基于NodeMCU的医疗语音呼叫系统设计.pdf

所需积分/C币:22 2019-09-12 11:48:56 611KB PDF
收藏 收藏
举报

为优化病人、陪护与医护人员之间的沟通方式,避免造成医患纠纷,改善医院目前广泛使用的传统模式呼叫系统的布局弊端和沟通缺陷,提出了基于NodeMCU无线通信的语音智能医疗呼叫系统的设计方案,将语音技术、基于NodeMCU 的WiFi低功耗无线通讯方式等现代化技术引入到医疗呼叫系统中,使得医护人员和病人之间的沟通不再繁琐,减少沟通成本,呼叫模式变得更加的智能化,同时省去了布线施工的成本,系统组成单元包括无线通讯模块、语音终端、显示终端等。且经过测试,该无线语音医疗呼叫系统使得病人与医护人员的沟通更简单快捷,也便于医护人员更好、及时的了解到病人的需求,旨在打造更加网络化、智能化的医疗呼叫系统,在社区医
音频输入按口 语音识别 沪士服务台 自 :各编吗解码 功凝放大器 語音终端 图1系统总体框图 3系统硬件设计 本文采用的 NodeMCU是一个开源的物联网平台,可使用的编程语言是Lua,因此也可 说该平台是基」eLua的一和开源项目,底层使用ESP8266sdk0.95版木4。 NodeMCU能 够连接外围设备,因为其包含USB接口、扩展接口和串口,并且这些接口在驱动时都是使 用的非阻塞的事件驱动,所以,在使用时不仅方便,而且对于在降低功耗方面有很大的优势, 在实时物联网的应用中也具有一定的优势。 NodeMCu是以集成了WiFi的ESP8266片上系 统为核心,不需要外接wii就可实现无线通信,且由于内部继承了稳定的优化算法,在功 耗、体积以及成木方面都具有极大的优势。木系统还设计了语音终端采集病人的呼叫请求, 并在显示端进行显示和处理。硬件总体设计如图2所示。 语音终端 ESP8266 WiFi 模块 显示终端 电源 odeMCU 扩展接口 SPI Flash存储 串口 USB接口 图2硬件总体设计 3.1语音终端模块 语音终端模块采用LD3320语音识别芯片,该芯片识别率较高且不需要事先训练和录 音来进行非特定人浯音识别6,此外,电路改计大大简化,不需要外接Fash和RAM,内部 集成了可实现语音控匋和识别以及人机交互功能的稳定的优化算法,经过使用测试,该算法 的识别率可达到95%左石。该语音模块采用的ASR技术是只注重语音数据特征的非特定人 语音识别技术,即识别时不关心是谁发出的命令,他的年龄和性别,只要使用的是普通话, 都可识别。识别的原理是通过转换然后匹配选取最优的结果,首先,使用数学模型进行建模, 然后将收集到的语首数据进行频谱转换为语首特征并提取岀来,根据特征生成语音关键词列 表,最后,就是选取最优的结果进行输出即可。一般使用LD3320在识别时可以产生4种结 果:匹配结果1、匹配结果2、匹配结果3、匹配结果4,将四种匹配结果进行筛选和比对, 选取其中最优的且出现次数最多的一个,即为需要的最优结果。该芯片的识别容量为1至 50个关键词,每条语音数据的长度不超过10个中文汉字或者不超过79个字节的汉语拼音, 当然必须为普通话,为了区别每个字,中间用空格符作为分隔符,例如换药的转换是:“huan ao。 语音识别芯片的工作流程是:首先对经过MC输入的声音流进行频谱分析,接着对 语音进行特征的提取,然后匹配关键词语列表中的关键词语,并从此关键字列表中匹配得分 最高的关键词语作为最终语音识别的结果输出。 32无线通讯模块 本文采用集成WF的 NodcMCU低功耗平台设计方案,实现物联网设备无线通信低功 耗的目标。本模块的 Node mcu固件平台采用 WIFI SOC ESP8266作为核心,ESP8266是 款超低功耗的 UART- WiFi透传模块,在这个模块之中自身包含可以实现串口和wFi转 换的ICP协议栈。而且模块有着丰富的可实现串凵透传的硬件接口,同时可支持PWM 调控以及GPIO的控制。在每次启动、复位和唤醒时,GPIO15必须保持低电平,GPIO2必 须保持高电平;当GPIO0为高电平时表示处于RUN模式,低电平时表示处于 FLASH模式 当需要设置为睡眠模式吋 GPIOI6和RST需连接在·起,GPIO16将输山低电平去重置系统 的唤醒时间。 无线模块在通信时不需要连接外围无线设备,也不需要连接wiHi,原理是通过智能连 接技术空中抓包获取无线路由器的ID和 password进行自动连接路由器并向发送数据至硬件 部分无线模块。 无线WFi通信模块ESP8266的工作模式有三种:1、接入点( Access point)模式,也可称 灲AP模式,该模式下允许其他的无线设备接入,提供无线的数据访问服务,一般使用的无 线路由和无线网卡即工作在这种模式之下,每一个接入点是被允许互连的,我们可以把家里 使用的无线路由器就作为其中的一个接入点:2、客户端( Station)模式,也可称为STA模式, 这种模式是不接受无线的接入的,和无线终端类似,但是他可以连接到接入的AP;3、接入 点客户端模式,即同时使用AP和SIA这两种的模式,在本系统中,我们的系统需要同时 发送语音数据,又需要接收服务台的回复消息,那么在本系统中主要采用的就是这种工作模 式。系统主要使用FSP8266无线模块的的通信处理函数模块,以此为载体来构建本文主要 使用的 nodeMCU平台,并构建无线通信模块之中的WiFi路由的功能,并构建云平台的服 务器的数据通信功能,将这些数据链路构建完成之后,就可将ESP8266中的WiFi无线通信 模块与路由器进行连接,这样就可实现本系统的通过云平台服务器远程通信的功能。 3.3电源模块 本文电源模块使用SPX3819Ⅵ5-L-3-3这种噪声低的线性稳压电源,它的优势是线路简 单,本文选用的电源SPⅩ3819M5L-3-3额定工作电流为500mA,可满足 NodeMCu启动时 对瞬问电流的要求 3.4显示终端模块 显示终端模块使用的是NT35510进行驱动的 TFT-LCD液晶屏,其实现方式主要是采用 lC总线协议方式实现。显示端模块中存储的部分采用SD卡实现,其协议采用SPI总线协 以。显示终端还可包含移动端显小,即可使用手机、平板等便携式改备进行呼叫信息显小和 处理。 4软件设计 41语音模块软件设计 语音终端的软件设计的核心是语音识别程序设计,在该模块的软什设计部分整个稈序 要从以下流程进行实现,首先对芯片进行·系列的通用初始化,主要包括复位、工作模式的 设定、设定使用的时钟频率、设定FIFO等相关的初始化操作;完成初始化之后进行LD3320 语音识别芯片的工作检查,确认芯片可以进行后续的正常工作。当用户需要进行语音呼叫 时按下唤醒按键或者唤醍语音,然后进入语音录入模式,当结朿语音的求入之后,将该语音 片段写入关键词识别列表,LD3320芯片在写入识别列表的规则是需要一个特定的编号对应 个识别的条目,编号的数量不能超过50个,该编号的数值须小于256且不需要连续,每 个识别的条日为标准的普通话均转换成小写汉语拼音,字与字之间用空格来进行分隔。接 下来进行语音识别的工作,因为需要等待语音识别的结果,所以此时需要打开中断。当收到 回复的反馈信息,将该信息发送到语音终端,最后将该调內容通过语吝终端播放并同时显示 用户呼叫的内容。流稈图如图3所示。 开始 通用初始化 是合承 与人识别列表 进行语音识别 是否是有效县别 根据细果走行显示 结末 图3语音识别流程图 42通讯协议 语音终端与 NodeMCu通信的数据帧采用自定义的通信协议,主要由唢头、帧长、数据、 校验和和帧尾五个部分构成,其中每个部分的定义和占用字节数可根据实际使用来自定义 本系统将帧头定义为0xOA,可占用长度为Byte;尾定义为0x2A,可占用长度为 I Byte 校验和占一个字节,将有效数据相加取余;帧长为数据的有效长度,可占用长度为1Bvte; 数据可占用长度为3Bytc-256Bytc 采用以下的帧格式: 帧头( Header)+帧长( Length)+数据(Date)+校验和(FCS( Check)、帧尾( Footer) 43无线通讯模块软件设计 本系统无线通信时可以生成一个包含寻找到的无线局域网的列表,选中列表中包含的模 块便可直接进行连接,采用的控制协议的是TCP可靠协议,发出或接收的所有指令都将 以GET和POST函数传送给嵌入在 nodeMcU中的无线模块中,该模块也是基于TCP协议 的HTTP服务,那么模块在接收到指令请求之后就会对该指令进行解析,此时需调用解析器 解析岀具体的指令含乂,在完成解析之后,可根据解析岀来的结果进行一系列的操作,同时 将会返回执行的结果。本系统中使用Lua脚本语言编写WiFi的路由连接稈序以实现ESP8266 无线通信模块与无线路由的连接,该程序中的实现首先需要设置wiFi的工作模式,由于本 系统中使用的是STA+AP的工作模式,那么需要改置 station模式中所需要的sd和 password 以及设置开启定时器)进行在 station模式下打开AP模式,同意路由的AP连接,当连接 wiFi路由成功后,便可直接从路由中获取客户端的P地址,以此进行无线通信,具体通信 流稈如图4所示。 开始 设置WiFi模块的 Station模式 置同一路由的无线网 启动定时器、连接路由 WiFi迕接成功 关闭定时器 获取珞由器分配的IP地址 结束 图4无线连接流程图 44显示终端软件设计 显示端主要包括病人呼叫信息的显示和信息报警提示,首先进行初始化和启动 NodeMCU无线接收模式,将识别后的语音信息解析完成发送到显示端,显示端就会发出报 警提小音并在显小屏上将语音内容显小出来,医护人员看到呼叫信息后确认处理, NodeMCU 再将处理回复返回到呼叫端。 5系统测试 本系统测试时主要釆用两种方式米进行语音终端的唤醒,一种是按键唤酲的方式,另 种是特定语音唤醒的方式。通过测试,特定语音唤醒方式由于容易受到环境的影响,识别率 较低,且误识别情况发生较频繁,因此在本系统中要采用按键触发的方式,并针对该种方 式下的识别率进行了测试,测试环境为1至10米的范围内,每间隔1米对语音终端发出50 至100次的语音请求,具体的测试数据如图5所示,通过本次测试可以得出,可将麦克风灵 敏度设置为18、麦克风增益设置为2,本系统的语音前端在1-5m时语音识别率较高。 语音识别效果 98.000i f6,000c 88.0090 860000 1in 2m 3in 4 5 7n 8m gin 10m 此离 图5语音识别率测试结果 通过测试 NodeMCU无线通信模块通信稳定,传输数据至云端发送时延低,错误率低, 能很好的满足系统功能需求。在测试信号強度和丟包率时时使用的是 Smart re sπudio软件, 分别对系统的每个节点的这两个测试项进行了测试,将接收与发送节点之间的信道设置为 0Ⅺ0B,它们之间的频率设置为2430Hz,测试环境分别为有、无障愽,其中无障得坏境卜节 氐相距1米和5米,有障碍环境设置为穿墙障碍节点相距12米,测试出信号强度的结果如 图6所示。 信号强度江试 60 80 l111555551212121212 正离/m 图6信号强度测试结果 6结语 木文设计的无线语音呼叫系统,使用WiFi无线通讯方式与语音呼叫相结合的方式,区 别于传统呼叫系统单一的控制方式,改善了当前有线呼叫系统的局限性,大大简化了医护人 员和病人之间的沟通过程,同时针对语音识别芯片解决了外部存储器数据修改困难的问题, 并突破∫WiFi通讯方式存在的功耗问题,从测试和使用情况上看,该系统运行稳定,性能 良好,并且有极大的市场前景和应用价值 参考文献: [郑曦,何晖雄,萸少伟,陈善隆,缪伟.互联网医疗研究综述:回顾、现状与监管[中国卫生法 制,2018,26(04):28-33 [2]吴彬医院呼叫系统的总体设计与电路优化门.人人健康(医学导刊),2008,2(02):93-94 [3]陈章进张建峰李蝓超.基于 ZigBee与Wii的无线智能照明系统没计[J.计算机测量与控 制,2016,24(02)228-231 4]纪亚萍.基于Wi-iSoC的物联网平台设计[D]兰州大学,2015 [5]Kan He, Yaqing Tian, Qiang Li, Zhourong Zhou, Jing Zhang. Design of intelligent speech recognition about trash can based on LD3320U]. Foreign electronic measurement technology. 2015, (06): 85-88 [6]姜杰文,姜彦吉,邴晓环,洋,基于LD3320的非特定人识别声控灯系统设计现代电子技 术,2015,38(11:27-30 [7]Rahhal Errattahi, Asmaa El Hannani, Hassan Ouahmane. Automatic Speech Recognition Errors Detection and Correction: A Review[J]. Procedia Computer Science, 2018, 128: 32-37 [8]姜杰文,姜彦吉邴晓坏,王洋基」LD3320的非特定人识别声控灯系统设计[J.现代电子技 术,2015,38(1127-30 「9魏莱.医院病房语音呼叫系统设计与实现[D.电子科技大学,2015. [1〕0]范兴隆ESP8266在智能家居监控系统中的应用门J.单片机与嵌入式系统应 用,2016,16(09):52-56 [11 Azmi N, Sudin S, Kamarudin L M, et al. Design and Development of Multi-Transceiver Lorafi Board consisting LoRa and ESP8266-Wifi Communication Module[J]. 2018 318(1):01205l-1-012051-10. [12]林巧,杨坚坚Lua语言在轻量级Web服务器改计中的应用[计算机系统应 用,2016,25(07124-129 [13]Wei Li, Bai Hui Cui, Fa Wei Zhang, Xing Guo. A Smart Home System Based on Speech Recognition Technology[J] Applied Mechanics and Materials,20153744(713-715):2123-2125 [14]徐子豪张腾K.基J语音识别和无线传感网络的智能家居系统设计[J计算枳测量与控 制,2012,20(01):180-182 [15 Monika Kashyap, Vidushi Sharma, Neeti Gupta. Taking MQTt and Nodemcu to IOT Communication in Internet of Things[J]. Procedia Computer Science, 2018, 132: 1611-1618

...展开详情
立即下载 低至0.43元/次 身份认证VIP会员低至7折
    抢沙发
    一个资源只可评论一次,评论内容不能少于5个字
    weixin_38744153 欢迎大家使用并留下宝贵意见
    2019-09-12
    • 至尊王者

      成功上传501个资源即可获取
    关注 私信 TA的资源
    上传资源赚积分,得勋章
    最新推荐