CN110782893A - 基于语音的洗手交互系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于语音的洗手交互系统及其控制方法，红外线感应器、泵、喷管和液体存储容器组成自动洗手装置，感应是否检测到人手，从而控制泵的状态；语音识别模块、主控芯片、语音播报芯片、SD卡、电源、扬声器和led组成人机交互装置，人发出指令后，通过语音识别模块对关键词语音信号进行识别，不同识别结果对应不同的控制指令，将指令信息传输给主控芯片，系统进入相应控制；手机APP端则供大人查看和记录儿童的洗手情况、次数、每次时间长度和时间点分布信息；帮助家长更好督促儿童洗手；在APP端提供各地传染性疾病机构发布的信息。本发明通过自然无接触的语音交互方式，帮助建立儿童群体的洗手习惯。

Description

基于语音的洗手交互系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及的儿童家居产品技术领域，尤其涉及一种基于语音的洗手交互系统及其控制方法。

背景技术

医学实践证明：在一平方厘米的手掌上就能聚集3500～4500个细菌，每个指甲缝内竟有4.5～5万个细菌。每个人的双手平均携带1000万个细菌，一块在厨房中用过的抹布，也不过才几百万个。

不洗的手一般带有大肠杆菌、沙眼菌、伤寒菌、痢疾菌等20一30种病菌，而导致肠道、眼病、伤寒病多种疾病。如果不洗手，疾病很容易就找上你，人体的抵抗力也会变低。

洗手习惯与人们的生活息息相关，影响着几乎所有人卫生和健康情况，但是很大部分人很难做到真正的健康洗手、勤洗手、洗净手，尤其对于儿童来讲，缺乏一定的知识来源渠道以及父母的正确引导，他们对洗手方面的意识便更加薄弱。目前针对建立儿童洗手习惯的装置或产品较为稀少，因而基于当前的智能技术设计一种系统来辅助儿童建立洗手习惯颇具实用意义。

但是在面对儿童洗手这事上，会遇到各种挑战。其一，儿童对洗手积极性不高。多数家长都会有一遍又一遍的催促小孩洗手的经历；其次，儿童对手的清洁没有太多意识，因此很难建立洗手习惯；还有，儿童不知道如何正确洗手。在不同的学校对不同年级的学生进行自行设计的有关洗手的相关知识结果显示：80％的孩子不知道什么是正确的洗手方法。总之，儿童普片好奇心很重，喜欢到处碰碰摸摸，但是又拒绝去洗手；经常不洗手就拿东西吃，不讲卫生；讨厌碰水，一叫洗手就跑开了。

发明内容

本发明目的是提供一种基于语音的洗手交互系统及其控制方法，使儿童知道在前洗手、大小便后洗手、户外回家后洗手、吃零食点心前洗手和玩了较脏东西后洗手，建立洗手习惯。并能知道该如何正确洗手，包括洗手部位、方式和洗手时间等。且通过亲子洗手的方式，提高儿童洗手积极性，增加亲子关系。通过系统来指示疾控中心等传染性疾病发布的信息严重等级，为家庭健康更好保驾护航。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

具体的技术方案为：

基于语音的洗手交互系统，包括语音识别模块、蓝牙模块、主控芯片、语音播报芯片、SD卡、电源、扬声器、led、红外线感应器、泵、喷管、液体存储容器和手机APP端；

所述的红外线感应器、泵、喷管和液体存储容器组成自动洗手装置，感应是否检测到人手，从而控制泵的状态；

语音识别模块、主控芯片、语音播报芯片、SD卡、电源、扬声器和led组成人机交互装置，人发出指令后，通过语音识别模块对关键词语音信号进行识别，不同识别结果对应不同的控制指令，将指令信息传输给主控芯片，系统进入相应控制；

手机APP端则供大人查看和记录儿童的洗手情况、次数、每次时间长度和时间点分布信息；帮助家长更好督促儿童洗手；在APP端提供各地传染性疾病机构发布的信息。

基于语音的洗手交互系统的控制方法，包括以下步骤：

语音识别来作为人机交互的自然方式，来接收人的各项命令，将人发出的语音信息输入给语音识别模块后，首先进行频谱分析，从语音信息中提取出特征信息，然后语音识别模块中的语音识别器将采集到的特征信息与识别关键词条列表中的数据进行对比匹配，在与关键词条列表中的某一条匹配成功后，则将设置好的词条识别结果输出；主控芯片收到识别结果并且对接收到的数据进行判断，执行相应的操作。

具体的，(1)系统识别到科学洗手语音命令后，进入洗手六步法的播放；如果没有接收到语音而进入洗手，洗手时会播放20秒音乐，来指导儿童保持适当的洗手长度，并愉悦洗手过程；

(2)系统识别到洗手要求语音命令后，进入习惯养成模式；检测达到洗手要求发出固定时间后，系统给出语音提醒儿童洗手；并通过点亮彩色花瓣来培养儿童在不同情况下的洗手习惯；

(3)系统通过两个出洗手液口一大一小，鼓励亲子洗手；出液口自动感应，人手靠近后自动出洗手液；当检测到两个出洗手液口在相同时间段内使用时，系统会播放出亲子儿歌，且装置上的大小手图案亮起，随着音乐开始闪烁。

还包括，系统将儿童的洗手数据信息通过蓝牙模块发送给手机APP端，供大人查看和记录儿童的洗手情况、次数、每次时间长度和时间点分布等信息，来帮助家长更好督促儿童洗手。

手机APP端根据各地疾控中心等传染性疾病机构发布的信息，将当前活跃传染性疾病进行严重等级分类后，通过蓝牙模块将等级信息发送到本智能洗手系统。系统上设置有传染性疾病等级颜色指示灯，用以指示家长和儿童注意洗手。

当手放在装置的感应区域内时，红外线发射管发出的红外光经过人体的手反射到红外线接收管。接到反射信号后，马达驱动位于存储容器下方的压力泵，压力泵将液体与空气在液气混合装置中进行混合后，形成丰富的洗手液气泡，然后再从出液口流出，从而实现自动取液。当手离开洗手器的感应区域内，红外光就没有反射，压力泵自动关闭。

本发明提供的基于语音的洗手交互系统及其控制方法，多个维度(科学洗手、亲子洗手和习惯养成)来全面考虑各种儿童洗手需面对的问题，在满足不用手接触就能自动将手彻底洗干净的同时，通过自然无接触的语音交互方式，帮助建立儿童群体的洗手习惯，具有一定的现代教育意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

其中：

图1为本发明实施例1电路系统结构图。

图2为本发明实施例2的科学洗手功能流程示意图；

图3为本发明实施例2的亲子洗手功能流程示意图；

图4为本发明实施例2的习惯养成功能流程示意图；

图5为本发明实施例2的洗手装置正面示意图；

图6为本发明实施例2的洗手装置反面示意图；

图7为本发明实施例2的手机端APP示意图；

图8为本发明实施例2的手机端APP示意图；

图9为本发明实施例2的手机端APP示意图；

图10为本发明实施例2的手机端APP示意图。

具体实施方式

结合实施例说明本发明的具体技术方案。

实施例1

如图1所示，基于语音的洗手交互系统，包括语音识别模块、蓝牙模块、主控芯片、语音播报芯片、SD卡、电源、扬声器、led、红外线感应器、泵、喷管和液体存储容器等。

红外线感应器、泵、喷管和液体存储容器组成自动洗手装置，感应是否检测到人手，从而控制泵的状态。在洗手系统的上部设有两个液体出口，即喷管。两个喷管分别和容器的液体输出泵通过管道相连接。

语音识别模块、主控芯片、语音播报芯片、SD卡、电源、扬声器和led组成人机交互装置，人发出指令后，通过语音识别模块对关键词语音信号进行识别，不同识别结果对应不同的控制指令，将指令信息传输给主控，系统进入相应控制。扬声器和led则是本系统向人发送信息和交互的单元，分别提供听觉和视觉信息。

蓝牙模块则是本系统和手机端APP的通信装置。

各个模块细述如下：

MIC将人发出的语音信息输入给语音识别模块后，首先进行频谱分析，从语音信息中提取特征信息，随后模块中语音识别器将采集到的语音特征信息与识别关键词条列表中的数据进行对比匹配，与关键词条列表中的一条匹配成功后，则输出已经设置好的词条识别结果，此时，主控芯片收到识别结果并且对接收到的数据进行判断，执行相应的操作。

语音识别模块采用LD3320，它是一颗采用非特定人语音识别技术的语音识别芯片，芯片上集成了高精度的A/D和D/A接口，不再需要外接辅助的RAM和Flash等，就可以实现语音识别/声控/人机对话的功能。并且识别的关键词语列表是可以动态编辑的。LD3320支持SPI接口和并行接口的非特定语音识别模块、板载咪头和有源晶振，方便实现语音识别、声控和人机对话功能。高准确度和实用的语音识别效果。非特定人语音识别技术：不需要用户进行录音训练。可动态编辑的识别关键词列表：只需要把识别的关键词以字符串的形式传送进芯片，即可以在下次识别中立即生效。支持用户自由编辑50条关键词：在同一时刻，可在50条关键词语中进行识别，终端用户可以根据场景需要，随时编辑和更新这50条关键词语的内容。

主控芯片负责根据接收到的不同识别结果，来执行相应动作。选择STM32主流型的STM32F103增强型系列。其不仅支持Thumb-2指令集，而且拥有很多新特性，系统工作频率最高可以达到72MHz。STM32F103系列芯片拥有丰富的外设及其I/O口，本专利设计选用64个引脚的STM32F103RET6作为核心处理器，工作电压为2.0-3.6V，512K Byte的Flash及其64KByte的SRAM并且有I2C总线、SDIO通信接口、SPI总线等丰富的外设，拥有3个12bit的ADC，2个12bit的DAC，1个USB通道，有16个中断优先级，30个中断通道；其中STM32F103RET6芯片的SDIO接口可与蓝牙模块的SDIO接口进行通信。

语音播报芯片采用SYN6288，通过它来将设定的文本信息在需要的时刻调度后用语音发出。SYN6288通过异步串口接收待合成的文本，实现文本到声音(TTS)的转换。可合成任意的中文文本，支持英文字母的合成。具有智能的文本分析处理算法，可正确识别数值、号码、时间日期及常用的度量衡符号。支持多种文本控制标记，提升文本处理的正确率。每次合成的文本量最多可达200字节。支持多种控制命令，包括：合成、停止、暂停合成、继续合成、改变波特率等。支持休眠功能，在休眠状态下可降低功耗；支持多种方式查询芯片工作状态。支持串行数据通讯接口，支持三种通讯波特率：9600bps、19200bps和38400bps。支持16级音量调整；播放文本的前景音量和播放背景音乐的背景音量可分开控制。可通过发送控制标记调节词语语速，支持6级词语语速调整。

红外收发模块通过人手反射红外线原理来决定出液泵是否工作，达到人们只需要把手放到红外线感应区域就能洗手的目的。当手放在装置的感应区域内时，红外线发射管发出的红外光经过人体的手反射到红外线接收管。接到反射信号后，主控芯片控制压力泵工作，将洗手液从存储容器中压出，达到自动出液的效果。当手离开洗手器的感应区域内，红外光就没有反射，压力泵自动关闭。

马达驱动位于存储容器下方的压力泵，压力泵将液体与空气在液气混合装置中进行混合后，形成丰富的洗手液气泡，然后再从出液口流出，从而实现自动取液。本专利无需用手搓揉起泡，即可使用泡沫状洗手液，提高了使用的便利性。

存储器负责声音文件的存储，本装置中使用的是日常广泛使用的SD卡。使用SPI通信接口进行数据读写，采用4线制，即CS、CLK、DataIn和DataOut进行数据通信。主控芯片通过SPI接口实现与存储器的初始化、读取SD卡的CID/CSD寄存器(即SD卡的标识码和信息)、命令和数据传输。控制SD卡将对应的声音文件读取出来。

蓝牙模块负责数据的接收，选用PW-01蓝牙模块，它是主从机一体、串口数据透传和超低功耗的蓝牙透传模块。该模块基于蓝牙4.0协议标准，采用美国德州仪器TI CC2541芯片作为核心处理器。PW-01拥有强大全面的AT指令集，涵盖了蓝牙应用中几乎所有的场景。蓝牙模块接收手机的配置命令后，将数据传输给主控芯片，执行相应操作。其通过串口和主控芯片相连。

实施例2

如图2～图6，基于语音的洗手交互系统的控制方法，本系统功能分为科学洗手、亲子洗手、习惯养成、洗手预警和APP数据。具体如下：

系统识别到“科学洗手”语音命令后，即“小卫小卫，和我一起洗手吧”，主控芯片根据语音识别模块的结果，从SD卡中选择对应的声音文件，进入洗手六步法的播放。洗手六步法内容如下：

“第一步，双手手心相互搓洗(双手合十搓五下)；

第二步，双手交叉搓洗手指缝(手心对手背，双手交叉相叠，左右手交换各搓洗五下)；

第三步，手心对手心搓洗手指缝(手心相对十指交错，搓洗五下)；

第四步，指尖搓洗手心，左右手相同(指尖放于手心相互搓洗)；

第五步：一只手握住另一只手的拇指搓洗，左右手相同；

第六步：指尖摩擦掌心或一只手握住另一只手的手腕转动搓洗，左右手相同。”

主控芯片检测到在没有接收到语音而直接进入洗手时，主控芯片从SD卡中选择洗手背景音，播放20秒的音乐，来指导儿童保持适当的洗手长度，并愉悦洗手过程。该洗手背景音可通过语音进行开关设置。

科学洗手的语音引导还设有趣味版，当语音识别模块识别出“小卫小卫，我们一起消灭细菌吧”，主控芯片从SD卡中调取趣味洗手六步：“报告小主人，在手心发现大量细菌，让我们赶走它们吧。”、“报告小主人，手指缝处需要泡泡火力支援。”、“报告小主人，手背上细菌正顽强抵抗，请前往消灭。”

系统通过两个出洗手液口(一大一小)设计来鼓励“亲子洗手”。红外收发模块将检测信息送给主控芯片，主控芯片发现两个出洗手液口在相同时间段内使用时，从SD卡读取亲子儿歌来渲染亲子氛围，即“大头儿子小头爸爸，一对好朋友快乐父子俩”，同时装置上的小花瓣随着音乐开始闪烁。

两个出洗手液口管道上分别有led灯进度指示条，作为亲子洗手互动的另外一种方式。每次检测到哪一边洗手后，对应的led进度指示条加一。谁的进度条率先满格后，本次比赛谁获得最终胜利，主控芯片从SD卡读取祝贺语音“大朋友/小朋友棒棒，洗手壮壮。这朵漂亮小花送给你”，同时装置中间的小花闪烁。随后两边进度条同时归零。

通过小朋友和家长之间的亲子洗手，来增加小朋友洗手的积极性，提高了亲子之间默契度，提高洗手依从性。并且通过亲子洗手，让家长教导小朋友如何正确洗手，帮助小朋友更早掌握科学洗手的方法。

系统识别到洗手要求语音命令后，进入“习惯养成”模式。洗手要求命令分成五种，分别是饭前洗手、大小便后洗手、户外回家后洗手、吃零食点心前洗手和玩了较脏东西后洗手等。洗手装置正中间有一朵五片花瓣的花，每一片花瓣可以点亮一种颜色的灯，分别对应五种洗手要求命令。当一种洗手要求命令得到相应时，其对应的花瓣亮起，如检测到“小卫小卫，饭前洗手”命令后，在指定时间内儿童洗手后，黄色的花瓣亮起。

洗手要求指令发出后，如果检测到固定时间内仍没有洗手动作，系统给出语音提醒儿童洗手，“小主人，到我这里来，让我来守护你的双手”。当五瓣花瓣都集齐后，主控芯片从SD卡读取祝贺语音“厉害了我的小主人，让我看看你干净的双手”，同时花瓣等闪烁。通过点亮彩色花瓣来培养儿童在不同情况下的洗手习惯。彩色花瓣位于装置的正中间，每个不同颜色的花瓣可以被点亮。在每天凌晨时所有花瓣熄灭，重新开始点亮。

如图7到图10，手机APP端根据各地疾控中心等传染性疾病机构发布的信息，将当前活跃传染性疾病进行严重等级分类后，通过蓝牙模块将等级信息发送到本智能洗手系统。系统上设置有传染性疾病等级颜色指示灯，用以指示家长和儿童注意洗手。装置上的指示灯为汇总后统一提醒指示，手机APP端可以看到各地区各种前活跃传染性疾病等级，点击所选传染性疾病后，可查看其对应的知识介绍，包括概述、传染源、传播途径和易感人群等。

系统将儿童的洗手数据信息通过蓝牙模块发送给手机APP端，供大人查看和记录儿童的洗手情况、次数、每次时间长度和时间点分布等信息。来帮助家长更好督促儿童洗手。

Claims (5)

1.基于语音的洗手交互系统，其特征在于，包括语音识别模块、蓝牙模块、主控芯片、语音播报芯片、SD卡、电源、扬声器、led、红外线感应器、泵、喷管、液体存储容器和手机APP端；

所述的红外线感应器、泵、喷管和液体存储容器组成自动洗手装置，感应是否检测到人手，从而控制泵的状态；

语音识别模块、主控芯片、语音播报芯片、SD卡、电源、扬声器和led组成人机交互装置，人发出指令后，通过语音识别模块对关键词语音信号进行识别，不同识别结果对应不同的控制指令，将指令信息传输给主控芯片，系统进入相应控制；

手机APP端则供大人查看和记录儿童的洗手情况、次数、每次时间长度和时间点分布信息；帮助家长更好督促儿童洗手；在APP端提供各地传染性疾病机构发布的信息。

2.根据权利要求1所述的基于语音的洗手交互系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：语音识别来作为人机交互的自然方式，来接收人的各项命令，将人发出的语音信息输入给语音识别模块后，首先进行频谱分析，从语音信息中提取出特征信息，然后语音识别模块中的语音识别器将采集到的特征信息与识别关键词条列表中的数据进行对比匹配，在与关键词条列表中的某一条匹配成功后，则将设置好的词条识别结果输出；主控芯片收到识别结果并且对接收到的数据进行判断，执行相应的操作。

3.根据权利要求2所述的基于语音的洗手交互系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)系统识别到科学洗手语音命令后，进入洗手六步法的播放；如果没有接收到语音而进入洗手，洗手时会播放20秒音乐，来指导儿童保持适当的洗手长度，并愉悦洗手过程；

(2)系统识别到洗手要求语音命令后，进入习惯养成模式；检测达到洗手要求发出固定时间后，系统给出语音提醒儿童洗手；并通过点亮彩色花瓣来培养儿童在不同情况下的洗手习惯；

(3)系统通过两个出洗手液口一大一小，鼓励亲子洗手；出液口自动感应，人手靠近后自动出洗手液；当检测到两个出洗手液口在相同时间段内使用时，系统会播放出亲子儿歌，且装置上的大小手图案亮起，随着音乐开始闪烁。

4.根据权利要求3所述的基于语音的洗手交互系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：还包括，系统将儿童的洗手数据信息通过蓝牙模块发送给手机APP端，供大人查看和记录儿童的洗手情况、次数、每次时间长度和时间点分布信息，来帮助家长更好督促儿童洗手。

5.根据权利要求4所述的基于语音的洗手交互系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：还包括，所述的手机APP端根据各地疾控中心等传染性疾病机构发布的信息，将当前活跃传染性疾病进行严重等级分类后，通过蓝牙模块将等级信息发送到系统，系统上设置有传染性疾病等级颜色指示灯，用以指示家长和儿童注意洗手。

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