终检评审通过 创新训练 510电子与通信技术 智能制造未定级

背景分析 中国盲人协会官方网站发布数据显示，2010 年，我国人口 13.41 亿人，其中盲人数量 824 万； 到了 2018 年，我国人口上升到 13.95 亿人，而盲人数量到达 1700 多人，目前，中国盲人人口数量 已居于世界首位。这意味着盲人不仅是残疾人中不可忽视的一大群体，更在当今社会群体中占有不 可忽视的比重。目前，针对盲人的社会公共服务设施已有所完善，但社会对于盲人群体居家生活状 态的关注仍然不够，着眼于盲人居家生活不便的社会设施和市场产品仍较为匮乏。 同时，近年来物联网技术发展迅速，物联网成为了继计算机、互联网后世界信息产业的第三次 科技浪潮，物联网技术的日渐成熟为智能家居技术的发展提供了新的思路方法，为智能家居设备的 创新提供了基础技术支持。作为物联网技术重要组成部分之一，在 RFID 技术研究方面，国内已具有 了自主开发低频、高频与微波 RFID 电子标签与读写器的技术能力及系统集成能力，RFID 技术的理 论得到丰富和完善。单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识 别、适应高速移动物体的 RFID 正在成为现实。 在今天的生活中，科技的飞速发展，无形中提高了人们的精神与物质需求，人们追求着舒适便 利且智能的居家环境，我们认为，作为社会重要组成部分的盲人群体也有权利享受到科技发展带来 的生活便利，因此开展本项目。 用户分析 本项目主要受众群体为盲人，也适用于其他部分生活不便的残障人士或是年长而行动不便的老 年人群。盲人群体独自居家生活的生活质量不高，在生活琐事中存在诸多不便，特别是取用相对小 物品，对盲人而言较为困难。因此，本项目综合考虑盲人生活状态，在以盲人作为主要服务对象的 基础上对产品进行开发研究。 需求分析 盲人由于自身视觉条件限制，取用物品存在不便，导致独自在家的生活质量受到了一定的影响， 本产品主要功能在于智能取物，一定程度上满足了盲人的生活需求。同时，考虑的盲人所占全国总 人口的较大比例及现今市场智能助盲产品的缺失，本产品较好的满足了市场需求。 同类竞品分析 目前市场上尚未出现类似功能产品，市场现存智能助盲设备主要集中在导盲产品与盲文学习、 翻译设备，均未着手于解决盲人居家生活不便的问题。因此，本项目“面向盲人的智能声控取物装 置”具有良好的市场竞争力。 创新性 虽然物联网发展迅速，智能家居及各种智能设备已有了较为成熟的应用体系，但是对于盲人群 体以及一些残疾人，市场现有智能家居及各种智能设备在设计与使用中对于这些弱势群体的客观困 难考虑较少，并不符合他们的生活需求与生活习惯。但科技应当是包容的，开放的，弱势群体同样 有权利享受科技发展带来的便利生活。由于盲人群体的特殊性，在日常生活取放物体的过程中存在 不便。基于此，我们计划设计制作一款方便盲人生活的智能声控取物装置，让他们也能够享受到科 技发展带来的便捷生活。 可行性 目前物联网技术及 RFID 电子标签识别技术发展已较为成熟，且有了较多的实际应用案例，为我 们的创新提供了基础技术支持。 本产品基于 Arduino 平台进行开发，Arduino 作为一款开源硬件产品，具有丰富的接口，同时 支持 SPI,IIC,UART 串口通信，且其程序运行更加直接，更适合用于与传感器和外围电路进行通信， 其程序体积较小，程序运行效率相对较高，且在一定程度上降低了成本。 实用性 我们的装置可以有效帮助盲人群体及一些特殊人群在生活中许多方面不再需要其他人的照顾，一般 来说盲人群体及一些特殊群体心里面会有自卑的心里，最不想的就是麻烦别人。这套装置可以提升 盲人群体及一些特殊群体自主性，让他们有生活体验感，在一定程度上提升他们的自信心。 二、 研究方法（建议 500 字左右） 1.通过调查文献来学习 Arduino 编程相关知识，机械臂工作原理及控制方法，不同模块间的通信方 式等项目必备知识，并查阅语音识别技术及 RFID 技术的基本实现方法，考虑根据项目实际需求对其 进行一定的改进。 2.通过实验的方式研究机械臂抓取方式与物体特点间的关系，从而使机械臂根据物体属性的不同改 变抓取方式，保证机械臂对物体的正常抓取。 3. 通过实验测试数据的方式对项目成果的功能性进行检验。检测主要分为两个方面：一是产品对语 音识别的准确程度，二是在准确识别语音信息的前提下，设备对物品抓取的准确程度。随后将实验 所得数据分别与现有语音识别产品与 RFID 射频识别技术应用案例的数据进行比较，从而进一步改 进。 4.根据资料，现有语音识别技术多是通过以下方式实现：用话筒作为输入部件，通过它来接受声音， 并转化为电信号，经过放大以后，再转换成数字信号。由于声音是一个复杂的多频率信号，各个频 率成分具有不同的幅度。为了进行识别，可按频谱进行分析和处理工作。考虑到 Arduino 运算能力 有限，我们计划根据实际需求，采取其他硬件技术或云平台技术减小 Arduino 在数据处理上的压力。 5．在产品基本完成后，通过市场调查和用户体验的方式，进一步了解产品应用需求和产品存在的不 足，对产品细节部分进行修改，完善，并根据实际需求与产品完成情况增加一定的功能，从而增加 产品的实际应用性。 三、项目创新点（建议 1000 字左右） 技术亮点 1.我们将 RFID 标签依附在物品上，利用 RFID 电子标签技术来标明物品的类别，通过射频信号将标 签中的信息读取到 RFID 读取器中，从而获得物品的特有信息，实现机械臂对物品的识别。相比其他 识别方法，RFID 辨识器可同时快速辨识读取多个 RFID 标签，提高了识别效率；在被覆盖的情况下， RFID 能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质，进行穿透性通信，避免了因物体堆积覆 盖而造成识别失败的状况；此外，RFID 电子标签数据的记忆容量大，体积小型化、形状多样化，便 于依附在各个物品上并尽可能详尽的携带物品相关信息，增强了识别的准确度。 2.为保证顺利抓取物品并在抓取过程中不对物品造成损坏，机械臂抓取不同的物体时，需要采用不 同的角度的及力度，为了达到这一目标，我们采取分类的思想。我们先通过实验，大致确定机械臂 抓取方式的分类及对应物品的共同性质，归纳出物体特点与抓取方式之间的特定关系。后利用 RFID 电子标签技术，根据物体的特点，在对应的电子标签中录入相关信息，以此确定机械臂的抓取方式。 3.考虑到盲人视觉不便的客观生活状况，我们避免了市场上多数智能家居设备通过微信小程序或 APP 进行控制的方式，而采用直接声控的方式对机械臂目标识别物体进行选择，方便了用户的使用。 4.考虑到 Arduino 运算能力有限，而语音识别部分对于数据处理能力有一定的要求，为保证数据处 理的迅速性与准确性，我们计划根据实际需求，采用硬件电路或云平台技术实现对语音识别的部分 数据处理功能，减小 Arduino 的数据处理压力。 设计亮点 首先，本项目设想的面向对象不同于商场现存产品。本项目基于 Arduino 平台开展，其物联网 特性与智能特性使其可归于智能家居的一部分。目前，智能家居及各种智能设备在市场上已数见不 鲜，并有了较为成熟的应用体系，如智能冰箱，智能电饭煲等已深入人们的生活，但其设计、服务 等均以社会大众群体为目标对象，少有考虑社会弱势群体的需求。基于此种现状，我们对智能家居 的服务对象进行了创新。我们以盲人为主要服务对象，综合考虑盲人的生活需求与客观生活困难， 将项目定位于制作一款为盲人服务的智能声控取物装置。 其次，本项目为增强人文关怀感与生活性，在实现声控取放物品这一主要功能外，将装置与网 络进行连接，来实时获取天气状况，在用户提出‘取衣服’这类需求时，根据天气状况的不同，提 出穿衣建议，在得到用户同意后，自动取出相应衣物。同时，为增强产品与使用者的互动性，我们 家话加入简单的对话功能。 四、项目目标及进度安排 2019 年 10 月 27 日至 11 月 27 日：考虑到此时间段内进行期中考试，各成员空闲时间较少，计划此 时间段内完成项目前期准备工作与简单的知识学习。根据项目需求购买合适机械臂并完成组装，阅 读其使用说明及工作手册，掌握其工作原理及基本控制方法，负责程序控制的成员通过 arduino 进 行编程尝试对其进行简单控制。负责 RFID 部分的成员进一步了解 RFID 工作原理及具体使用方法， 购买相关设备。同时，利用空余时间搜集资料，进一步了解现阶段各种助盲设备的优点及不足，加 以总结，便于日后改进产品之用。 2019 年 11 月 27 日至 2019 年 12 月 27 日：负责程序控制的成员熟练掌握机械臂的控制，通过程序 控制实现机械臂对物品的抓取；负责 RFID 部分的成员对单一物品实现 RFID 电子标签识别；然后将 识别设备与 Arduino 进行连接，实现二者间的通信，对单一物品通过 RFID 识别技术进行识别后抓取； 语音识别模块部分尽量完成开发。 2019 年 12 月 27 日至 2020 年 1 月 27 日：完成语音识别部分开发并将其加入程序，基本完成各模块 部分的连接；若需通过硬件电路分担声音数据处理功能，则此时间段内应一并完成电路设计相关工 作。通过实验和调试，完成通过声控和 RFID 技术在多个物品（10 个以内）中进行识别、抓取的功 能。 2020 年 1 月 27 日至 3 月 27 日：进一步增加物品数目，彻底实现声控智能抓取功能；根据项目完成 情况，加入语音对话功能及联网读取天气数据功能。 2020 年 3 月 27 日至验收：对产品功能进行进一步调试与改进，对数据资料及项目记录进行整理。