呂威　高飛燕

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

關(guān)鍵詞：語音識別；協(xié)助監(jiān)護；無線通信；LEACH；PAGESIS

引言

隨著高齡人口比例的增加，我國正逐漸步入老年化社會，而迫于現(xiàn)代社會快速步伐的壓力，越來越多的獨生子女選擇長期異地工作并生活，導(dǎo)致大量老年人無人照顧。此外，許多老年人因為缺乏站立能力而長期被困在椅子上。許多老年人選擇住入養(yǎng)老院，然而養(yǎng)老院護工的精力和人手有限，可能無法及時知道哪位老人有需求。文章主要采用語音識別和無線通信技術(shù)，設(shè)計了一款協(xié)助護工的安樂椅系統(tǒng)，使老年人可以通過語音呼叫護工，而護工能及時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

工作原理：

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

2 硬件電路設(shè)計

本硬件電路主要包括主控器、語音識別單元、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時的工作電流僅為36mA，待機時為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、高性能和實時性強的優(yōu)點[1]。

2.2 語音識別單元

語音識別技術(shù)的分類主要有兩種：特定識別和非特定識別。這一分類的主要依據(jù)是識別對象的不同[2]。本系統(tǒng)識別對象為老年人這一大眾群體，故采用非特定語音識別技術(shù)。這里采用外圍擴展語音識別芯片來實現(xiàn)語音識別的功能。采用外擴語音識別芯片只需要處理好語音識別芯片和微處理器的接口連接，結(jié)構(gòu)簡單可靠，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。語音識別芯片選用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），識別準(zhǔn)確率可達到95%，可以很好地完成非特定人的語音識別任務(wù)。

2.3 無線通訊單元

目前市場上常用的無線通訊方式有wifi、紅外、藍牙、Zigbee、射頻等技術(shù)。經(jīng)過比較，射頻技術(shù)開發(fā)簡單，容性好、耗能低、電路簡單、數(shù)據(jù)安全性高、價格低廉，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)傳輸速率能達到2Mb/s，內(nèi)置SPI接口，開發(fā)簡單；配置有自動重發(fā)功能、地址和CRC校驗的功能[3]。

3 軟件程序設(shè)計

3.1 語音識別單元程序設(shè)計

語音識別單元的程序設(shè)計主要分為語音的訓(xùn)練和識別兩部分。語音的訓(xùn)練是將預(yù)先設(shè)定好的指令存儲在語音識別芯片的FLASH中。為了提高語音識別的準(zhǔn)確率，可以在識別庫里面對同一功能的指令設(shè)置多條語音特征相似的指令，如指令“起來”，可以設(shè)置“qilai”，“qilaia”等，另一方面，為了進一步降低誤識別率，還可以添加一些“垃圾關(guān)鍵詞”用來吸收錯誤識別。

語音識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。在開始識別后，如果寄存器B2H的值為21H，就說明有識別結(jié)果產(chǎn)生，無論是否是正常結(jié)果，都會產(chǎn)生一個中斷信號。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

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是目前社會上最前沿的技術(shù)之一[4]，它主要由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)電、簇頭節(jié)點以及控制端口組成。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，具有很好的擴展性；分層路由只需簇頭節(jié)點維持路由表項信息，相對于平面路由優(yōu)化了傳輸路徑，可以達到降低功耗、延長網(wǎng)絡(luò)生存時間的效果。本設(shè)計結(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)點集合成為一個虛擬簇，每個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幾點最近的鏈?zhǔn)棕?fù)責(zé)與Sink節(jié)點通訊。Sink節(jié)點通過以太網(wǎng)接口與PC機連接，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傳遞給護工端，這樣就實現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)老年人端向護工端發(fā)送請求的功能。

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多了一個確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?，因而?shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃愿?。為了提高?shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，這里采用Enhanced ShockBurstTM模式。

4 結(jié)束語

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

參考文獻

[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.可識別非特定人語音指令的家電遙控器設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013（2）：52-55.

[3]唐明霞.獨居老人無線監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計[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[D].河北大學(xué)，2007.

作者簡介：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。