呂威　高飛燕

摘 要：以STM32為主控器，結(jié)合語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)和無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款以解決老年人缺乏生活自理能力、養(yǎng)老院護(hù)工短缺等問題為目的的無線協(xié)助監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。文章首先對(duì)語(yǔ)音識(shí)別協(xié)助監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的整體方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，然后分別對(duì)語(yǔ)音識(shí)別模塊和無線通信模塊的軟硬件等方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并結(jié)合平面路由協(xié)議LEACH和分層路由協(xié)議PEGASIS，將整個(gè)養(yǎng)老院組成一個(gè)局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)老年人端與護(hù)工端的實(shí)時(shí)通訊。

關(guān)鍵詞：語(yǔ)音識(shí)別；協(xié)助監(jiān)護(hù)；無線通信；LEACH；PAGESIS

引言

隨著高齡人口比例的增加，我國(guó)正逐漸步入老年化社會(huì)，而迫于現(xiàn)代社會(huì)快速步伐的壓力，越來越多的獨(dú)生子女選擇長(zhǎng)期異地工作并生活，導(dǎo)致大量老年人無人照顧。此外，許多老年人因?yàn)槿狈φ玖⒛芰ΧL(zhǎng)期被困在椅子上。許多老年人選擇住入養(yǎng)老院，然而養(yǎng)老院護(hù)工的精力和人手有限，可能無法及時(shí)知道哪位老人有需求。文章主要采用語(yǔ)音識(shí)別和無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款協(xié)助護(hù)工的安樂椅系統(tǒng)，使老年人可以通過語(yǔ)音呼叫護(hù)工，而護(hù)工能及時(shí)分辨出哪位老年人需要何種幫助，給解決這一問題提供了一種思路。

1 整體方案設(shè)計(jì)

工作原理：

本系統(tǒng)利用了語(yǔ)音識(shí)別芯片LD3320可以進(jìn)行語(yǔ)音訓(xùn)練、存儲(chǔ)和識(shí)別的功能。預(yù)先設(shè)置指令模板并存儲(chǔ)在語(yǔ)音識(shí)別芯片的FLASH中。識(shí)別時(shí)，使用者發(fā)出語(yǔ)音指令，語(yǔ)音識(shí)別芯片會(huì)提取出指令的特征信息并形成臨時(shí)的模板，然后將臨時(shí)模板與之前訓(xùn)練的模板對(duì)比，其中匹配最相似的訓(xùn)練模板將作為識(shí)別的結(jié)果發(fā)給主控器。主控器將根據(jù)預(yù)存的遙控信號(hào)，通過無線射頻模塊將語(yǔ)音指令發(fā)送出去，實(shí)現(xiàn)無線語(yǔ)音呼叫的功能。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本硬件電路主要包括主控器、語(yǔ)音識(shí)別單元、無線通信單元等。

2.1 主控制器單元

本系統(tǒng)的核心控制芯片采用的是意法半導(dǎo)體公司的32位微控制器STM32F103ZET6。該主控器使用了ARM公司的Cortex-M3內(nèi)核，其工作在最高頻率72MHz時(shí)的工作電流僅為36mA，待機(jī)時(shí)為2mA，確保了低功耗要求。內(nèi)置64KB的SRAM、512KB的Flash，具有豐富的增強(qiáng)I/O端口，以及聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)，具有低功耗、高性能和實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[1]。

2.2 語(yǔ)音識(shí)別單元

語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的分類主要有兩種：特定識(shí)別和非特定識(shí)別。這一分類的主要依據(jù)是識(shí)別對(duì)象的不同[2]。本系統(tǒng)識(shí)別對(duì)象為老年人這一大眾群體，故采用非特定語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)。這里采用外圍擴(kuò)展語(yǔ)音識(shí)別芯片來實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別的功能。采用外擴(kuò)語(yǔ)音識(shí)別芯片只需要處理好語(yǔ)音識(shí)別芯片和微處理器的接口連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，并且極大的降低了微處理器的負(fù)擔(dān)，易于開發(fā)與調(diào)試。語(yǔ)音識(shí)別芯片選用ICRoute公司的LD3320，該芯片內(nèi)部集成特有的快速而穩(wěn)定的優(yōu)化算法，無需任何外接輔助芯片（如Flash、RAM、AD芯片等），識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)到95%，可以很好地完成非特定人的語(yǔ)音識(shí)別任務(wù)。

2.3 無線通訊單元

目前市場(chǎng)上常用的無線通訊方式有wifi、紅外、藍(lán)牙、Zigbee、射頻等技術(shù)。經(jīng)過比較，射頻技術(shù)開發(fā)簡(jiǎn)單，容性好、耗能低、電路簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)安全性高、價(jià)格低廉，因而選用射頻通訊技術(shù)。這里射頻模塊采用的是nRF24L01無線射頻模塊。nRF24L01是一款工作在2.4～2.5GHz的世界通用ISM頻段的集無線收發(fā)為一體的芯片。它工作時(shí)的工作電流極低，并且具有掉電模式和空閑模式等多種低功率工作模式；其最高的數(shù)據(jù)傳輸速率能達(dá)到2Mb/s，內(nèi)置SPI接口，開發(fā)簡(jiǎn)單；配置有自動(dòng)重發(fā)功能、地址和CRC校驗(yàn)的功能[3]。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 語(yǔ)音識(shí)別單元程序設(shè)計(jì)

語(yǔ)音識(shí)別單元的程序設(shè)計(jì)主要分為語(yǔ)音的訓(xùn)練和識(shí)別兩部分。語(yǔ)音的訓(xùn)練是將預(yù)先設(shè)定好的指令存儲(chǔ)在語(yǔ)音識(shí)別芯片的FLASH中。為了提高語(yǔ)音識(shí)別的準(zhǔn)確率，可以在識(shí)別庫(kù)里面對(duì)同一功能的指令設(shè)置多條語(yǔ)音特征相似的指令，如指令“起來”，可以設(shè)置“qilai”，“qilaia”等，另一方面，為了進(jìn)一步降低誤識(shí)別率，還可以添加一些“垃圾關(guān)鍵詞”用來吸收錯(cuò)誤識(shí)別。

語(yǔ)音識(shí)別的處理可以通過中斷和查詢兩種方式工作。為了節(jié)省系統(tǒng)資源，本系統(tǒng)采用中斷方式。在開始識(shí)別后，如果寄存器B2H的值為21H，就說明有識(shí)別結(jié)果產(chǎn)生，無論是否是正常結(jié)果，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)。而中斷程序要根據(jù)寄存器的值分析結(jié)果，由C5寄存器的值可知道最可能的答案。

3.2 無線通信單元程序設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是目前社會(huì)上最前沿的技術(shù)之一[4]，它主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)電、簇頭節(jié)點(diǎn)以及控制端口組成。其路由協(xié)議主要分為平面路由協(xié)議和分層路由協(xié)議。平面路由協(xié)議的節(jié)電低位平等，具有很好的擴(kuò)展性；分層路由只需簇頭節(jié)點(diǎn)維持路由表項(xiàng)信息，相對(duì)于平面路由優(yōu)化了傳輸路徑，可以達(dá)到降低功耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的效果。本設(shè)計(jì)結(jié)合了平面路由協(xié)議LEACH和分層路由協(xié)議PEGASIS，將每一層的節(jié)點(diǎn)集合成為一個(gè)虛擬簇，每個(gè)虛擬簇按照一定的算法選擇簇首，所有的簇首按照地理位置關(guān)系連接成一條數(shù)據(jù)傳輸鏈，距離Sink幾點(diǎn)最近的鏈?zhǔn)棕?fù)責(zé)與Sink節(jié)點(diǎn)通訊。Sink節(jié)點(diǎn)通過以太網(wǎng)接口與PC機(jī)連接，將信息上傳至集中控制中心；集中控制中心再將信息通過wifi傳遞給護(hù)工端，這樣就實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)老年人端向護(hù)工端發(fā)送請(qǐng)求的功能。

nRF24L01有兩種收發(fā)模式：ShockBurst TM收發(fā)模式和Enhanced ShockBurst TM收發(fā)模式。其中，Enhanced ShockBurst TM模式比ShockBurst TM多了一個(gè)確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?hào)，因而數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃愿?。為了提高?shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕@里采用Enhanced ShockBurstTM模式。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)主要利用了語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)和無線射頻通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于語(yǔ)音識(shí)別的無線呼叫功能，為協(xié)助養(yǎng)老院的護(hù)工照顧老年人提供了一種思路。經(jīng)測(cè)試，測(cè)試距離越大，識(shí)別率越低，這主要是由于語(yǔ)音識(shí)別模塊輸入信號(hào)參雜的噪聲和無線通信模塊通信距離的影響，這點(diǎn)有待改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1]范書瑞.Cortex-M3嵌入式處理器原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[2]劉軍傳，張玉茹，溫凱.可識(shí)別非特定人語(yǔ)音指令的家電遙控器設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013（2）：52-55.

[3]唐明霞.獨(dú)居老人無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].哈爾濱理工大學(xué)，2007.

[4]朱桂峰.基于nRF24L01的無線傳感局域網(wǎng)絡(luò)的研究與設(shè)計(jì)[D].河北大學(xué)，2007.

作者簡(jiǎn)介：呂威（1989-），男，在讀碩士研究生，主要研究方向：自適應(yīng)控制。

高飛燕（1968-），女，碩士，副教授，主要研究方向：智能控制。