集成电路 | 基于 STM32 的多功能智能护理机器人设计

以 STM32F103RCT6 为主控核心，系统的组成包括：STM32 单片机开发板、GSM 模块、LD3320 语音识别模块、串口播放模块等电子器件，以及运动控制的机械结构和电源部分。智能护理机器人的工作机制是通过语音识别模块识别主人口令，控制智能护理机器人运动功能。

物联网智能化家居迅速发展，多功能智能护理机器人是一种利用自动控制技术、物联网技术为基础，对于传统机器人进行改造发展而来的新型智能家居生活家电用品。作为一款智能化的机器人，它不仅能够处理垃圾更加方便，而且附加的功能能够节省生活空间，满足人们多方面的需求。

本作品以 STM32F103RCT6 为主控核心，该作品系统的组成包括：STM32 单片机开发板、GSM模块、LD3320 语音识别模块、串口播放模块等电子器件，以及运动控制机械结构、电源部分。智能护理机器人的工作机制：通过语音识别模块识别主人口令，控制智能护理机器人运动功能[1-4]，歌曲播放功能，对话功能，以及灯的控制；智能防火结合 GSM与烟雾气敏模块，实现高程度的防火功能。在垃圾处理方面，作品具有一定程度的自动化功能。该作品具有创新性好、能耗性低、使用度高、功能性强等优点。采用四个电机驱动，大胆创新，构建与机械驱动结合的基本架构，实现自由运动。

2  系统的设计

智能护理机器人包括“两个大系统，五个小系统”,其中两个大系是以 STM32 为核心构建的系统。五个小系统为检测系统，通信系统，信息输出系统，电源系统，运动控制系统。系统结构见图 1。系统的软件设计流程见图 2。   

2.1 语言识别功能

语音识别是一门交叉学科，也被称为自动语音识别，其目的是将人类的语音中的词汇内容转换为计算机可读的输入，例如按键、二进制编码或者字符序列。与说话人识别及说话人确认不同，语音识别尝试识别或确认发出语音的说话人而非其中所包含的词汇内容。语音识别技术的应用包括语音拨号、语音导航、室内设备控制、语音文档检索、简单的听写数据录入等。语音识别技术与其他自然语言处理技术如机器翻译及语音合成技术相结合，可以构建出更加复杂的应用，例如语音到语音的翻译。语音识别技术所涉及的领域包括信号处理、模式识别、概率论和信息论、发声机理和听觉机理、人工智能等等。很多专家都认为语音识别技术是 2000 年至 2010 年间信息技术领域十大重要的科技发展技术之一。

智能护理机器人采用 LD3320 语音识别模块。主人可以向智能护理机器人下达口令，智能护理机器人中的 LD3320 语音模块可以对口令进行处理，控制智能护理机器人的行迹。这样可以摆脱以往的键盘和按键控制，使智能护理机器人更加智能化，形象化，方便主人投放垃圾。

LD3320 语音识别模块的原理如图 3 所示。

LD3320 语音识别芯片是 IC Route 公司的产品，它采用 ASR 技术，提供了一种脱离按键、键盘、鼠标、触摸屏等 GUI 操作方式且基于语音的用户界面 VUI。LD3320 语音识别模块需要与 STM32 单片机实现通信，在这里，我们使用 SPI 的通信方式，连接 STM32 单片机的 SPI3 实现与 LD3320 模块的通信。通过 SPI 的通信方式，能够实现高速的数据传输，占用较少的 IO 资源。

2.2 歌曲播放功能

随着人们生活水平的提高，人们越来越重视自己的家庭娱乐。在科技水平高速发展的今天，电子播放产品丰富了人们的家庭日常生活。本文智能护理机器人采用外接串口播放模块，外置 TF 卡单独存储歌曲，有存储量大的特点。同时结合 LD3320 语音识别模块，采用口令点播歌曲，摆脱以往的键盘和按键控制，让点播歌曲更加方便。

我们采用的串口播放模块支持较为广泛的播放频率。它具有 24 bit DAC 输出，动态范围支持 90 dB，信噪比支持 85 dB；完全支持 FAT16、FAT32 文件系统，最大支持 16 GB 的 TF 卡；具备串口控制模式；广播语插播功能，可以暂停正在播放的背景音乐；音频数据按文件夹排序，最多支持 255 个文件夹，每个文件夹可以分配 500 首歌曲；30级音量可调，5 级 EQ 可调；可以通过单片机串口进行控制播放指定的音乐；具备循环播放、单曲不循环、随机等多种播放模式。

2.3 语音照明功能

声控灯是一种声控电子照明装置，由音频放大器、选频电路、延时开启电路和可控硅电路组成。它提供了一种操作简便、灵活、抗干扰能力强，控制灵敏的声控灯，它采用人嘴发出约 1 s 的控制信号“嘶”声，即可方便及时地打开和关闭声控照明装置。声控灯一般应用于公共场合，在家庭生活方面，我们希望能够实现长时间的照明。我们仿照声控灯的原理，在声控的基础上进行改进创新，利用 LD3320 语音识别模块，代替传统的机械开关，通过口令“开”与“关”实现灯的开关。

本作品的照明系统，基于 LD3320 语音识别模块、继电器、LED 灯来实现。通过 LD3320 语音识别模块来识别“开”与“关”口令，同时继电器实现关与开，最终实现 LED 灯的亮与灭。结合智能护理机器人与声控灯原理设置的照明系统，不仅能够节省家庭空间，而且主人开关灯更加方便。具体判断流程见图 4，单个继电器模块原理如图 5。

对改进后的照明系统进行实验，我们实现了照明系统的语音控制，照明效果取得了理想的效果。 

2.4 人机对话功能

智能护理机器人的人机对话可以实现主人与智能护理机器人的对话，实现智能护理机器人的智能化，增加智能护理机器人的娱乐效果。

我们在歌曲播放功能的基础上，通过播放录制好的语音音频，来实现简单的人机对话。通过智能护理机器人的人机对话功能，能够实现简单的自己介绍。主人发布口令，智能护理机器人播放对应口令的录制语音。人机对话的机制与前面的歌曲播放功能的机制基本相同。

2.5 运动控制功能

智能护理机器人的运动控制通过四个电机来实现，通过 LD3320 模块的语音识别，控制其前进、后退、左转、右转、停转以及轮子的转速。智能护理机器人的左右运动，我们采用差速的方式实现。当实现右转时，调节输出的 PWM 的占空比，左轮速度大于右轮速度，实现右转，左转反之。

电机在直流 12 V 时最高空载转速 4 800 转/min，空载电流 180 mA，运转时候外加阻力，电流升到 2 A 左右。电机有 8 个引脚，每个引脚对应的定义为：红色：电机驱动电源正极 DC 9～12 V；黑色：电源负极；黄色：刹车，短接电源负极刹车；白色：外接 PWM 信号调速，最低频率 330 Hz，推荐 20～30 kHz；绿色：正反转控制，低电平反转；蓝色：空脚；咖啡色:输出方波信号，随着转速的变化而变化；橙色：空脚。

2.6 防火功能

智能护理机器人通过结合 MQ-2 烟雾气敏传感器与 SIM900A 模块，来构建防火系统。当 MQ-2 烟雾气敏模块检测到着火源产生的烟雾时，蜂鸣器拉响警报，同时通过 SIM900A 先向主人打一遍电话，然后发一遍短信，提醒主人家里发生火灾。这样不仅能够减少经济损失，而且还能够及时对火灾做出处理，保证生命安全。

SIM900A 模块（图 6）板载 SIMCOM 公司的工业级双频 GSM/GPRS 模块，工作频段双频 900/1 800 MHz，可以低功耗实现语音、SMS（短信，彩信）、数据和传真信息的传输。ATK-SIM900A所有的控制与数据，都是通过串口来传输的，我们通过单片机的串口 3 与模块实现通信。烟雾气敏传感器如图 7。

利用打火机替代火源，进行防火效果检测。对准MQ-2 烟雾气敏模块，打着打火机，持续几秒，系统检测到火源，警报拉响，主人手机收到了火灾发生的短信。

2.7 自动开盖功能

智能护理机器人的自动开盖控制通过舵机实现。系统通过人体感应模块（图 8）感应人体，来控制舵机，实现桶盖的自动打开与关闭。当系统感应到人体时，舵机旋转一定角度，打开桶盖。当系统检测不到人体时，舵机复位，关闭桶盖。

HC-SR501 是基于红外线技术的自动控制模块，采用德国原装进口 LHI778 探头设计，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式，广泛应用于各类自动感应电器设备。同时，人体感应模块感应人体的距离可以通过电位器调节。我们通过多次调节实验，实现人体靠近智能护理机器人一米内时自动打开桶盖，减小误检的概率。

感应模块采用双元探头，探头的窗口为长方形，双元（A/B 元）位于较长方向的两端，当人体从左到右或从右到左走过时,红外光谱到达双元的时间、距离有差值，差值越大，感应越灵敏，当人体从正面走向探头或从上到下或从下到上方向走过时，双元检测不到红外光谱距离的变化，无差值，因此感应不灵敏或不工作；所以安装感应器时应使探头双元的方向与人体活动最多的方向尽量相平行，保证人体经过时先后被探头双元所感应。

本作品的桶盖通过两个舵机来控制，防止一个舵机产生的力不足支撑桶盖。我们通过单片机产生的 PWM 控制舵机的转角。在感应到人体与感应不到人体时，产生不同的 PWM 控制舵机旋转，舵机不同的转角对应的 PWM 的占空比。 

3  结语 

在完成各个功能的拓展后，我们对作品进行了整体的系统机构优化，提高产品的兼容性，稳定性，安全性，使其能够稳定高效安全的工作。相信我们的物联网作品“智能护理机器人”将进入千家万户，为人们的生活起居服务。