智能家居環(huán)境檢測機(jī)器人的設(shè)計(jì)

馬 杰，莊旭菲，呂玉偉

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080）

傳統(tǒng)的家居產(chǎn)品功能單一、自動(dòng)化程度低等，無法滿足現(xiàn)代人對(duì)家居產(chǎn)品個(gè)性化和智能化的需要。因此，給傳統(tǒng)家居產(chǎn)品注入智能化新元素，在傳統(tǒng)的家居產(chǎn)品中設(shè)計(jì)融入網(wǎng)絡(luò)與智能技術(shù)成為一種發(fā)展趨勢。為了實(shí)現(xiàn)用戶使用一套設(shè)備在多個(gè)房間內(nèi)開展環(huán)境檢測任務(wù)，并能夠?yàn)橛脩籼岢鲇行У念A(yù)警，本文設(shè)計(jì)了一款以機(jī)器人為載體的智能家居環(huán)境檢測設(shè)備。智能家居環(huán)境檢測機(jī)器人具有移動(dòng)和智能家居的共同特點(diǎn)，用戶可以通過語音命令接口操作設(shè)備[1]，通過遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控實(shí)時(shí)了解家庭環(huán)境狀況；同時(shí)，機(jī)器人對(duì)家庭煙霧環(huán)境進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，在危險(xiǎn)的情況下，會(huì)對(duì)用戶提出報(bào)警提示。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)家居環(huán)境檢測機(jī)器人的主要目的是在不需要人為搬動(dòng)設(shè)備的情況下，用戶使用一套設(shè)備實(shí)現(xiàn)家庭中多個(gè)房間環(huán)境數(shù)據(jù)的檢測任務(wù)，家居環(huán)境檢測機(jī)器人的典型應(yīng)用場景如圖1所示。家居環(huán)境檢測機(jī)器人應(yīng)具有移動(dòng)和環(huán)境檢測的特點(diǎn)，因此，為了提高機(jī)器人的交互性，加入了語音控制功能；為讓用戶遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)掌握家庭環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)，加入了網(wǎng)絡(luò)控制功能。

圖1 家居環(huán)境檢測機(jī)器人的應(yīng)用場景

1.1 硬件總體設(shè)計(jì)

家居環(huán)境檢測機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)中，采用了基于功能的模塊化設(shè)計(jì)方法，將其劃分為控制中心模塊、環(huán)境檢測模塊、移動(dòng)避障模塊、語音命令識(shí)別模塊、顯示輸出模塊、存儲(chǔ)器模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊。

控制中心模塊采用基于ARM Cortex-A53內(nèi)核的樹莓派rasperry3B+，環(huán)境檢測模塊通過DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器采集室內(nèi)實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到本地SQLite數(shù)據(jù)庫中，蜂鳴器實(shí)現(xiàn)警示預(yù)警功能。語音命令識(shí)別模塊采用UDA1341高品質(zhì)音頻解碼芯片，實(shí)現(xiàn)錄音、放音、線路輸入功能，LD3320非特定人語音交互識(shí)別模識(shí)別語音命令。移動(dòng)避障模塊中紅外傳感器，舵機(jī)和履帶共同實(shí)現(xiàn)機(jī)器人道路檢測，規(guī)避前方障礙物的功能。顯示輸出模塊通過USB接口連接攝像頭采集室內(nèi)實(shí)時(shí)圖像，LCD液晶顯示屏展示數(shù)據(jù)采集結(jié)果和語音命令識(shí)別結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)接口通過家庭局域網(wǎng)與Internet相連。

1.2 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能家居環(huán)境檢測機(jī)器人軟件運(yùn)行在基于Linux的嵌入式系統(tǒng)之上，軟件架構(gòu)劃分為系統(tǒng)層和應(yīng)用層，其中，系統(tǒng)層包括U-BOOT、嵌入式Linux，yaffs文件系統(tǒng)；應(yīng)用層包括SQLite嵌入式數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用程序等各個(gè)功能模塊。

2 核心功能設(shè)計(jì)

2.1 移動(dòng)避障功能

設(shè)計(jì)采用紅外線傳感器實(shí)現(xiàn)移動(dòng)感知和避障功能。紅外線被發(fā)射出去后，若遇到避障物，會(huì)反射回信息，紅外線接收管對(duì)接收到的反射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)。紅外線被HS0038A2型紅外接收頭接收，經(jīng)過自動(dòng)增益控制、帶通濾波器和解調(diào)電路等，在OUT處輸出調(diào)制信號(hào)，若為低電平，則引起中斷。遇障礙物時(shí)，利用中斷系統(tǒng)控制舵機(jī)，使機(jī)器人轉(zhuǎn)彎，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人避障功能。

2.2 語音識(shí)別功能

本設(shè)計(jì)使用語音識(shí)別功能，實(shí)現(xiàn)用戶語音命令控制機(jī)器人操作取代手控操作的工作模式，設(shè)計(jì)了3個(gè)關(guān)鍵詞語“jian ce”“jian kong”“cha kan”及關(guān)鍵詞語對(duì)應(yīng)的程序調(diào)用語句，如表1所示。

表1 語音命令表

LD3320芯片檢測到用戶語音輸入一段文字后，送入芯片內(nèi)的語音識(shí)別器進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別與列表中相似度最高的作為其識(shí)別結(jié)果、若有識(shí)別結(jié)果，則向系統(tǒng)發(fā)出中斷申請(qǐng)，中斷會(huì)讀取出識(shí)別結(jié)果，調(diào)用已經(jīng)設(shè)計(jì)好的指令，使機(jī)器人完成開啟環(huán)境檢測功能、室內(nèi)巡航監(jiān)控、查看設(shè)備信息3項(xiàng)任務(wù)。

2.3 室內(nèi)環(huán)境檢測與預(yù)警功能

室內(nèi)環(huán)境檢測可以幫助用戶及時(shí)、全面地了解室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)安防預(yù)警功能。測量溫度、濕度和可燃性氣體濃度3個(gè)數(shù)據(jù)。使用DHT11傳感器，含已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度傳感器；家庭環(huán)境中均會(huì)含有液化氣、煙霧、甲烷等可燃?xì)怏w；MQ-2型煙霧傳感器對(duì)天然氣、液化石油氣等煙霧有極高的靈敏度，尤其對(duì)烷類煙霧更為敏感，還具有良好的抗干擾能力，能準(zhǔn)確排除有刺激性的非可燃性煙霧的干擾信息，預(yù)防火災(zāi)發(fā)生。室內(nèi)環(huán)境檢測與預(yù)警功能使用了煙霧預(yù)警算法。具體煙霧預(yù)警算法如表2所示。

表2 煙霧預(yù)警算法

3 結(jié)語

將語音命令識(shí)別技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、紅外移動(dòng)避障技術(shù)、嵌入式Linux平臺(tái)結(jié)合起來，可以完成智能家居機(jī)器人對(duì)用戶的智能語音命令識(shí)別、多個(gè)環(huán)境數(shù)據(jù)采集任務(wù)，并滿足復(fù)雜的控制要求，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程家居監(jiān)控預(yù)警。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，本文所述的智能家居環(huán)境檢測機(jī)器人完成了數(shù)據(jù)采集、安防預(yù)警等任務(wù)。