基于QQ物联的语音服务机器人设计

2017-06-23刘旋应忠翔乔启鸣莫园生胡洪波

物联网技术 2017年6期

刘旋+应忠翔+乔启鸣+莫园生+胡洪波

摘要：语音服务机器人由微型控制器和机器人机械框架組成，通过QQ物联平台与QQ进行社交关联，可与好友进行视频通话、语音聊天等，还可在QQ平台上进行远程控制。使用语音识别芯片与技术来读取人的语音信息，控制机器人进行相关动作。机器人具有环境监控功能，通过温湿度、光照等传感器来监测室内环境，如有异常则可语音提示主人。

关键词：服务机器人；语音；QQ物联；物联网

中图分类号：TP242.6 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）06-0-04

0 引言

2012年4月，中国科技部正式印发了《服务机器人科技发展“十三五”专项规划》[1]，中国产业调研网发布的2015-2020年中国服务机器人市场深度调查分析及发展趋势研究报告认为，纵观国内外服务机器人的发展，预测服务机器人在我国具有广阔的市场空间。随着城市化进程加速、人口老龄化和人口素质的提高，服务机器人的商业应用将会加速发展。

语言是人们传递信息的重要方法，随着人工智能的发展，社会对智能化的要求越来越高，智能机器人的应用范围越来越广，通过语音来控制机器人可以大幅提高工作效率。2014年10月，“QQ物联智能硬件开放平台”发布，开发者可以充分利用和发挥腾讯QQ的亿万手机客户端及云服务的优势。结合目前机器人发展的方向，本文提出了基于QQ物联的智能语音服务机器人系统设计方法。

1 系统功能分析与总体设计

1.1 系统功能分析

基于QQ物联的语音服务机器人针对家庭生活场景主要实现以下功能：

（1）QQ物联：将QQ账号体系及关系链、QQ消息通道能力等核心能力与机器人合作，实现用户与机器人之间的互联互通互动，充分利用和发挥腾讯QQ亿万手机客户端及云服务的优势；

（2）无线充电：机器人自动检测自身电量，当电量低于预设值时，采用无线充电方式充电；

（3）消息处理：自动连接手机蓝牙，语音处理电话等消息。

（4）环境监控：机器人自动检测房间温度、湿度、光照强度等，当环境参数不在预设值范围内时，进行语音提醒[1]；

（5）智能安防：当检测到用户离开房间后，自动切换到安防模式，用户可通过摄像头查看室内状况，出现突发情况时自动联系用户；

（6）语音交互：可与用户实现简单的人机交互[2]；

（7）娱乐放松：用户可通过语音交互播放音乐或简单笑话等。

1.2 系统总体设计框架

根据系统功能要求，设计本系统的总体框图如图1所示。系统包括主控制器模块和外围功能模块，外围部分包括环境监测模块，摄像头模块，语音识别模块，无线充电模块，通讯模块，移动设防系统，视频与音频处理模块和小车模块。环境监测部分主要通过一些传感器检查环境参数，并不断返回控制器，控制器可针对这些数据做出综合调节。摄像头模块负责视频通话与安防。语音识别模块可识别出人们的一些语言信息，通过识别这些信息来判断人们的指令，从而更好、更人性化的为人们服务。无线充电模块主要维持机器人和小车的正常用电与供电，保证小车和机器人正常工作。通讯模块的主要功能包括语音外放，语音对讲，语音提醒等。无人在家时，如有特殊情况发生移动设防系统可自动向主人发送信息。

2 硬件模块选型与设计

2.1 主控制器

本系统的主控制器选用ST公司生产的STM32F103系列芯片。该芯片基于ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，工作频率最高可达72 MHz，且内置高速存储器（64 KB的闪存和20 KB的SRAM），丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。STM32系列提供了全新的32位产品选项，结合高性能、实时、低功耗、低电压等特性，保持高集成度和易开发的优势，将32位MCU的性能和功效引向一个新的级别[3]。

2.2 QQ物联模块

QQ物联通过QQ账号体系及相关的关系链来实现用户与设备之间的相互连通，充分发挥QQ手机客户端和云服务的优势[4]。本设计采用了QQ物联摄像头模块，可通过QQ与摄像头进行交互。具有如下功能：

（1）远程监控：直接打开手机QQ便可随时随地远程查看摄像头内的视频。

（2）支持分享设备：将自己录制好的精彩视频或照片分享至QQ好友，实现与好友的互动。

（3）移动侦测报警：家中无人时启动设防功能。如果视频监控画面中出现了移动物体或人体时，将会截图发送至手机，同时也会将截图自动保存在TF卡上。

（4）语音对讲：利用QQ实现实时语音对讲，使得好友之间的关系更加亲密。

2.3 蓝牙音响模块

蓝牙技术是一种短距离通信技术，频率为全球共有频段2.4 GHz[5]，可使不同的设备无缝共享资源。它采用短距离无线连接，无需专用电缆，使移动用户不仅摆脱了线缆的束缚，还易于在室内或室外流动操作。

2.4 语音识别模块

本系统采用ICRoute公司生产的LD3320语音控制芯片来实现简单的语音识别[6]。LD3320的电路原理图如图2所示。

2.5 无线充电模块

本系统采用原理为电磁感应的无线充电模块[7]，使机器人在自身电量不足时能够进行无线充电，简化充电过程。

2.6 语音输出模块

本系统使用LMD102语音模块。该模块价格低廉，稳定可靠，支持多路语音，还可通过单片机串口控制。电路原理图如图3所示。

2.7 环境传感器模块

环境参数主要为测量温度，湿度和光照等信息。本设计为了能够更加准确地采集光照及温湿度信息，使用BH1750传感器来获取光照强度[8]，利用DHT11采集温湿度。

3 系统软件设计及实现

3.1 系統初始化

系统初始化主要完成堆栈、定时器、串口等的设置。然后根据需求调用相应的功能，如获取环境参数等。语音芯片识别这些语句后，经各模块获取相应内容，再通过语音反馈给用户。本系统还联合QQ物联，通过QQ控制摄像头，实现视频通话与语音对讲。软件流程如图4所示。

3.2 LD3320语音程序设计

语音识别软件流程图如图5所示。首先对该模块进行初始化，对语音编码进行预处理，然后提取相应的特征，进行矢量的量化，最后针对语音的输入匹配特征，输出对应的语音结果。在程序设计中，通过改善算法[9]提高了识别准确率。

3.3 环境监测程序设计

首先光照传感器需要对解析度和透光率进行设置。解析度一般设置为2，传感器返回的值为实际值乘以透光率。所以在代码中需要经过初始化，经光亮度读取和实际亮度计算得出准确的光照值。光照传感器程序流程图如图6所示。

温湿度传感器DHT11包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，只有4个引脚，控制其时钟序列满足要求后，即可取出数据，DHT11对时钟的要求非常严格。数据格式为：8 b湿度整数数据+8 b湿度小数数据+8 b温度整数数据+8 b温度小数数据+8 b校验和[10]。图7所示为DHT11的程序流程图。

3.4 语音播放程序设计

语音录制播放模块LMD102可以录制多路声音。由于此模块具有USB接口功能，可以直接在特定软件下合成声音，无需人工录制声音，可以大大减轻工作量。本系统采用串口发送的方法将信息发送给芯片，由于每段语音都有特定的ID号，因此只需发送对应的ID号即可播放对应的语音。发送格式为：引导码+段号+结束码。LMD102程序流程图如图8所示。

3.5 系统测试

服务机器人机械框架采用3D打印模式，设计实物如图9所示。

系统采取分模块测试方法：

（1）摄像头及语音功能、移动设防功能测试。当有物体在摄像头面前移动时，会有QQ提醒消息，移动设防功能正常。

（2）蓝牙音箱功能测试。打开手机蓝牙连接至蓝牙音箱，此时会有语音提示，蓝牙连接。打开手机音乐，发现蓝牙音箱能够播放手机音乐，该蓝牙音箱测试正常。

（3）环境参数测量。为了能够直观显示测试结果，将测试结果输出至屏幕。

（4）语音播放模块测试。通过外部调节使环境的温湿度、光照发生变化，此时服务机器人会发出语音环境异常信息的提示。

对各模块进行综合测试，发现本系统工作正常。

4 结语

本文完成了针对家庭生活的基于QQ物联的服务机器人系统设计。该系统具有以下优点：

（1）自动无线充电：解决机器人手动充电的问题，方便机器人长时间工作；

（2）应用范围广：本项目可适用于老人、孩子和上班族，适用人群广泛，通过QQ物联接入，扩大用户人群；