給弱勢群體的一份關愛，語音識別助老助殘服務系統(tǒng)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問題。我國60歲及以上老年人口已達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。預計到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％需要護理服務。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，我國合計需要進行護理的人口大約為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，已經(jīng)成為全社會共同關注的問題。

1.2 項目背景/選題動機

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，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音識別功能。電器的開關通常是由按鈕或遙控器實現(xiàn)。在實現(xiàn)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，這對使用者行動不便時是非常麻煩的。

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。

為了積極開展大學生科技創(chuàng)新實踐活動，更是為了在校學生對AVR單片機的學習能力培養(yǎng)，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. 通過語音控制可以有效地控制輪椅自由行走；

2. 實現(xiàn)家庭中家電的自動控制；

3. 實現(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現(xiàn)對家庭安全信息進行實時監(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現(xiàn)；

3. 使用四輪車模代替輪椅實現(xiàn)前后左右自由移動；

4. 電燈代替家電開關量，實現(xiàn)家用電器的開關控制；

5. 使用直流電動機仿真門禁的自動開關功能；

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

7. 通過GPRS實現(xiàn)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(tǒng)功能實現(xiàn)原理

基于AVR的語音識別助老助殘室內(nèi)行走服務系統(tǒng)總體設計方案如圖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)指令要求完成相應的操作。由AVR微處理器通過無線模塊把相關的操作發(fā)送到相應的執(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的動作；系統(tǒng)通過攝像頭，可以對室外情況進行監(jiān)控，并將視頻信息傳送到LCD顯示器進行實時顯示，使用者根據(jù)來訪者身份決定是否打開門禁系統(tǒng)；通過語音實現(xiàn)手機的自動撥號，并利用手機進行通話和求助。

圖1 系統(tǒng)的總體框圖

3.2 硬件平臺選用及資源配置

1. 硬件平臺選用一個基于AVR32 AT32UC3A單片機控制器的EVK1100開發(fā)系統(tǒng)。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關量；

3. 單片機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語言進行編程。

3.4 系統(tǒng)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音的訓練與存儲，訓練成功后進行語音識別，根據(jù)識別的命令執(zhí)行相關的操作，如圖2所示。

2. 語音識別軟件設計

語音識別方法就是將語音信號進行預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行匹配，根據(jù)匹配距離來進行語音識別。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計

當語音控制輪椅或家電時，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. 紅外遙控程序設計

紅外遙控信號是一連串的二進制脈沖碼。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制脈沖碼，也就是解調(diào)。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(tǒng)預計實現(xiàn)結(jié)果

通過努力，我們真誠的希望能夠達到預期的各種功能，具體的功能均能實現(xiàn)并能有時間進行優(yōu)化，期望到時真正的產(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。