方式控制小車，并實現(xiàn)靈活地前行、后退、左轉、右轉、停止、亮燈、鳴笛等功能.

6 結束語

本設計有效利用現(xiàn)有通信設備完成了基于Android手機方向傳感器、語音系統(tǒng)和藍牙技術控制的智能小車系統(tǒng).本設計可以無障礙地在15 m范圍內進行通信，從而降低了智能化設備的成本.該控制系統(tǒng)的相關技術能直接應用到智能電動輪椅的研究中，使電動輪椅更加智能化、功能化.

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Design of human-machine interaction system based on

Android mobile phone gesture and voice control

GUO Huimin1 MENG You1 CHI Shaohua1 DING Peifu1

1 School of Information Engineering，Jincheng College，NanJing University of Aeronautics and Astronautics，211156 NanJing

AbstractAiming at the limitation of the common remote control and the application of mobile internet，a new research scheme for a human-computer interaction driven intelligent vehicle control system is proposed：a bluetooth based vehicle control system utilizing android mobile phone direction sensor （gravity sensor） and voice control is designed.The design uses android mobile phone as host computer，including the voice and direction sensor systems and uses bluetooth communication technology to communicate with the lower computer，which is composed of the MCU control center，bluetooth module，motor drive module，buzzer，led module，and obstacle avoidance module.The operability and practicability of the system is verified through physical production and testing.This research also lays a technical foundation for the practical application of intelligent control systems in wheelchair design and warehouse management among other fields.

Key wordsdirection （gravity） sensor;voice control system;Android phones;wireless intelligent control;smart car