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(huì)問(wèn)題。我國(guó)60歲及以上老年人口已達(dá)1.32億，占全國(guó)總?cè)丝诘?0％，并以年均3.32%的速度持續(xù)增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)到2015年，60歲以上的人口將超過(guò)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(guó)還有各類(lèi)殘疾人約6千萬(wàn)，約占我國(guó)總?cè)丝诘?％。因此，我國(guó)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(huì)保險(xiǎn)系統(tǒng)面臨著前所未有的壓力。在我國(guó)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(guó)家庭總戶(hù)數(shù)的1/10，約3577萬(wàn)左右。各類(lèi)殘疾人和長(zhǎng)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(nèi)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(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

目前，我國(guó)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(dāng)前的家用電器絕大部分不支持語(yǔ)音識(shí)別功能。電器的開(kāi)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(duì)象等）的精確位置或方向，這對(duì)使用者行動(dòng)不便時(shí)是非常麻煩的。

因此對(duì)助老助殘系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)于提高老年人和殘疾人的生活質(zhì)量，保證我國(guó)社會(huì)的和諧、穩(wěn)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(duì)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(guò)語(yǔ)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(dòng)控制；

3. 實(shí)現(xiàn)門(mén)禁系統(tǒng)的控制；

4. 根據(jù)知識(shí)掌握的程度有選擇的實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yǔ)音來(lái)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(chē)模代替輪椅實(shí)現(xiàn)前后左右自由移動(dòng)；

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

5. 使用直流電動(dòng)機(jī)仿真門(mén)禁的自動(dòng)開(kāi)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(guò)GPRS實(shí)現(xiàn)手機(jī)撥號(hào)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(yǔ)音識(shí)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(yǔ)音信號(hào)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(shí)別。AVR微處理器根據(jù)識(shí)別的結(jié)果，分析判斷出該語(yǔ)音的指令類(lèi)型，根據(jù)指令要求完成相應(yīng)的操作。由AVR微處理器通過(guò)無(wú)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(mén)禁裝置，輪椅驅(qū)動(dòng)裝置等，接受命令并完成相應(yīng)的動(dòng)作；系統(tǒng)通過(guò)攝像頭，可以對(duì)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(lái)訪者身份決定是否打開(kāi)門(mén)禁系統(tǒng)；通過(guò)語(yǔ)音實(shí)現(xiàn)手機(jī)的自動(dòng)撥號(hào)，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(tái)選用及資源配置

1. 硬件平臺(tái)選用一個(gè)基于AVR32 AT32UC3A單片機(jī)控制器的EVK1100開(kāi)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(kāi)關(guān)量；

3. 單片機(jī)的串行通信接口用于語(yǔ)音模塊、無(wú)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(kāi)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(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(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(yǔ)音的訓(xùn)練與存儲(chǔ)，訓(xùn)練成功后進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別，根據(jù)識(shí)別的命令執(zhí)行相關(guān)的操作，如圖2所示。

2. 語(yǔ)音識(shí)別軟件設(shè)計(jì)

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

圖3 語(yǔ)音識(shí)別基本流程圖

3. 串口通信部分軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)語(yǔ)音控制輪椅或家電時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)識(shí)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(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(hào)是一連串的二進(jìn)制脈沖碼。為了使其在無(wú)線傳輸過(guò)程中免受其它紅外信號(hào)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(huì)濾除其他雜波只接收該特定頻率的信號(hào)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(guò)努力，我們真誠(chéng)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(tái)極具仿真意義的樣機(jī)，最好能夠有公司投資做出產(chǎn)品。