給弱勢群體的一份關(guān)愛，語音識別助老助殘服務(wù)系統(tǒng)的完整解決方案

一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

目前，全世界60歲以上的老年人口已達(dá)到6億左右，人口老齡化已成為世界范圍的重大社會問題。我國60歲及以上老年人口已達(dá)1.32億，占全國總?cè)丝诘?0％，并以年均3.32%的速度持續(xù)增長。預(yù)計(jì)到2015年，60歲以上的人口將超過2億，約占總?cè)丝诘?4％，其中老年病患者約有50％需要護(hù)理服務(wù)。此外，我國還有各類殘疾人約6千萬，約占我國總?cè)丝诘?％。因此，我國合計(jì)需要進(jìn)行護(hù)理的人口大約為1億人。人口的加速老齡化使醫(yī)療和社會保險(xiǎn)系統(tǒng)面臨著前所未有的壓力。在我國的13億人口中，家庭約3～4億，有功能障礙者或需看護(hù)人員的家庭，占全國家庭總戶數(shù)的1/10，約3577萬左右。各類殘疾人和長期臥床老年人的大量存在，使得助老助殘問題正日益成為一個(gè)重大的社會問題。提高老年人和殘疾人的生活質(zhì)量及生活自理能力，研制開發(fā)助老助殘服務(wù)產(chǎn)品，為老年人和殘疾人提供諸如行走、室內(nèi)起居生活方面的服務(wù)，已經(jīng)成為全社會共同關(guān)注的問題。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動機(jī)

目前，我國存在肢體障礙的老年人和殘疾人超過3000萬，行動不便的老人或殘疾人在行走時(shí)，需要借助人力或者器械，例如輪椅。當(dāng)前的家用電器絕大部分不支持語音識別功能。電器的開關(guān)通常是由按鈕或遙控器實(shí)現(xiàn)。在實(shí)現(xiàn)控制前還必須找到被控設(shè)備（如按鍵，被遙控對象等）的精確位置或方向，這對使用者行動不便時(shí)是非常麻煩的。

因此對助老助殘系統(tǒng)的開發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，對于提高老年人和殘疾人的生活質(zhì)量，保證我國社會的和諧、穩(wěn)定、發(fā)展具有重要作用。

為了積極開展大學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)踐活動，更是為了在校學(xué)生對AVR單片機(jī)的學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)，故選擇此題用于研究AVR單片機(jī)。

二、需求分析

2.1 功能要求

1. 通過語音控制可以有效地控制輪椅自由行走；

2. 實(shí)現(xiàn)家庭中家電的自動控制；

3. 實(shí)現(xiàn)門禁系統(tǒng)的控制；

4. 根據(jù)知識掌握的程度有選擇的實(shí)現(xiàn)對家庭安全信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和發(fā)布。

2.2 性能要求

1. 本系統(tǒng)使用語音來發(fā)布相關(guān)的控制命令以及報(bào)警命令；

2. 家用電器及其外圍設(shè)備均采用仿真功能實(shí)現(xiàn)；

3. 使用四輪車模代替輪椅實(shí)現(xiàn)前后左右自由移動；

4. 電燈代替家電開關(guān)量，實(shí)現(xiàn)家用電器的開關(guān)控制；

5. 使用直流電動機(jī)仿真門禁的自動開關(guān)功能；

6. 使用AVR單片機(jī)的定時(shí)器軟件模擬遙控器實(shí)現(xiàn)家用電器的遙控功能；

7. 通過GPRS實(shí)現(xiàn)手機(jī)撥號和短信報(bào)警功能（視能力情況而定）。

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

基于AVR的語音識別助老助殘室內(nèi)行走服務(wù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。語音信號通過開發(fā)板上的麥克被語音處理模塊采集，然后送入AVR處理器進(jìn)行識別。AVR微處理器根據(jù)識別的結(jié)果，分析判斷出該語音的指令類型，根據(jù)指令要求完成相應(yīng)的操作。由AVR微處理器通過無線模塊把相關(guān)的操作發(fā)送到相應(yīng)的執(zhí)行裝置如門禁裝置，輪椅驅(qū)動裝置等，接受命令并完成相應(yīng)的動作；系統(tǒng)通過攝像頭，可以對室外情況進(jìn)行監(jiān)控，并將視頻信息傳送到LCD顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，使用者根據(jù)來訪者身份決定是否打開門禁系統(tǒng)；通過語音實(shí)現(xiàn)手機(jī)的自動撥號，并利用手機(jī)進(jìn)行通話和求助。

圖1 系統(tǒng)的總體框圖

3.2 硬件平臺選用及資源配置

1. 硬件平臺選用一個(gè)基于AVR32 AT32UC3A單片機(jī)控制器的EVK1100開發(fā)系統(tǒng)。具體資源配置如下：

2. AT32UC3A單片機(jī)的基本輸入輸出口用于控制開關(guān)量；

3. 單片機(jī)的串行通信接口用于語音模塊、無線控制模塊的通信；

4. 單片機(jī)的PWM用于控制輪椅的轉(zhuǎn)向和控速；

5. 以太網(wǎng)端口用于監(jiān)控器的視頻輸入；

6. 開發(fā)系統(tǒng)的傳感器（光照、溫度）用于人性化提示和控制家用電器、天氣預(yù)報(bào)等功能；

7. 4x20藍(lán)色LCD（PWM變頻背光）用于顯示控制信息及其相關(guān)的狀態(tài)。

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

系統(tǒng)軟件環(huán)境采用ATMEL公司提供的官方開發(fā)工具AVR Studio 5，程序主要使用C語言進(jìn)行編程。

3.4 系統(tǒng)軟件流程

1. 主程序設(shè)計(jì)

圖2 主程序流程圖

在主程序中，采取模塊化設(shè)計(jì)完成特定人語音的訓(xùn)練與存儲，訓(xùn)練成功后進(jìn)行語音識別，根據(jù)識別的命令執(zhí)行相關(guān)的操作，如圖2所示。

2. 語音識別軟件設(shè)計(jì)

語音識別方法就是將語音信號進(jìn)行預(yù)處理和特征提取后建立模板庫，根據(jù)語音特征將待識別語音信號與模板庫進(jìn)行匹配，根據(jù)匹配距離來進(jìn)行語音識別。語音識別的基本流程如圖3所示。

圖3 語音識別基本流程圖

3. 串口通信部分軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)語音控制輪椅或家電時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)識別出的控制語句種類，通過串口向主控板發(fā)出不同指令，以實(shí)現(xiàn)各種控制功能。系統(tǒng)串口通訊程序的流程圖如圖4所示。

圖4 串口通信流程圖

4. 紅外遙控程序設(shè)計(jì)

紅外遙控信號是一連串的二進(jìn)制脈沖碼。為了使其在無線傳輸過程中免受其它紅外信號的干擾,通常都是先將其調(diào)制在特定的載波頻率上,然后再經(jīng)紅外發(fā)光二極管發(fā)射出去，紅外線接收裝置則會濾除其他雜波只接收該特定頻率的信號并將其還原成二進(jìn)制脈沖碼，也就是解調(diào)。紅外程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 紅外程序設(shè)計(jì)流程圖

3.5 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

通過努力，我們真誠的希望能夠達(dá)到預(yù)期的各種功能，具體的功能均能實(shí)現(xiàn)并能有時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，期望到時(shí)真正的產(chǎn)品一臺極具仿真意義的樣機(jī)，最好能夠有公司投資做出產(chǎn)品。