一种基于智能手机的物联网家用机器人

５０　工程技术　

一

种基于智能手机的物联网家用机器人　

张鹏　

（苏州工业园区服务外包职业学院，江苏苏州２１５１２３）　

陶文寅　

摘要：本文提出了一种低成本的易于推广的机器人设计方案；　

从通信方式、功能层次、硬件模型几个方面阐述了该机器人　

平台的设计及实现；经过实验证明了该机器设计方案的合理性，　

实现了机器人模型。　

关键词：机器人；智能手机；低成本　

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１—６３９６．２０１３．０３．０２４　

１　引言　

我国在２０世纪９０年代中后期就开始了智能服务机器人　

的研究，但制约机器人进入普通家庭的重要因素就是成本；　

另一方面，ｉＰｈｏｎｅ等智能手机已经是很多现代人的生活必需　

品。所以，将机器人和智能手机结合起来，由智能手机代替　

机器人的“大脑”来控制各种操作，是一个降低机器人硬件　

成本的研究方向，这方面的研究将有利于机器人普及与推广。　

２通信方式接口设计　

通过智能手机来指挥机器人硬件电路，需要优先解决手　

机与硬件控制电路的通信问题。本机器人通过耳机接口（音　

频接口）与手机进行通信。利用该通信方式既可简化用户的　

操作（只需插接），又可节约机器人的硬件成本。　

ｉＰｈｏｎｅ等智能手机都使用３．５ｍｍ标准的插孔／插头来输　

出（或接收）音频信号（或麦克风输入）。标准耳机插头电　

路如图１所示，图中引脚①、②、③、④分别传输：左声道　

信号、右声道信号、接地信号、麦克风信号。　

图１耳机接口电路　

图２耳机接口通信设计　

虽然，ｉＰｈｏｎｅ等智能手机插入耳机后，仍然可通过程序　

设置，将音频信号传输给手机自带的扬声器。但由于使用自　

带扬声器时，也只能使用手机自带的麦克风进行数据采集，　

这样将导致机器人信号无法输入手机。所以，外围控制电路　

需要单独配备扬声器。根据耳机接口的硬件原理，可设计手　

机与外围硬件电路的通信方式为：　

（１）手机向引脚①（见图１）输出音频数据，如果原始　

音频为双通道数据，可先将音频数据合成为单通道数据。　

（２）手机向引脚②输出数字方波信号。　

（３）手机从引脚④采集输入信号。实验测得ｉＰｈｏｎｅ手机　

输出的音频信号为负电压，所以应在引脚②上外接反向电路。　

耳机接口的通信电路设计模式如图２所示。为方便输　

出和采集音频信号，智能手机需要统一采用４４１００Ｈｚ（设为　

Ｆｉ）的波特率向引脚①、②（左、右声道）输出数据。而机　

器人的外围控制电路则采用１４７０Ｈｚ（设为Ｆｅ）的采用频率　

来接收引脚②的指令信号。　

另外，为了防止信号抖动，发送端（手机）和接收端（控　

制电路）需要对信号重新编码，接收端将以高电平（经过反　

向电路后的电平）作为接收码的起始信号，并用实际信号１００　

代表信号０，实际信号１０１代表信号１，出现其他类型的实　

际信号码则抛弃不用。　

由于Ｆｉ／Ｆｅ＝３０，则可通过在手机端通过程序来控制输　

出信号的时钟周期，可先对信号进行编码，然后每个码位连　

续输出３０帧（每个硬件时钟周期为１帧，即１帧＝１／Ｆｉ）。　

３硬件平台设计　

本机器人借助智能手机进行中央控制，并通过手机进行　

网络连接。所以机器人硬件预留插接口，便于用户将手机嵌　

入。这里采用了ｉＰｈｏｎｅ手机作为机器人的智能控制端，机　

器人的硬件模型如图３所示。　

图３机器人硬件模型　

机器人的硬件模型中各部分作用及功能如下所述：　

（１）ｉＰｈｏｎｅ插槽：该插槽带有耳机插孔电路，ｉｐｈｏｎｅ　

插入后将通过耳机接口与前端处理电路进行通信。　

（２）手臂支架：该支架上带有ＵＳＢ接口，用户可随时　

更换一些特定功能的传感器，如体温测量计、血压测量计、　

心跳测量计等等。　

（３）行动轮：负责机器人的移动，机器人可前后移动，　

也可原地转动。　

（下转第５７页）　

中国西部科技２０１３年Ｏ３月第１２卷第０３期总第２８４期　５７　

多个相关联的数据表，这些表之间既相互独立又相互关联。　

由于科研管理系统既要存储教师个人信息和科研信息，又要　

进行检索和计算，因此在系统数据库设计中要涉及很多数据　

表，下面给出主要数据表的设计。　

４．１教师个人信息表　

教师个人信息表主要用于存储教师的个人基本信息，包　

括教工号、教师姓名、性别、出生日期、参加工作时间、所　

在部门、职称、行政职务或兼职等字段，其中教工号为主关　

键字，用来惟一标识教师的个人基本信息。　

４．２论文成果表　

获奖情况表主要用于存储教师所获各类奖项信息，包括　

获奖编号、获奖成果名称、奖励名称、主要完成人、本人参　

与排序、奖励部门、获奖时间、备注等字段。　

５结束语　

科研管理系统的建立后，可以帮助科研处工作人员对日　

常科研工作和科研成果进行高效的管理，有助于提高学校科　

研管理工作的整体水平，促进工作效率的提高。为了促进学　

校科研管理工作实现进一步跨越式的发展，在科研管理中应　

注意与现代管理科学有机结合，吸收先进的管理思想和管理　

观念，这样才能进一步提升科研管理水平，加快科研管理纵　

向发展。　

参考文献　

论文成果表主要用于存储教师发表的论文信息，包括论　

文编号、论文名称、发表期刊、作者编号、独立完成或作者　

排序、发表时间（期次）、备注等字段，其中作者编号同教　

工号是相同的。　

【Ｉ］李铁锋．基于Ｊ２ＥＥ的高校科研管理系统的设计与实现［Ｊ］．电脑开发　

与应用，２０１０，（５）：５９．６１　

４．３著作成果表　

著作成果表主要用于存储教师参与编写的各类著作信　

息，包括著作编号、著作名称、出版社、作者分工情况、完　

成数量、出版时间（一版）、备注等字段。　

４．４科研立项表　

科研立项表主要用于存储教师主持参与的科研立项信　

息，包括立项编号、项目名称、项目来源、立项时间、主持　

【２】杨绍方．深入掌握Ｊ２ＥＥ编程技术［Ｍ］．北京：科学出版社，２００２：１—７　

［３朱景德．３］ＳＱＬ　Ｓｅｒｖｅｒ数据库系统基础［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版　

社．２００８：５—９　

［４邓敏，徐方．４］科研管理系统与高校科研管理信息化［Ｊ］．科技创业月刊，　

２０１０．（１２）：９３．９４　

人、本人参与排序、结题时间或在研、备注等字段。　

４．５获奖情况表　

（上接第５Ｏ页）　

【作者简介ｌ宋爱华（１９７９一），女，软件工程硕士，讲师，研　

究方向为计算机科学教育和软件开发。　

本机器人可以接受四种指令：一是语音指令，即通过声　

音来控制机器人；二是触摸指令，即通过触摸ｉｐｈｏｎｅ屏幕来　

控制机器人；三是网络指令，即通过网络或云端服务器下达　

指令使机器人自动完成任务，如自动播报天气情况等等；四　

是自然指令，即机器人通过传感器采集自然信号，然后对信　

（４）控制电路：带有各种传感器（如红外传感器、超　

声波传感器等等），并含有ａｒｍ单片机，可对传感器采集的　

简单信号信息直接进行处理，也可将复杂的信号信息通过耳　

机接口传给ｉＰｈｏｎｅ。　

４系统功能设计　

本机器人可辅助用户（特别是老年用户）完成一些日常　

工作，如寻找物体、简单医疗检测、播报相关信息、简单交　

流等等，还可借助网络进行信息下载与汇总，并通过云端计　

算来获取更多信息。同时，借助网络，机器人用户还可以与　

息进行分析与处理。　

四种指令中，语音指令和自然指令是由机器人的外围传　

感器采集，经过前端处理层的单片机处理后再转发给　

ｉＰｈｏｎｅ，由于ｉＰｈｏｎｅ与外围电路只有一条输入总线，即麦克　

风信道（见图１的引脚④）。当输入总线忙时，需要在前端　

处理层对这两种指令信号进行缓冲存储。　

四种指令的处理流程如图４所示。　

其他机器人用户进行诸如视频通话的网络交流。指令处理流　

程如图４所示。　

圈

—　

ｒ＿一　

圈　

５结束语　

本文主要介绍一种新型的低成本的智能家用机器人设　

计方案。为了让普通人都可以享受科技进步的成果，降低机　

器人的成本是个必由之路。　

参考文献　

【１】李宗玮，许方亮，马文松．基于ｉＰｈｏｎｅ智能手机的机器人人机交互系统　

［Ｐ］．中国专利．ＣＮ１０１９７７２４０Ａ．２０１１－０２—１６　

［２１李宗玮　雷．基于智能手机的网络机器人人机交互系统【Ｊ］．计算机工　

程与应用．２０１１，（１５）　

［３】刘雪楠，袁瑁．家用机器人【Ｐ］．中国专利，ＣＮ２０１９４００４０Ｕ．２０１１－０８．２４　

［４］彭琼．人性化设计指导下的家用机器人设计探讨．艺术与设计（理　

论），２００９，（０２）　

【作者简介】陶文寅（１９８６．），男，江苏苏州籍，硕士，工　

图４指令处理流程　

程师、教师，研究方向为移动技术与物联网。