家居环境检测助老服务机器人的设计

戴文娟 韩慧敏 吴育军

（海南科技职业大学机电工程学院 海南省海口市 571126）

基于近几年中国机器人及人工智能大赛助老类服务机器人试题，为满足家庭对家居环境检测及家居智能化控制的需要，设计一款以智能家居为平台搭建“用户-环境-产品”的助老服务机器人。该机器人与物联网智能家居实现互联互通，可实时对家中多个房间的室内环境状况进行监测，并可自由控制或人机语音交互控制家居设备，调整家居环境舒适情况，解决了老年人对家居环境控制不便的实际需求。在设计及产品调试的过程中，有效地提高学生的动手操作能力，综合能力及创新能力。

1 机器人外观结构

机器人主体框架由底盘、轮、质金属杆件拼装组成，通过车底的四个轮子来移动和承重。其整体结构如图1所示。

2 电子电路系统

2.1 系统硬件设计

本设计的智能家居助老服务机器人,以四轮驱动小车为平台，由底盘系统、电控系统组成。底盘系统由转向机构、传动机构、差速机构、悬架等组成。电控系统采用STC8A8K64S4A12281/PWM系列单片机为核心控制部分,由电源模块、驱动模块、AI 模块、E32 通信模块、SYN6658 语音模块、传感器模块组成。可以实现路径规划、转向、测速、实时显示探测参数的功能及控制等功能。硬件系统框图见图2。

图2：硬件系统框图

2.2 单元电路设计

2.2.1 电机驱动模块

采用的TB6612FNG 是一款具有大电流MOSFET-H 桥结构的直流电机驱动器件，双通道电路输出，可同时驱动2 个电机，无需外加散热片，只需外接电源滤波电容就可以直接驱动电机。

舵机也叫伺服电机，由直流电机、减速齿轮组、位置反馈电位计、舵盘和控制电路等组成的自动控制系统，其外部机械设计简单、力矩大、体积小、稳定性高。可通过编写程序，发送信号连续控制其转角，实现智能小车的转向功能。

2.2.2 AI 模块

本设计采用百科融创嵌入式小车语音模块，内置离线语音识别引擎，运行深度神经网络算法，支持本地语音识别、本地语音合成、中文普通话识别、方言识别和远讲语音识别；支持高灵敏度数字麦克风录音，通过稳态、动态噪音过滤算法调整录音音量，利用语音增强算法过滤原始语音数据，利用离线式语音识别引擎识别高信噪比的语言数据，保证了不同距离（远讲）识别的高精准度和抗噪能力。语音模块见图3。

图3：百科融创嵌入式小车语音模块

2.2.3 E32 通信模块

本设计采用E32-433T20DC 模块，嵌入高速低功耗单片机和高性能LoRa 扩频芯片SX1278，采用循环交织纠检错编码，使其抗干扰性、灵敏度及高效性能等都大大提升。其发射功率为100mW，超低功耗，无线唤醒功能，LoRa 扩频功能使其通讯距离大大提升。此外还具有：定点发射、广播监听、前向纠错、休眠功能、看门狗、参数保存、抄表行业等特点。

2.2.4 SYN6658 语音模块

通过UART 接口或SPI 接口将主控制器和SYN6658 语音合成芯片连接在一起。控制命令和文本可由主控制器通过接口发送至SYN6658 语音合成芯片，被SYN6658 语音合成芯片接收，经过语音合成，再经功率放大器放大，并连接到喇叭进行播放。

2.2.5 传感器

（1）MQ-2 烟雾气敏传感器模块。

MQ-2 烟雾传感器使用电导率较低的二氧化锡为材料，其电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。MQ-2 气体传感器对甲烷的灵敏度高，对天然气及液化石油气也具有较好的灵敏度。

（2）光照传感器（GY-302 光强度光照度模块 BH1750）。

光强度光照度模块 BH1750，内部由光敏二极管、运算放大器、ADC 采集、晶振等组成。PD 二极管通过光生伏特效应将输入光信号转换成电信号，经运算放大器放大后，ADC 采集电压，经逻辑电路转换成16 位二进制数，并存储在内部寄存器中。光越强，光电流越大，电压越大，所以通过电压大小就可以判断光照大小。

（3） 温湿度传感器（SHT21 传感器模块/GY-213V-SHT21）。

SHT21 是一款嵌入回流焊的双列扁平无引脚DFN 封装的湿温度传感器集成芯片。配有全新设计的CMOSens®芯片、标准能隙温度传感器元件和改进的电容式湿度传感元件，使其性能在高湿环境下更稳定。测温范围：-40℃-125℃，湿度范围：0-100%RH。

3 软件设计

3.1 控制策略

控制系统驱动小车，通过烟雾气敏传感器模块、光照传感器模块及温湿度传感器检测环境，并根据检测结果，实现对目标的控制，或者通过语音识别指令实现对目标的控制。

其控制情况为：

当光照传感器检测到光照值小于300 尼特时，机器人打开客厅灯；光照值大于300 尼特时，机器人关闭客厅灯光；

（1）当温湿度传感器检测到温度大于22℃时，机器人打开卧室空调/风扇，温度小于22℃时，机器人关闭卧室空调/风扇；

（2）当烟雾气敏传感器检测烟雾时，检测其输出电压值小于0.9V,机器人控制电磁阀关断；输出电压值大于0.9V 小于1.1V，则二氧化碳浓度偏高，机器人打开电磁阀；输出电压值大于1.1V 浓度超高，机器人打开电磁阀；

（4）可以通过语音交互的对话方式来实现对客厅灯光、卧室空调/风扇、厨房电磁阀开关控制。

3.2 程序设计

助老机器人集成环境检测和控制功能，能对室内光照值、温湿度值、二氧化碳浓度等进行检测，并对客厅灯光、卧室空调和厨房电磁阀进行自动控制。此机器人采用C 语言编写应用程序。程序流程图见图3，人机语音交互流程见图4。

图3：程序流程图

图4：人机语音交互流程图

机器人检测室内环境及智能控制的部分程序如下：

4 实验结果

（1）机器人能够与家居设备互联，实现智能化控制。

（2）机器人自主检测客厅光照度数值为112 尼特，并通过语音播报光照度数值，通过判断112 尼特＜300 尼特,机器人能自主控制客厅灯光打开。

（3）机器人自主检测卧室温度为33.70℃，湿度为60.19 百帕，语音播报温湿度数值，判断温度33.70℃＞22℃,机器人能自主控制卧室空调打开。

（4）机器人能自主检测电压值小于0.9V，语音播报二氧化碳浓度良好，机器人自主关闭厨房电磁阀。

（5）能够语音播报各检测数值；能够识别语言指令，并进行相应的控制动作。

5 结束语

家居环境检测和智能控制的助老服务机器人，给人们的生活带来了便利性和舒适性。同时也给老年人行动不便及未来人口老龄化服务等问题，提供一个可行性的方案，具有广阔的发展前景。本文设计智能家居助老服务机器人外形美观度不够，其智能化水平还可以多集成更多的其它功能，程序仍可以继续优化。未来仍需继续加深这方面的学习，继续改进升级。

通过参加竞赛，家居环境检测助老服务机器人的设计，不断扩宽学生对智能控制技术和传感器技术等知识的广度和深度，综合考察学生对电路、设计、编程等知识的综合运用能力，培养了学生分析问题解决问题的能力，及创新思维。