基于AVR的语音识别助老助残室内行走服务系统设计方案

1.1 引言

目前，全世界60岁以上的老年人口已达到6亿左右，人口老龄化已成为世界范围的重大社会问题。我国60岁及以上老年人口已达1.32亿，占全国总人口的10％，并以年均3.32%的速度持续增长。预计到2015年，60岁以上的人口将超过2亿，约占总人口的14％，其中老年病患者约有50％需要护理服务。此外，我国还有各类残疾人约6千万，约占我国总人口的5％。因此，我国合计需要进行护理的人口大约为1亿人。人口的加速老龄化使医疗和社会保险系统面临着前所未有的压力。在我国的13亿人口中，家庭约3～4亿，有功能障碍者或需看护人员的家庭，占全国家庭总户数的1/10，约3577万左右。各类残疾人和长期卧床老年人的大量存在，使得助老助残问题正日益成为一个重大的社会问题。提高老年人和残疾人的生活质量及生活自理能力，研制开发助老助残服务产品，为老年人和残疾人提供诸如行走、室内起居生活方面的服务，已经成为全社会共同关注的问题。

1.2 项目背景/选题动机

目前，我国存在肢体障碍的老年人和残疾人超过3000万，行动不便的老人或残疾人在行走时，需要借助人力或者器械，例如轮椅。当前的家用电器绝大部分不支持语音识别功能。电器的开关通常是由按钮或遥控器实现。在实现控制前还必须找到被控设备（如按键，被遥控对象等）的精确位置或方向，这对使用者行动不便时是非常麻烦的。

因此对助老助残系统的开发具有重要的现实意义，对于提高老年人和残疾人的生活质量，保证我国社会的和谐、稳定、发展具有重要作用。

为了积极开展大学生科技创新实践活动，更是为了在校学生对AVR单片机的学习能力培养，故选择此题用于研究AVR单片机。

二、需求分析

2.1 功能要求

1. 通过语音控制可以有效地控制轮椅自由行走；

2. 实现家庭中家电的自动控制；

3. 实现门禁系统的控制；

4. 根据知识掌握的程度有选择的实现对家庭安全信息进行实时监控和发布。

2.2 性能要求

1. 本系统使用语音来发布相关的控制命令以及报警命令；

2. 家用电器及其外围设备均采用仿真功能实现；

3. 使用四轮车模代替轮椅实现前后左右自由移动；

4. 电灯代替家电开关量，实现家用电器的开关控制；

5. 使用直流电动机仿真门禁的自动开关功能；

6. 使用AVR单片机的定时器软件模拟遥控器实现家用电器的遥控功能；

7. 通过GPRS实现手机拨号和短信报警功能（视能力情况而定）。

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

基于AVR的语音识别助老助残室内行走服务系统总体设计方案如图1所示。语音信号通过开发板上的麦克被语音处理模块采集，然后送入AVR处理器进行识别。AVR微处理器根据识别的结果，分析判断出该语音的指令类型，根据指令要求完成相应的操作。由AVR微处理器通过无线模块把相关的操作发送到相应的执行装置如门禁装置，轮椅驱动装置等，接受命令并完成相应的动作；系统通过摄像头，可以对室外情况进行监控，并将视频信息传送到LCD显示器进行实时显示，使用者根据来访者身份决定是否打开门禁系统；通过语音实现手机的自动拨号，并利用手机进行通话和求助。

图1 系统的总体框图

3.2 硬件平台选用及资源配置

1. 硬件平台选用一个基于AVR32 AT32UC3A单片机控制器的EVK1100开发系统。具体资源配置如下：

2. AT32UC3A单片机的基本输入输出口用于控制开关量；

3. 单片机的串行通信接口用于语音模块、无线控制模块的通信；

4. 单片机的PWM用于控制轮椅的转向和控速；

5. 以太网端口用于监控器的视频输入；

6. 开发系统的传感器（光照、温度）用于人性化提示和控制家用电器、天气预报等功能；

7. 4x20蓝色LCD（PWM变频背光）用于显示控制信息及其相关的状态。

3.3系统软件架构

系统软件环境采用ATMEL公司提供的官方开发工具AVR Studio 5，程序主要使用C语言进行编程。

3.4 系统软件流程

1. 主程序设计

图2 主程序流程图

在主程序中，采取模块化设计完成特定人语音的训练与存储，训练成功后进行语音识别，根据识别的命令执行相关的操作，如图2所示。

1. 语音识别软件设计

语音识别方法就是将语音信号进行预处理和特征提取后建立模板库，根据语音特征将待识别语音信号与模板库进行匹配，根据匹配距离来进行语音识别。语音识别的基本流程如图3所示。

图3 语音识别基本流程图

1. 串口通信部分软件设计

当语音控制轮椅或家电时，系统根据识别出的控制语句种类，通过串口向主控板发出不同指令，以实现各种控制功能。系统串口通讯程序的流程图如图4所示。

图4 串口通信流程图

1. 红外遥控程序设计

红外遥控信号是一连串的二进制脉冲码。为了使其在无线传输过程中免受其它红外信号的干扰,通常都是先将其调制在特定的载波频率上,然后再经红外发光二极管发射出去，红外线接收装置则会滤除其他杂波只接收该特定频率的信号并将其还原成二进制脉冲码，也就是解调。红外程序设计流程如图5所示。

图5 红外程序设计流程图

3.5 系统预计实现结果

通过努力，我们真诚的希望能够达到预期的各种功能，具体的功能均能实现并能有时间进行优化，期望到时真正的产品一台极具仿真意义的样机，最好能够有公司投资做出产品。