基于语音识别技术的老年人生活辅助设备＊

时间：2024-05-18

冉冬东，李纬

基于语音识别技术的老年人生活辅助设备＊

冉冬东，李纬

（武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉 430070）

随着中国人口老龄化问题日益严重，老年人口数目日益增多，并且老年人多有腿脚不便的情况，导致一些基本生活活动，如如厕和行走等动作完成比较困难。为解决老年人的如厕和行走等基本生活活动的问题，设计出一款基于语音识别技术的老年人生活辅助设备，给老年人提供了极大的方便。主控芯片选用STM32F103VET6；结合单片机语音识别模块和语音合成模块实现设备的语音控制和语音提醒；选用超声波传感器对周围障碍物进行测距，从而规划设备的行进路线，实现自动避障。

生活辅助；语音控制；语音提醒；超声波测距

随着中国人口老龄化问题日益严重，老年人口数目日益增多。随着年龄的增长，老年人多有腿脚不便的情况，有时难以完成一些如弯腰、下蹲等简单的动作，这给老年人的基本生活带来了极大挑战。

目前，国内外兼具安全、实用、功能性的老年人生活辅助设备非常少，不能为老年人提供人性化的服务，不能有效满足老年人多样化、多层次的养老服务需求。其中，老年人如厕和行走是两大难题。虽然目前国内外已有帮助老年人如厕和行走的辅助设计，但功能单一，未与人工智能相结合，老年人独自操作设备非常困难。

为了帮助老年人解决行走和如厕等动作完成比较困难的问题，本文设计了一款基于语音识别技术的老年人生活辅助设备，可在辅助如厕和行走方面帮助老年人。生活辅助设备与语音识别技术相结合，方便老年人控制设备，给老年人提供了极大的方便。

1 系统总体设计

本文设计的产品是运用创新设计理念，综合应用产品组合创新技术和方法、语音识别技术、传感器技术、单片机技术、自动控制技术设计的一个智能助老设备，对设备进行智能管理，通过单片机语音模块对设备的其他模块进行控制，从而控制设备的运行，为老年人提供方便的服务。

系统总体包含机械结构和控制系统两大部分。它们之间的交互关系如图1所示。

在研究过程中主要采用的研究方法为理论联系实际。采用产品组合创新方法对机械结构部分进行创新研究，使用三维软件进行建模和运动仿真，确定设计的合理性和可行性。

使用电路设计软件绘制控制系统的电路原理图，对控制系统进行建模和仿真，保证控制系统的可行性和可实现性，利用语音识别技术，用户通过单片机连接的语音模块可以和该设备进行对话。

图1 系统总体结构图

在嵌入式控制软件开发的基础上，探索软件工程的研究方法，对软件进行需求分析、系统设计、系统开发和测试，以确保软件的有效性。

2 机械结构设计

2.1 结构总体设计

机械结构部分设计了行走机构、升降机构、转动坐垫机构、转动扶手机构和拉杆靠背机构。使用三维CAD软件Solid works建立了老年人生活辅助设备三维模型，完成了工程图设计。结构整体如图2所示。

2.2 结构分析

图2中，Ⅰ为行走机构，使用轮式行走机构，采用后驱方式，直流电机通过联轴器连接后轮，为设备的行走提供动力，并且通过后轮两轮之间的差速实现转向，带制动机构，通过脚踩方式实现定位；Ⅱ为升降机构，使用平行四边形结构，上端与下端通过双头螺栓分别连接在步进电动推杆上，通过步进电动推杆的推动与收缩实现设备的升降；Ⅲ为转动坐垫机构，由伺服电机带动齿轮，再由齿轮啮合带动连接轴转动，坐垫固定安装在连接轴上，因而坐垫也被带着转动；Ⅳ为转动扶手机构，可手动旋转，可通过自动弹簧插销对其定位；Ⅴ为拉杆靠背机构，由伸缩拉杆和靠背组成，靠背安装在伸缩拉杆的最高级，可手动拉伸与收缩。其中，行走机构、升降机构和转动坐垫机构可通过语音识别模块与STM32单片机的通信进行自动控制，转动扶手机构和拉杆靠背机构由用户手动进行操作。

图2 结构整体示意图

3 控制系统设计

3.1 总体设计

控制系统部分主要包括STM32单片机、语音识别模块、语音合成模块、超声波传感器、直流电机、步进电动推杆、步进电机等组成部分。利用语音识别技术，借助软件编程的方法，用户通过单片机连接的语音模块可以和该设备进行对话，依据对话内容对设备进行自动控制，为老年人提供了极大的方便。使用电路设计软件Altium designer绘制控制系统电路原理图。

3.2 模块设计

3.2.1 电源模块

选用24 V电源作为设备的总电源为整个设备进行供电，通过连接电机驱动模块为直流电机、步进电动推杆和步进电机提供24 V电压，通过LM2596降压模块将24 V电压降为5 V提供给语音识别模块、语音合成模块和超声波传感器，再由ASM1117降压模块将5 V降为3.3 V提供给STM32单片机。

3.2.2 主控芯片

控制系统的主控芯片是整个设备最核心的部分，主控芯片选型STM32F103VET6。其引脚有100个，I/O口多达80个，且具有众多定时器、串口和ADC通道等资源。STM32单片机通过串口与语音识别模块和语音合成模块进行通信，进行信息的发送与接收，实现用户与设备之间的对话，进行语音识别和语音提醒。并且STM32单片机引脚连接电机驱动电路，通过控制STM32单片机的I/O口的高低电平实现对直流电机、步进电动推杆和步进电机的控制，从而实现了弱电控制强电。超声波传感器的发送与接收引脚连接在STM32单片机的引脚上，通过STM32引脚输出高电平触发超声波传感器进行测距，并检测接收引脚的电平，实现距离的检测。主控芯片电路原理如图3所示。

图3 主控芯片电路原理图

3.2.3 语音识别模块

选用LD3320作为设备控制系统的语音识别模块。LD3320模块通过串口与STM32单片机连接，当模块识别到用户的语音后，进行频谱分析，再提取特征，语音识别器在提前存入的拼音字符串关键词库中进行匹配，将识别结果传递给LD3320模块的CPU，将声音转化为文本，实现语音的输入，LD3320模块的数据发送引脚TXD和数据接收引脚RXD分别连接在STM32单片机的PA3和PA2引脚，通过串口将识别结果传递给STM32单片机，再由STM32单片机进行控制。语音识别流程如图4所示。

图4 语音识别流程图

工作模式设置为口令模式，用户需通过设定的一级口令，唤醒设备之后才能进行后续操作，减少垃圾词汇对设备工作情况的影响。

3.2.4 语音合成模块

选用SYN6288作为设备控制系统的语音合成模块。SYN6288模块的TXD引脚和RXD引脚分别连接在STM32单片机的PB11和PB10引脚，由STM32单片机传递信息进行控制，将文本转化为语音，并且外接喇叭，实现语音的输出。设备上各个模块的信息都被主控芯片所监控，当需要提醒用户时，STM32单片机可控制语音合成模块输出相应的声音，实现语音提醒功能。

3.2.5 电机驱动模块

设备运行需要下底盘下的2个直流电机、下底盘上的2个步进电动推杆和上底盘下的2个步进电机提供动力，因此需要6个电机驱动电路。直流电机驱动模块由24 V电源供电，且ENA、ENB、IN1、IN2、IN3、IN4六路输入信号连接到STM32单片机的PA13、PA12、PA11、PA10、PA9、PA8上，控制2个通道的直流电机的运行。步进电机驱动模块由24 V电源供电，采用共阳极接法。步进电机驱动电路一和二用于驱动升降机构中的步进电动推杆的步进电机，将电机的旋转运动转变成推杆的直线往复运动，2个驱动电路中的EN-、PUL-、DIR-输入信号连接到STM32单片机的PC9、PC8、PC7、PC6、PD15、PD14上；步进电机驱动电路三和四用于驱动转动坐垫机构中的步进电机，2个驱动电路中的EN-、PUL-、DIR-输入信号连接到STM32单片机的PD13、PD12、PD11、PD10、PD9、PD8。

3.2.6 超声波传感器模块

设备需要借助超声波传感器探测外界环境之后，才能通过控制下底盘的直流电机，实现自动避障功能。模块选型为HC-SR04，三个传感器模块的Trig、Echo引脚分别接到STM32单片机的PD0、PC12、PC11、PC10、PA15、PA14引脚，由单片机发出的高电平信号触发测距，通过超声波传感器方波信号的发送和接收的时间差即可计算出前方障碍物的距离。计算公式为：

测试距离=[高电平时间×声速（340 m/s）]/2

超声波传感器在设备上的放置位置：左、前、右各放置一个超声波传感器，且左右传感器呈一定角度，这样摆放使得传感器的测距效果更好，提高了设备自动避障的效果。