基于RFID的助盲語音尋物機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，我們對生活的安全、舒適、便捷等各方面的要求也越來越高[2]。針對盲人的生理缺陷，研究了一款幫助盲人尋找所需物品的移動機(jī)器人，它以UP-MAGIC2410為主控芯片，嵌入式Linux為操作系統(tǒng)，并采用多線程的方式集成了射頻識別模塊、超聲波測距模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊和語音聲控模塊。通過RFID模塊對物品進(jìn)行辨識確定所尋物體的位置并且進(jìn)行精確定位，直流電機(jī)和驅(qū)動器完成對機(jī)器人的移動控制，而超聲波模塊實(shí)現(xiàn)避障功能[3]。盲人可以通過語音來對機(jī)器人進(jìn)行尋物控制，在語音命令的指示下機(jī)器人將獨(dú)立完成一次尋物過程，并會在找到的物體處給出語音提示?；赗FID的助盲尋物機(jī)器人是結(jié)合了RFID技術(shù)、語音聲控技術(shù)、傳感技術(shù)等的融合體，它給盲人的生活帶了極大的便利[4]。

　　1功能描述

　　基于RFID助盲尋物機(jī)器人，是幫助盲人尋找物品的電子產(chǎn)品,它可以方便盲人尋找所需物品，避免盲人因找物而帶來的麻煩,并可以通過語音命令對機(jī)器人進(jìn)行控制，同時機(jī)器人也會給出語音提示，讓盲人能享受現(xiàn)代科技生活的便捷。

　　本系統(tǒng)主要包括以下幾個功能模塊：

　　1)智能檢測模塊：

　　◆RFID讀寫器：檢測室內(nèi)的帶有RFID標(biāo)簽的物品，確定其物品方位后通過語音提示給盲人。

　　◆溫濕度傳感器：檢測室內(nèi)的溫度和濕度，通過語音提示給盲人。

　　◆煙霧濃度探測器：自動檢測煙霧及溫度，當(dāng)煙霧濃度大于一定的范圍的時候，進(jìn)行語音提示。

　　2)手動控制模塊：

　　◆Zigbee模塊：在手動控制模塊與中控模塊之間進(jìn)行無線傳輸指令和數(shù)據(jù)。

　　◆按鍵控制：直接通過手持終端上的按鍵來發(fā)出控制指令。

　　◆SPCE061A語音模塊：識別盲人發(fā)出的語音指令來控制機(jī)器人,語音控制機(jī)器人使得整個系統(tǒng)操作簡單實(shí)用更加人性化。

　　3)中控模塊：

　　◆中控模塊采用北京博創(chuàng)公司的UP-MAGIC2410開發(fā)板，它集成了助盲語音尋物機(jī)器人的所有子系統(tǒng)，接口豐富，功能強(qiáng)大，是機(jī)器人的總控制器。通過手持終端的Zigbee無線通訊，控制機(jī)器人的開啟、溫濕度檢測、煙霧濃度檢測和語音尋物的功能。

　　硬件系統(tǒng)框圖如下圖1。

　　2項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)

　　根據(jù)助盲尋物機(jī)器人的功能與技術(shù)要求的實(shí)際情況，采用“硬件+軟件”的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)機(jī)器人[5]，各部分簡要介紹如下：

　　系統(tǒng)選用基于采用UP-MAGIC2410的硬件開發(fā)平臺。嵌入式操作系統(tǒng)選用Linux 2.6.24，可以很好的滿足用戶的需求，而且用戶可以對Linux系統(tǒng)進(jìn)行剪裁或定制。

　　SQLit3數(shù)據(jù)庫支持大多數(shù)的SQL指令，使用方便，一個文件就是一個數(shù)據(jù)庫，不需要安裝數(shù)據(jù)庫服務(wù)器軟件，減小了系統(tǒng)空間的使用量。不僅有完整的Unicode標(biāo)準(zhǔn)支持，而且它還具有速度快的特點(diǎn)，可以減少系統(tǒng)查詢所消耗的時間。

　　系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境如下：

　　1)硬件環(huán)境：UP-MAGIC2410硬件開發(fā)平臺、SPCE061A語音模塊、Zigbee無線傳輸模塊、超聲波模塊、RFID模塊;

　　2)軟件環(huán)境：Linux2.6+SQLite3

　　3應(yīng)用的技術(shù)分析

　　3.1 Zigbee簡介

　　ZigBee技術(shù)是一種應(yīng)用于短距離范圍內(nèi)，低傳輸數(shù)據(jù)速率下的各種電子設(shè)備之間的無線通信技術(shù)。ZigBee名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來通知發(fā)現(xiàn)的新食物源的位置、距離和方向等信息，以此作為新一代無線通訊技術(shù)的名稱。

　　ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)：

　　1)功耗低：工作模式下，ZigBee傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量很小，因此信號的收發(fā)時間很短，其次在非工作模式時，ZigBee節(jié)點(diǎn)處于休眠模式。2)傳輸可靠：ZigBee的媒體接入控制層(MAC層)采用talk-when-ready的碰撞避免機(jī)制。3)網(wǎng)絡(luò)容量大：ZigBee低速率、低功耗和短距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)使它非常適宜支持簡單器件。4)兼容性：ZigBee技術(shù)與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無縫集成。

　　5)安全性：Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，在數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級安全性。

　　CC2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHz ISM波段應(yīng)用對低成本，低功耗的要求。它結(jié)合一個高性能2.4GHz DSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器。

　　3.2 RFID簡介

　　RFID模塊采用RMU900+讀寫器。RMU900+模塊是超小型化超高頻讀寫器核心部件,它集成了PLL、發(fā)射、接收、射頻耦合器件 及MCU等。其主要工作頻率為840-960MHz，同時支持EPC C1 GEN2、ISO 18000-6C兩個協(xié)議，可工作在+3.3V的低電壓下，最大輸出功率可達(dá)到27dBm，并且可以通過UART、WIEGAND連接上位機(jī)。RMU900+模塊還提供完整的通訊協(xié)議，可用于上位機(jī)為Linux操作系統(tǒng)的應(yīng)用。

　　3.3 UP-MAGIC2410簡介

　　本次項(xiàng)目的設(shè)計(jì)使用的硬件平臺是由北京博創(chuàng)興業(yè)科技有限公司開發(fā)的UP-MAGIC 2410實(shí)驗(yàn)平臺。S3C2410微處理器的ARM9高性能的開發(fā)平臺，主頻200MHz，100MHz總線頻率。采用最小系統(tǒng)核心板加擴(kuò)展板的雙層構(gòu)架，標(biāo)配32MSDRAM和64M NAND FLASH。提供LINUX2.4/2.6操作系統(tǒng)，并且提供了完整的驅(qū)動和應(yīng)用程序。

　　UP-MAGIC 2410是專門為對成本和功耗非常敏感同時性能要求又相當(dāng)高的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。憑借代碼大小和中斷延遲的優(yōu)化、集成的系統(tǒng)部件、靈活的配置、簡單的高級語言編程和強(qiáng)大的軟件系統(tǒng)，UP-MAGIC2410將成為廣大系統(tǒng)(從復(fù)雜片上系統(tǒng)到低端的微控制器)的理想解決方案。

　　部分模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)：

　　3.4語音控制模塊

　　語音控制模塊主要是通zigbee的無線傳輸來控制助盲機(jī)器人尋找物體。SPCE061A是臺灣凌陽公司出的一款單片機(jī)，它的CPU內(nèi)核采用凌陽最新推出μ’nSP?s21(Microcontroller and Signal Processor)16位微處理器芯片。圍繞μ’nSP?s21所形成的16位μ’nSP?s21系列單片機(jī)采用的是模塊式集成結(jié)構(gòu)，它以μ’nSP?s21內(nèi)核為中心集成不同規(guī)模的ROM、RAM和功能豐富的各種外設(shè)接口部件;由于具有語音處理的特色，即便是不掛接額外的硬件，也能制作語音通訊產(chǎn)品[6]。

　　3.5超聲波模塊設(shè)計(jì)圖如下

　　超聲波是指頻率超過20KHz以上的聲音。理論上，聲音在25℃空氣中傳播速度的理論值為344m/s，這個速度在0℃時降為334m/s。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。而超聲波測距是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達(dá)原理是一樣的。

　　測距的公式表示為：L=C*T (1)。

　　式(1)中L為測量的距離長度;C為超聲波在空氣中的傳播速度;T為測量距離傳播的時間差(T為發(fā)射到接收時間數(shù)值的一半)。

　　發(fā)射部分用來對超聲波換能器進(jìn)行功率驅(qū)動，將由單片機(jī)產(chǎn)生的40KHZ脈沖信號送入發(fā)射輸入端，經(jīng)過驅(qū)動放大達(dá)到足夠功率之后，推動超聲波換能器產(chǎn)生超聲波。之所以使用40KHz的脈沖信號是因?yàn)閷?shí)際的需要α=αf2式中α為衰減，α為介質(zhì)常數(shù)(空氣中α=2×10-13S2/cm),f位震蕩頻率。由上面的公示可知，當(dāng)f=40KHz時，α=3.2×10-4/cm，1/a=31m。如果f=30KMz，1/a=56cm。用波動方程表示超聲波A=A0e-axcos(wt+kx)，那么(1/a)表示了在這個長度上，平面聲波的振幅衰減為原來e分之一。由此可見，頻率越高，衰減越厲害，傳播的距離越短。

　　接收部分主要由接收換能器和放大電路等環(huán)節(jié)組成。其中放大電路是一個放大倍數(shù)較高的三級運(yùn)算放大器，是將從目標(biāo)處反射回來的微弱信號進(jìn)行放大整形后送入計(jì)數(shù)控制電路部分。由于在距離較遠(yuǎn)時聲波的回波信號很小，因而轉(zhuǎn)換為電信號的幅度也較小，為此要求將信號放大60萬倍左右[7]。因?yàn)楣采浞糯筮m合用于小信號放大，所以采用三級共射放大：前兩級放大100倍，其帶寬為15MHz能充分滿足要求;第三級采用運(yùn)算放大器，帶寬為4 MHz。

　　部分代碼如下：

　　void init0int() interrupt 0

　　{uint timer_us = 0;

　　TR0=0;//關(guān)閉定時器0

　　timer_us = TH0*256+TL0;

　　if(timer_us>190)timer_us=timer_us-180;//修正測距的距離

　　if(timer_us<=735)

　　{timer_us=timer_us-96}//二次修正

　　length = ((unsigned long)(329)*timer_us)/2000;//計(jì)算長度,是擴(kuò)大1000倍

　　flag = 0;

　　EA = 0; }//禁止所有中斷

　　3.6驅(qū)動模塊的設(shè)計(jì)

　　驅(qū)動程序是連接硬件設(shè)備和設(shè)備文件的紐帶，是操作系統(tǒng)內(nèi)核和硬件設(shè)備之間的接口。

　　采用嵌入式Linxu系統(tǒng)，其驅(qū)動程序主要有兩種加載方式：直接編譯入內(nèi)核和模塊加載[8]。其中，采用直接編譯進(jìn)內(nèi)核方式，在內(nèi)核啟動時就已經(jīng)存在。而采用模塊化加載方式，需要時動態(tài)的加載入內(nèi)即可，這樣使得程序按需加載，節(jié)省了內(nèi)存，也相對靈活[9]。

　　模塊化加載的的方式如下：

　　1)在Linxu內(nèi)核目錄下，執(zhí)行“make menuconfig”指令，彈出Linux內(nèi)核的配置菜單。

　　2)針對本課題選用的PL2303芯片的串口轉(zhuǎn)USB設(shè)備，在配置菜單中選擇響應(yīng)的驅(qū)動模塊，具體如下：

　　USB support -->

　　USB Serial Converter Support -->

　　USB Serial Converter Support

　　USB Prolific 2303 Single Port Serial Driver

　　3)退出配置菜單，并執(zhí)行“make modules”指令編譯驅(qū)動模塊。也可以只編譯內(nèi)指定目錄下的驅(qū)動模塊，即通過執(zhí)行“make mod? ules SUBDIRS=drivers/usb/serial”指令只編譯內(nèi)核源代碼中drivers/usb/serial目錄下的驅(qū)動模塊。

　　4)執(zhí)行完上述指令后，會在drivers/usb/serial目錄下生成驅(qū)動模塊usbserial.ko和pl2303.ko。

　　5)將usbserial.ko和pl2303.ko下載到開發(fā)平臺上，并執(zhí)行“insmod usbserial.ko”和“insmod pl2303.ko”兩條指令。當(dāng)然由于pl2303. ko是依賴于usbserial.ko的，所以上述指令的執(zhí)行順序是不能改變的。

　　6)最后，通過mknod建立響應(yīng)的設(shè)備文件結(jié)點(diǎn)，即執(zhí)行“mknod /dev/ttyUSB0 c 188 0”即可，而指令中的/dev/ttyUSB0代表文件節(jié)點(diǎn)的名車;“c”代表驅(qū)動程序的類型，為字符驅(qū)動;而188和0分別代表該串口轉(zhuǎn)USB設(shè)備的主次設(shè)備號[10]。

　　3.7系統(tǒng)的工作流程如下

　　通過對SPCE061A語音模塊進(jìn)行語音命令預(yù)存儲操作，并將訓(xùn)練的命令存儲在flash中，在下次啟動時先判定是否已經(jīng)存儲，如果存儲，就直接將命令進(jìn)行加載。否則對其訓(xùn)練。

　　在語音訓(xùn)練完成時，再和中控進(jìn)行串口通信。但接受到一條命令時，語音模塊就通過串口像中控平臺發(fā)送一個對應(yīng)的命令符。

　　中控平臺找到物體后，語音模塊可以通過串口中斷接受中控平臺發(fā)來的命令，并給予語音提示。

　　預(yù)先對RFID記錄標(biāo)簽信息。RFID啟動時，先開啟USB接口，等待中控平臺傳送指令，在通過指令找到相應(yīng)標(biāo)簽信息，然后開啟標(biāo)簽查找功能。

　　機(jī)器人在中控平臺的指令下啟動，并根據(jù)中控平臺中尋徑算法控制其移動避障。并在每一次移動的同時發(fā)送超聲波所反饋的信息。

　　超聲波先設(shè)定好其探測長度(設(shè)定頻率),當(dāng)電機(jī)驅(qū)動開啟后，超聲波通過單片機(jī)GPIO口控制也隨之開啟，隨著機(jī)器人的每一次移動，將前方信息反饋給單片機(jī)。再由單片機(jī)通過串口傳送給中控平臺。

　　先存儲語音和RFID標(biāo)簽信息的數(shù)據(jù)庫，再創(chuàng)建語音控制，RFID通信，和算法的線程，機(jī)器人的調(diào)控接口作為參數(shù)設(shè)置在算法線程中，由算法來給電機(jī)驅(qū)動提供指令。

　　4仿真及總結(jié)

　　基于RFID助盲語音尋物機(jī)器人完成實(shí)現(xiàn)之后，我們對它進(jìn)行了測試，當(dāng)我們在室內(nèi)點(diǎn)燃物品產(chǎn)生煙霧時，機(jī)器人自動會通過語音提示來告訴盲人室內(nèi)的煙霧濃度過高，同時還可以檢測室內(nèi)的溫濕度狀況;當(dāng)通過語音發(fā)出尋物指令時，機(jī)器人就開始移動尋找物品，如果有障礙物遮擋時它會自動及時進(jìn)行避障，不至于撞到周圍物體，直到機(jī)器人移動到RFID模塊掃描到所要找的物品時，它會停止移動并且通過語音提示來告訴盲人物品已找到。整個測試結(jié)果基本達(dá)到了預(yù)期的效果，但是機(jī)器人移動起來所走的路線由于受到路面等環(huán)境因素稍微有點(diǎn)偏差，以致最后離找到的物品發(fā)生位置上的偏差。

　　這款助盲語音尋物機(jī)器人所定位的服務(wù)對象是我國的廣大的盲人群體，切實(shí)的幫助盲人解決生活上尋找物體的不便，為他們帶來物聯(lián)網(wǎng)時代下高科技的生活體驗(yàn)[11]。利用RFID定位導(dǎo)航，是依賴其較高的精確度，且便于控制[12]。根據(jù)RFID技術(shù)檢測到目標(biāo)物的位置[13]，利用超聲波探測技術(shù)結(jié)合貪心算法進(jìn)行局部路徑規(guī)劃[14]，在保證規(guī)劃任務(wù)順利完成的同時，也保證了路徑規(guī)劃的收斂性，并且具有較好的環(huán)境適應(yīng)能力[15]。在探測路面狀況方面，是利用超聲波來進(jìn)行實(shí)時探測。超聲波不僅可以設(shè)置探測定長，而且探測距離遠(yuǎn)。采用Zigbee無線傳輸語音命令控制機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動的趣味和便利。

　　隨著對移動機(jī)器人技術(shù)的深入研究，以及機(jī)器人在工業(yè)和日常生活中的逐漸普及，采用RFID技術(shù)的移動機(jī)器人研究的顯得越來越為人們所關(guān)注，其也必將為人們的生活、生產(chǎn)帶了極大的便利。

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