基于STM32的语音识别协助监护系统

吕威　高飞燕

摘 要：以STM32为主控器，结合语音识别技术和无线通信技术，设计了一款以解决老年人缺乏生活自理能力、养老院护工短缺等问题为目的的无线协助监护系统。文章首先对语音识别协助监护系统的整体方案进行了设计，然后分别对语音识别模块和无线通信模块的软硬件等方面进行了设计，并结合平面路由协议LEACH和分层路由协议PEGASIS，将整个养老院组成一个局域网，实现了局域网内老年人端与护工端的实时通讯。

关键词：语音识别；协助监护；无线通信；LEACH；PAGESIS

引言

随着高龄人口比例的增加，我国正逐渐步入老年化社会，而迫于现代社会快速步伐的压力，越来越多的独生子女选择长期异地工作并生活，导致大量老年人无人照顾。此外，许多老年人因为缺乏站立能力而长期被困在椅子上。许多老年人选择住入养老院，然而养老院护工的精力和人手有限，可能无法及时知道哪位老人有需求。文章主要采用语音识别和无线通信技术，设计了一款协助护工的安乐椅系统，使老年人可以通过语音呼叫护工，而护工能及时分辨出哪位老年人需要何种帮助，给解决这一问题提供了一种思路。

1 整体方案设计

工作原理：

本系统利用了语音识别芯片LD3320可以进行语音训练、存储和识别的功能。预先设置指令模板并存储在语音识别芯片的FLASH中。识别时，使用者发出语音指令，语音识别芯片会提取出指令的特征信息并形成临时的模板，然后将临时模板与之前训练的模板对比，其中匹配最相似的训练模板将作为识别的结果发给主控器。主控器将根据预存的遥控信号，通过无线射频模块将语音指令发送出去，实现无线语音呼叫的功能。

2 硬件电路设计

本硬件电路主要包括主控器、语音识别单元、无线通信单元等。

2.1 主控制器单元

本系统的核心控制芯片采用的是意法半导体公司的32位微控制器STM32F103ZET6。该主控器使用了ARM公司的Cortex-M3内核，其工作在最高频率72MHz时的工作电流仅为36mA，待机时为2mA，确保了低功耗要求。内置64KB的SRAM、512KB的Flash，具有丰富的增强I/O端口，以及联接到两条APB总线的外设，具有低功耗、高性能和实时性强的优点[1]。

2.2 语音识别单元

语音识别技术的分类主要有两种：特定识别和非特定识别。这一分类的主要依据是识别对象的不同[2]。本系统识别对象为老年人这一大众群体，故采用非特定语音识别技术。这里采用外围扩展语音识别芯片来实现语音识别的功能。采用外扩语音识别芯片只需要处理好语音识别芯片和微处理器的接口连接，结构简单可靠，并且极大的降低了微处理器的负担，易于开发与调试。语音识别芯片选用ICRoute公司的LD3320，该芯片内部集成特有的快速而稳定的优化算法，无需任何外接辅助芯片（如Flash、RAM、AD芯片等），识别准确率可达到95%，可以很好地完成非特定人的语音识别任务。

2.3 无线通讯单元

目前市场上常用的无线通讯方式有wifi、红外、蓝牙、Zigbee、射频等技术。经过比较，射频技术开发简单，容性好、耗能低、电路简单、数据安全性高、价格低廉，因而选用射频通讯技术。这里射频模块采用的是nRF24L01无线射频模块。nRF24L01是一款工作在2.4～2.5GHz的世界通用ISM频段的集无线收发为一体的芯片。它工作时的工作电流极低，并且具有掉电模式和空闲模式等多种低功率工作模式；其最高的数据传输速率能达到2Mb/s，内置SPI接口，开发简单；配置有自动重发功能、地址和CRC校验的功能[3]。

3 软件程序设计

3.1 语音识别单元程序设计

语音识别单元的程序设计主要分为语音的训练和识别两部分。语音的训练是将预先设定好的指令存储在语音识别芯片的FLASH中。为了提高语音识别的准确率，可以在识别库里面对同一功能的指令设置多条语音特征相似的指令，如指令“起来”，可以设置“qilai”，“qilaia”等，另一方面，为了进一步降低误识别率，还可以添加一些“垃圾关键词”用来吸收错误识别。

语音识别的处理可以通过中断和查询两种方式工作。为了节省系统资源，本系统采用中断方式。在开始识别后，如果寄存器B2H的值为21H，就说明有识别结果产生，无论是否是正常结果，都会产生一个中断信号。而中断程序要根据寄存器的值分析结果，由C5寄存器的值可知道最可能的答案。

3.2 无线通信单元程序设计

无线传感器网络是目前社会上最前沿的技术之一[4]，它主要由传感器节点、汇聚节电、簇头节点以及控制端口组成。其路由协议主要分为平面路由协议和分层路由协议。平面路由协议的节电低位平等，具有很好的扩展性；分层路由只需簇头节点维持路由表项信息，相对于平面路由优化了传输路径，可以达到降低功耗、延长网络生存时间的效果。本设计结合了平面路由协议LEACH和分层路由协议PEGASIS，将每一层的节点集合成为一个虚拟簇，每个虚拟簇按照一定的算法选择簇首，所有的簇首按照地理位置关系连接成一条数据传输链，距离Sink几点最近的链首负责与Sink节点通讯。Sink节点通过以太网接口与PC机连接，将信息上传至集中控制中心；集中控制中心再将信息通过wifi传递给护工端，这样就实现了局域网内老年人端向护工端发送请求的功能。

nRF24L01有两种收发模式：ShockBurst TM收发模式和Enhanced ShockBurst TM收发模式。其中，Enhanced ShockBurst TM模式比ShockBurst TM多了一个确认数据传输的信号，因而数据传输的可靠性更高。为了提高数据传输的可靠性，这里采用Enhanced ShockBurstTM模式。

4 结束语

本系统主要利用了语音识别技术和无线射频通信技术，实现了基于语音识别的无线呼叫功能，为协助养老院的护工照顾老年人提供了一种思路。经测试，测试距离越大，识别率越低，这主要是由于语音识别模块输入信号参杂的噪声和无线通信模块通信距离的影响，这点有待改进。

参考文献

[1]范书瑞.Cortex-M3嵌入式处理器原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2011.

[2]刘军传，张玉茹，温凯.可识别非特定人语音指令的家电遥控器设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2013（2）：52-55.

[3]唐明霞.独居老人无线监护系统的设计[D].哈尔滨理工大学，2007.

[4]朱桂峰.基于nRF24L01的无线传感局域网络的研究与设计[D].河北大学，2007.

作者简介：吕威（1989-），男，在读硕士研究生，主要研究方向：自适应控制。

高飞燕（1968-），女，硕士，副教授，主要研究方向：智能控制。