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

一、項目概述

1.1 引言

目前，全世界60歲以上的老年人口已達到6億左右，人口老齡化已成為世界范圍的重大社會(huì )問(wèn)題。我國60歲及以上老年人口已達1.32億，占全國總人口的10％，并以年均3.32%的速度持續增長(cháng)。預計到2015年，60歲以上的人口將超過(guò)2億，約占總人口的14％，其中老年病患者約有50％需要護理服務(wù)。此外，我國還有各類(lèi)殘疾人約6千萬(wàn)，約占我國總人口的5％。因此，我國合計需要進(jìn)行護理的人口大約為1億人。人口的加速老齡化使醫療和社會(huì )保險系統面臨著(zhù)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人員的家庭，占全國家庭總戶(hù)數的1/10，約3577萬(wàn)左右。各類(lèi)殘疾人和長(cháng)期臥床老年人的大量存在，使得助老助殘問(wèn)題正日益成為一個(gè)重大的社會(huì )問(wèn)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(kāi)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、室內起居生活方面的服務(wù)，已經(jīng)成為全社會(huì )共同關(guān)注的問(wèn)題。

1.2 項目背景/選題動(dòng)機

目前，我國存在肢體障礙的老年人和殘疾人超過(guò)3000萬(wàn)，行動(dòng)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。當前的家用電器絕大部分不支持語(yǔ)音識別功能。電器的開(kāi)關(guān)通常是由按鈕或遙控器實(shí)現。在實(shí)現控制前還必須找到被控設備（如按鍵，被遙控對象等）的精確位置或方向，這對使用者行動(dòng)不便時(shí)是非常麻煩的。

因此對助老助殘系統的開(kāi)發(fā)具有重要的現實(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(huì )的和諧、穩定、發(fā)展具有重要作用。

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

二、需求分析

2.1 功能要求

1. 通過(guò)語(yǔ)音控制可以有效地控制輪椅自由行走；

2. 實(shí)現家庭中家電的自動(dòng)控制；

3. 實(shí)現門(mén)禁系統的控制；

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

2.2 性能要求

1. 本系統使用語(yǔ)音來(lái)發(fā)布相關(guān)的控制命令以及報警命令；

2. 家用電器及其外圍設備均采用仿真功能實(shí)現；

3. 使用四輪車(chē)模代替輪椅實(shí)現前后左右自由移動(dòng)；

4. 電燈代替家電開(kāi)關(guān)量，實(shí)現家用電器的開(kāi)關(guān)控制；

5. 使用直流電動(dòng)機仿真門(mén)禁的自動(dòng)開(kāi)關(guān)功能；

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

7. 通過(guò)GPRS實(shí)現手機撥號和短信報警功能（視能力情況而定）。

三、方案設計

3.1 系統功能實(shí)現原理

基于A(yíng)VR的語(yǔ)音識別助老助殘室內行走服務(wù)系統總體設計方案如圖1所示。語(yǔ)音信號通過(guò)開(kāi)發(fā)板上的麥克被語(yǔ)音處理模塊采集，然后送入AVR處理器進(jìn)行識別。AVR微處理器根據識別的結果，分析判斷出該語(yǔ)音的指令類(lèi)型，根據指令要求完成相應的操作。由AVR微處理器通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊把相關(guān)的操作發(fā)送到相應的執行裝置如門(mén)禁裝置，輪椅驅動(dòng)裝置等，接受命令并完成相應的動(dòng)作；系統通過(guò)攝像頭，可以對室外情況進(jìn)行監控，并將視頻信息傳送到LCD顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，使用者根據來(lái)訪(fǎng)者身份決定是否打開(kāi)門(mén)禁系統；通過(guò)語(yǔ)音實(shí)現手機的自動(dòng)撥號，并利用手機進(jìn)行通話(huà)和求助。

圖1 系統的總體框圖

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A(yíng)VR32 AT32UC3A單片機控制器的EVK1100開(kāi)發(fā)系統。具體資源配置如下：

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

3. 單片機的串行通信接口用于語(yǔ)音模塊、無(wú)線(xiàn)控制模塊的通信；

4. 單片機的PWM用于控制輪椅的轉向和控速；

5. 以太網(wǎng)端口用于監控器的視頻輸入；

6. 開(kāi)發(fā)系統的傳感器（光照、溫度）用于人性化提示和控制家用電器、天氣預報等功能；

7. 4x20藍色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系統軟件架構

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

3.4 系統軟件流程

1. 主程序設計

圖2 主程序流程圖

在主程序中，采取模塊化設計完成特定人語(yǔ)音的訓練與存儲，訓練成功后進(jìn)行語(yǔ)音識別，根據識別的命令執行相關(guān)的操作，如圖2所示。

2. 語(yǔ)音識別軟件設計

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

圖3 語(yǔ)音識別基本流程圖

3. 串口通信部分軟件設計

當語(yǔ)音控制輪椅或家電時(shí)，系統根據識別出的控制語(yǔ)句種類(lèi)，通過(guò)串口向主控板發(fā)出不同指令，以實(shí)現各種控制功能。系統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. 紅外遙控程序設計

紅外遙控信號是一連串的二進(jìn)制脈沖碼。為了使其在無(wú)線(xiàn)傳輸過(guò)程中免受其它紅外信號的干擾,通常都是先將其調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(xiàn)接收裝置則會(huì )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。紅外程序設計流程如圖5所示。

圖5 紅外程序設計流程圖

3.5 系統預計實(shí)現結果

通過(guò)努力，我們真誠的希望能夠達到預期的各種功能，具體的功能均能實(shí)現并能有時(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，最好能夠有公司投資做出產(chǎn)品。