智能家居服務(wù)型機(jī)器人的設(shè)計(jì)與開發(fā)

吉林大學(xué)珠海學(xué)院 嚴(yán)毓培 陳志欽 嚴(yán)澤強(qiáng) 鄭鏜浩

智能家居服務(wù)型機(jī)器人的設(shè)計(jì)與開發(fā)

吉林大學(xué)珠海學(xué)院 嚴(yán)毓培 陳志欽 嚴(yán)澤強(qiáng) 鄭鏜浩

隨著當(dāng)今機(jī)器人技術(shù)的迅猛發(fā)展，目前機(jī)器人的應(yīng)用已由工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域向家庭服務(wù)領(lǐng)域擴(kuò)展，因此家庭服務(wù)型機(jī)器人成為了當(dāng)今消費(fèi)類電子產(chǎn)品的一支潛力股，我們設(shè)計(jì)的家庭服務(wù)型機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)家庭安防報(bào)警和家人健康監(jiān)測的功能，該系統(tǒng)采用上位機(jī)加下位機(jī)的設(shè)計(jì)模式，上位機(jī)擁有1塊4.3寸觸摸顯示屏，顯示優(yōu)美簡單的QT界面，主芯片采用Exynos 4412 SOC加自主設(shè)計(jì)的底板組成，采用Linux+QT系統(tǒng)負(fù)責(zé)顯示和控制下位機(jī)。下位機(jī)又主芯片是STM32F103ZET6的核心板加自主設(shè)計(jì)的兩塊底板，以及眾多外圍傳感器組成。支持非特定人群語音識(shí)別，語音播報(bào)，WIFI數(shù)據(jù)傳輸，GSM短信報(bào)警，煙霧報(bào)警，溫濕度傳感器，大氣空氣質(zhì)量檢測，大氣甲醛含量，通過藍(lán)牙模塊建立無線信道，支持無線采集血壓，心率，體溫等生理參數(shù)，突破先有有限測量模式。經(jīng)測試該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，滿足最初的設(shè)計(jì)要求。

機(jī)器人；Linux；QT；STM32

一、簡介

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)慢慢進(jìn)入了人們的視野，最為典型的是工業(yè)機(jī)器人在生產(chǎn)車間完成復(fù)雜精細(xì)的生產(chǎn)任務(wù)，在倉庫搬用沉重和種類繁多的貨物，與此同時(shí)，家庭服務(wù)型機(jī)器人的相關(guān)產(chǎn)品也逐漸成熟，比如早教機(jī)器人可以幫助小朋友學(xué)習(xí)，和小朋友對話，成為了小朋友的智能小伙伴，由此可以看到家庭服務(wù)型機(jī)器人廣闊的發(fā)展前景，針對目前服務(wù)型機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，我們研發(fā)了一款家庭服務(wù)型機(jī)器人，該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)安防報(bào)警和生理監(jiān)測的功能，填補(bǔ)了目前市面上家庭服務(wù)型機(jī)器人功能上的欠缺。

本家庭服務(wù)型機(jī)器人系統(tǒng)主要有語音健康助手系統(tǒng)，安防報(bào)警系統(tǒng)和便攜式健康監(jiān)測儀組成，其中語音健康助手系統(tǒng)部分有三個(gè)部分組成上位機(jī)加下位機(jī)，其中上位機(jī)采用Exynos 4412 SOC作為主控芯片，運(yùn)行Linux+QT系統(tǒng)能做出優(yōu)美簡單且具有強(qiáng)交互性的界面[1]。下位機(jī)由兩個(gè)部分組成信息采集系統(tǒng)，主控芯片采用STM-32F103ZET6作為主控芯片，該芯片有十分豐富的外設(shè)，驅(qū)動(dòng)外部傳感器模塊，完成信息采集處理，再通過串口傳送至上位機(jī)。上位機(jī)和下位機(jī)采用串口互連，相互配合，完成整個(gè)系統(tǒng)的功能[2]。

便攜式健康監(jiān)測儀集成兩個(gè)傳感器模塊，一個(gè)是非接觸式體溫測量傳感器GY-MCU90615，另外一個(gè)是血壓模塊，這兩個(gè)模塊通過藍(lán)牙模塊建立的無線信道連接到下位機(jī)從機(jī)的串口，實(shí)現(xiàn)血壓模塊和體溫模塊的遠(yuǎn)距離測量，兩個(gè)模塊通過無線信道脫離和主系統(tǒng)的物理連接，即減小的主系統(tǒng)的體積，也爭強(qiáng)了測量的靈活性。

圖一 智能家居服務(wù)機(jī)器人的核心電路板

主系統(tǒng)是由上位機(jī)+下位機(jī)主機(jī)+下位機(jī)從機(jī)，每個(gè)部分都以獨(dú)立的電源進(jìn)行供電，確保系統(tǒng)各部分互不干擾。上位機(jī)部分主要是通過Linux+QT界面顯示下位機(jī)采集過來的數(shù)據(jù)，并提供功能菜單，方便用戶控制下位機(jī)功能的開啟和關(guān)閉。

下位機(jī)主機(jī)主要是負(fù)責(zé)采集溫濕度，甲醛，PM1.0，PM2.5，PM10,的含量，自己和主機(jī)通信的同時(shí)，還要作為下位機(jī)從機(jī)和上位機(jī)通信的中繼，同時(shí)還要負(fù)責(zé)語音播報(bào)功能。下位機(jī)從機(jī)主要是采集血壓，體溫模塊，光學(xué)傳感器的數(shù)據(jù)，發(fā)送給主機(jī)。如果語音識(shí)別有識(shí)別結(jié)果，也應(yīng)當(dāng)將識(shí)別結(jié)果發(fā)送給主機(jī)。如果GSM報(bào)警打開的，那么每次測量完血壓，都會(huì)將血壓的測量結(jié)果發(fā)送至設(shè)定好的手機(jī)號(hào)碼中，這一功能可以更好的幫助用戶了解家里人的身體情況，體貼照顧到用戶對家里人的關(guān)切之情。特別對于遠(yuǎn)離家鄉(xiāng)，時(shí)刻牽掛的人來說，就是溫馨報(bào)警，簡單來說就是千里報(bào)平安，而這也是本系統(tǒng)具有特色性、創(chuàng)新性的一個(gè)體現(xiàn)，另外主機(jī)那邊的煤氣檢測傳感器，檢測到家里如果發(fā)生煤氣泄漏，會(huì)發(fā)送指令，要求從機(jī)驅(qū)動(dòng)GSM模塊發(fā)送煤氣泄漏報(bào)警短信，及時(shí)通知用戶，保障家庭安全。

智能服務(wù)型機(jī)器人軟件可以實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）血壓、心率、體溫三項(xiàng)生理參數(shù)測量解析及QT和APP界面顯示。

（2）溫濕度、甲醛、大氣顆粒物含量、煙霧四項(xiàng)環(huán)境參數(shù)測量解析及QT和APP界面顯示。

（3）語音播報(bào)（QT界面設(shè)置語音播報(bào)提示、火警、生理參數(shù)、環(huán)境參數(shù)的變化及給出相應(yīng)的提示、預(yù)警）

（4）語音識(shí)別（識(shí)別用戶輸入的語音交互命令，執(zhí)行相應(yīng)的命令操作，包括語音開啟血壓測量、語音設(shè)置系統(tǒng)功能等）

（5）GSM發(fā)送短信報(bào)警（火警報(bào)警以及家庭成員生理參數(shù)測量結(jié)果提示）

（6）QT界面圖形化生理參數(shù)以及環(huán)境參數(shù)波形顯示，以及提醒建議。

二、功能實(shí)現(xiàn)

1.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整套系統(tǒng)的底板都是由我們自主畫的PCB交由生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的。

圖二 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

1.1 主芯片模組

上位機(jī)的主芯片使用三星所生產(chǎn)的4核處理器Exynos4412soc，可以運(yùn)行Linux Android Ubuntu系統(tǒng)，所以這塊芯片是足以搭載我們的Linux+QT系統(tǒng)，并且流暢運(yùn)行的。

下位機(jī)的芯片是STM32F103ZET6，STM32F103ZET6主芯片最高工作頻率可達(dá)72M，有豐富的IO口資源和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)，包含3個(gè)12位的ADC、4個(gè)通用16位定時(shí)器和2個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C接口、3個(gè)SPI接口、2個(gè)I2S接口、1個(gè)SDIO接口、5個(gè)USART接口、一個(gè)USB接口和一個(gè)CAN接口[3]。豐富的外設(shè)資源，低廉的價(jià)格提現(xiàn)出芯片的性價(jià)比相當(dāng)之高，這也是選擇其作為主控芯片的原因[4]。

1.2 非接觸式體溫模塊

體溫模塊采用非接觸式體溫測量傳感器GY-MCU90615, GYMCU90615 是一款低成本紅外溫度模塊。工作電壓 3-5v 功耗小，體積小。

1.3 血壓模塊

血壓模塊的測量原理是通過阻塞袖帶中的震蕩波的測量，實(shí)現(xiàn)動(dòng)脈血壓的測量的間接方法。該模塊由數(shù)字血壓監(jiān)測模塊，充氣汞，電磁閥，放氣閥，氣路管件和袖帶組成。

1.4 GSM通信模塊

SIM800A 是 SIMCOM 公司推出的一款高性能工業(yè)級 GSM/ GPRS 模塊，SIM800A 開發(fā)板板載工業(yè)級雙頻GSM/GPRS 模塊：GSM900/1800MHz。SIM800A基本版本可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、DTMF、SMS（短信，彩信）、GPRS 數(shù)據(jù)的傳輸。

1.5 藍(lán)牙模塊

DX-BT05-A 4.0 藍(lán)牙模塊是專為智能無線數(shù)據(jù)傳輸而打造，采用美國 TI 公司 CC2541 芯片，配置 256Kb 空間，遵循 V4.0 BLE 藍(lán)牙規(guī)范。支持 AT 指令，可根據(jù)需要更改串口波特率、設(shè)備名稱、配對密碼等參數(shù)，使用靈活。模塊支持 UART 接口，并支持 SPP藍(lán)牙串口協(xié)議，具有成本低、體積小、功耗低、收發(fā)靈敏性高等優(yōu)點(diǎn)，只需配備少許的外圍元件就能實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)大功能。

1.6 心率光學(xué)傳感器模塊

PulseSensor是一款用于心率測量的光電反射式模擬傳感器。將其佩戴于手指，耳垂等處，其輸出線輸出的模擬信號(hào)是隨人的脈搏的改變而改變，利用導(dǎo)線將采集到的模擬信號(hào)傳送給STM32，由STM32內(nèi)置的ADC功能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。再經(jīng)過STM32進(jìn)行簡單的計(jì)算就可以得到心率值。

1.7 語音識(shí)別模塊

LD3320 芯片是一款“語音識(shí)別”專用芯片，由 ICRoute 公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)。該芯片集成了語音識(shí)別處理器和一些外部電路，包括AD、DA 轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)接口、聲音輸出接口等。

1.8 ESP8266 WIFI模塊

樂鑫智能互聯(lián)平臺(tái)——ESP8266 擁有高性能無線 SOC，給移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)師帶來福音，它以最低成本提供最大實(shí)用性，為 WiFi 功能嵌入其他系統(tǒng)提供無限可能。ESP8266 是一個(gè)完整且自成體系的WiFi 網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠獨(dú)立運(yùn)行，也可以作為 slave 搭載于其他Host 運(yùn)行，ESP8266 在搭載應(yīng)用并作為設(shè)備中唯一的應(yīng)用處理器時(shí)，能夠直接從外接閃存中啟動(dòng)。內(nèi)置的高速緩沖存儲(chǔ)器有利于提高系統(tǒng)性能，并減少內(nèi)存需求。另外一種情況是，無線上網(wǎng)接入承擔(dān) WiFi 適配器的任務(wù)時(shí)，可以將其添加到任何基于微控制器的設(shè)計(jì)中，連接簡單易行，只需通過 SPI/SDIO 接口或中央處理器 AHB橋接口即可。ESP8266 強(qiáng)大的片上處理和存儲(chǔ)能力，使其可通過GPIO 口集成傳感器及其他應(yīng)用的特定設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了最低前期的開發(fā)和運(yùn)行中最少地占用系統(tǒng)資源。

1.9 甲醛模塊

甲醛檢測模塊，供電電壓為3.3v，有兩種讀取指令的方式，一個(gè)是讀取之后，不需要再次發(fā)送指令，另外一種是讀取之后需要再次發(fā)送指令，通信方式為串口頭型，默認(rèn)布波特率為9600。

1.10 空氣質(zhì)量檢測

空氣質(zhì)量檢測模塊，供電電壓為5V，上電默認(rèn)輸出數(shù)據(jù)，不需要單片機(jī)再發(fā)送讀取指令，極為方便。通信方式為串口通信方式，默認(rèn)波特率為9600。

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中Linux+QT作為健康監(jiān)測助手的上位機(jī)部分，能實(shí)現(xiàn)的功能是解析下位機(jī)（基于STM32）傳來的信息以及發(fā)送對下位機(jī)控制的指令，將解析好的數(shù)據(jù)分類顯示在QT程序的前端界面上[5]。

本系統(tǒng)中Linux+QT部分硬件基于三星Exynos 4412核心板，Exynos 4412又稱為Exynos 4 Quad，Exynos 4412采用了三星32nm HKMG工藝，是三星的第一款四核處理器，主頻為1.4GHz[6]。這顆處理器有高主頻、低功耗的特點(diǎn)，能處理復(fù)雜的任務(wù)同時(shí)又不用考慮功耗過大的問題，這顆芯片在因?yàn)槌隽擞卸螘r(shí)間，存在大量可供查閱的資料，所以我們采用這顆芯片，為以后拓展更復(fù)雜的功能打好硬件基礎(chǔ)[7]。

圖三 QT主界面圖

本QT程序分為前臺(tái)和后臺(tái)兩部分。首先后臺(tái)控制Exynos 4412的串口電路，每秒對串口緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行5次的讀取，下位機(jī)發(fā)送原始數(shù)據(jù)的頻率是1秒/次，這樣能保證上位機(jī)不會(huì)漏讀每次下位機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)從而造成丟包。通過讀取下位機(jī)發(fā)來的原始信息，根據(jù)上位機(jī)和下位機(jī)之間設(shè)定好的數(shù)據(jù)協(xié)議來解析數(shù)據(jù)，然后把它們分別保存到定義好的變量中，等待程序其他部分對他們的調(diào)用。上位機(jī)和下位機(jī)串口通信的波特率為115200。程序前端主要是UI界面的設(shè)計(jì)與顯示，用戶操作的檢測，用戶動(dòng)作與控件事件響應(yīng)之間的鏈接，相應(yīng)功能的觸發(fā)。比如，當(dāng)用戶點(diǎn)擊測量血壓按鈕來進(jìn)行血壓的測量時(shí)，上位機(jī)會(huì)給下位機(jī)傳輸控制字符以啟動(dòng)血壓測量的功能；當(dāng)用戶點(diǎn)擊環(huán)境監(jiān)測按鈕時(shí)候會(huì)顯示當(dāng)前環(huán)境參數(shù)，給出縮略信息圖，點(diǎn)擊相應(yīng)選項(xiàng)會(huì)進(jìn)入詳細(xì)的波形圖界面；當(dāng)煤氣泄漏時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)處于警報(bào)狀態(tài)，這時(shí)候可以通過上位機(jī)來解除警報(bào)狀態(tài)。此外，在這部分中我們設(shè)定了某些指標(biāo)的閾值，當(dāng)環(huán)境監(jiān)測值，例如甲醛過高，UI上會(huì)顯示當(dāng)前環(huán)境是否適合居住。

三、總結(jié)

該產(chǎn)品與其他類型的家庭服務(wù)型機(jī)器人相比，具有功能實(shí)用豐富，操作簡單，運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)，首先各種傳感器報(bào)警功能在家庭安防中有非常重要的作用，同時(shí)健康監(jiān)測功能可使用戶及時(shí)了解家人的身體健康狀況；其次該產(chǎn)品提供了液晶觸摸屏和手機(jī)監(jiān)控功能，使用起來非常簡單方便；最后該產(chǎn)品經(jīng)過了多次的連續(xù)測試，運(yùn)行非常穩(wěn)定可靠，為產(chǎn)品的商業(yè)化提供了后續(xù)保證。

該產(chǎn)品在研發(fā)過程中曾出現(xiàn)了一個(gè)難度較大的挑戰(zhàn)，該挑戰(zhàn)是使用Linux下的QT在設(shè)計(jì)的液晶觸摸屏?xí)r出現(xiàn)了控件響應(yīng)不及時(shí)的問題，后續(xù)排查可知是Linux出現(xiàn)了多進(jìn)程阻塞，導(dǎo)致QT插槽函數(shù)被掛起。

該產(chǎn)品的創(chuàng)新之處在于該產(chǎn)品將安防報(bào)警和健康監(jiān)測融合在了一起，豐富了家庭服務(wù)機(jī)器人功能，提升了家庭服務(wù)機(jī)器人的檔次，比市面上的早教機(jī)器人更具有應(yīng)用的普適性和廣闊性，填補(bǔ)了市面上同類產(chǎn)品的空缺，所以具有非常大的市場前景。

[1]Alan Ezust,ul Ezust.C++ Qt設(shè)計(jì)模式[M].電子工業(yè)出版社出版,2012.7.

[2]崔惠婷,陳蔚芳.基于ARM的嵌入式機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子,2016.9.

[3]孫書鷹,陳志佳,寇超.新一代嵌入式微處理器STM32F103開發(fā)與應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2010.12.

[4]楊百軍.輕松玩轉(zhuǎn)STM32微控制器[M].電子工業(yè)出版社,2016.7.

[5]譚浩強(qiáng).C語言程序設(shè)計(jì)教程[M].清華大學(xué)出版社,2010.9.

[6]楊志忠.數(shù)字電子技術(shù)(第4版)[M].高等教育出版社,2013.7.

[7]童詩白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第五版)[M].高等教育出版社,2015.7.