劉　鵬,李　進(jìn)

(1.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院通信工程學(xué)院,重慶 401331;2.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院建筑與材料學(xué)院,重慶 401331;3.重慶工商大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院,重慶 400067)

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基于LM3S811芯片的“應(yīng)聲而來”智能家居垃圾桶*

劉鵬1,3*,李進(jìn)2

(1.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院通信工程學(xué)院,重慶 401331;2.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院建筑與材料學(xué)院,重慶 401331;3.重慶工商大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院,重慶 400067)

摘要:以LM3S811為核心設(shè)計一種智能家居垃圾桶,實現(xiàn)語音控制垃圾桶的運(yùn)動。以拾音器作為聲音傳感器,采用延時估計法實現(xiàn)聲源方位的實時檢測;采用超聲波傳感器實現(xiàn)了垃圾桶行進(jìn)的避障功能;同時,采用語音識別技術(shù)實現(xiàn)對用戶的開啟和關(guān)閉垃圾桶蓋等各種語音指示的識別。關(guān)閉垃圾桶蓋后,自動回到原來位置。從而達(dá)到了垃圾桶“應(yīng)聲而來”的智能化。

關(guān)鍵詞:LM3S811;智能家居;聲源定位;避障;垃圾桶

現(xiàn)代家居,人們越來越注重家中各種家具的智能化[1]。目前,市場上的家居垃圾桶都是放置在一定位置。扔垃圾時,需要走到垃圾桶放置處扔垃圾。這對于老人、孕婦或者有殘疾的病人來說,存在著不便、費(fèi)時、費(fèi)勁等問題。本文提出了具有“應(yīng)聲而來”功能的垃圾桶的設(shè)計方案,即當(dāng)用戶想要扔垃圾的時候,只要一聲令下,垃圾桶就會快速準(zhǔn)確無誤地來到身邊。扔完垃圾,關(guān)閉垃圾桶蓋后垃圾桶自動回到原位。本文設(shè)計出了一套基于DSP控制的具有語音識別技術(shù)的聲控智能垃圾桶,實現(xiàn)了對其“應(yīng)聲而來”的控制。

1　系統(tǒng)方案

本文以LM3S811作為核心控制器,以拾音器作為聲音傳感器,采用延時估計算法,實現(xiàn)對用戶位置的實時檢測[2]。采用超聲波傳感器實現(xiàn)自動躲避行進(jìn)過程中的障礙,準(zhǔn)確到達(dá)用戶方位。同時,采用語音識別技術(shù)實現(xiàn)對用戶的開啟和關(guān)閉垃圾桶蓋等各種語音指示的識別,從而使得家居中常用的垃圾桶具有聲控避障功能,能“應(yīng)聲而來”,體現(xiàn)了智能化。

圖1是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1　結(jié)構(gòu)示意圖

本系統(tǒng)主要包含系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件兩大部分。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

系統(tǒng)硬件包括垃圾桶車體機(jī)械結(jié)構(gòu)和硬件控制電路。其中車體機(jī)械結(jié)構(gòu)為1部三輪小車車體,能按照在不同地點處的用戶所發(fā)出的聲音指令,自動行駛到用戶所在地點。關(guān)閉垃圾桶蓋后,自動回到原位。

系統(tǒng)硬件設(shè)計方案如圖2所示。,包括電源模塊、DSP最小系統(tǒng)、聲源定位模塊、語音識別模塊、避障模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊。首先通過語音識別模塊識別出用戶的呼叫命令,同時通過聲源定位模塊判斷用戶的所處位置,再通過DSP產(chǎn)生驅(qū)動電機(jī)的PWM信號,利用電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動垃圾桶自行向聲源方向行駛。在行進(jìn)過程中,利用避障模塊自行避開所遇障礙。同時,該系統(tǒng)還支持用戶對垃圾桶開啟和關(guān)閉垃圾桶蓋等語音控制。

圖2　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.1電源模塊

本系統(tǒng)電源模塊如圖3所示,主要有:LM3S811芯片的核心需要+3 V供電,I/O口需要+3.3 V供電;凌陽語音芯片SPCE061A的5 V供電;拾音器的5 V供電;直流電動機(jī)的5 V供電。

圖3　電源模塊

2.2聲源定位模塊

聲源定位模塊主要包括拾音器構(gòu)成的麥克風(fēng)陣列和信號處理單元,如圖4所示。

圖4　拾音器與DSP連接圖

本系統(tǒng)中麥克風(fēng)陣列選用2個拾音器來實現(xiàn),其中拾音器具有低成本、噪聲小、保真度高、工作電壓范圍寬、耗電小、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點。其監(jiān)聽范圍為30 m2～50 m2。由于拾音器所拾取的聲音信號太小,易受環(huán)境噪聲的影響,因此很有必要對聲音信號進(jìn)行預(yù)處理,通過信號調(diào)理單元的處理,使之能夠滿足系統(tǒng)的要求。本系統(tǒng)采取兩級放大電路,主要用來將拾音器所得到的微弱電信號進(jìn)行放大。又由于AD模塊不能采集負(fù)電壓信號,因此需要對放大后的電信號進(jìn)行偏置,使其不出現(xiàn)負(fù)電壓,便于DSP采樣,使之輸出的誤差更小。

2.3語音識別模塊

本系統(tǒng)以凌陽語音芯片SPCE061A的精簡開發(fā)板作為語音模塊來實現(xiàn)語音的識別,與專用的語音處理芯片相比,省去了必要的硬件設(shè)計,具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易實現(xiàn)的特點。該芯片擁有8路10 bit精度的ADC,其中一路為專用聲音轉(zhuǎn)換通道,并且內(nèi)置麥克風(fēng)放大器和自動增益控制電路,這為實現(xiàn)語音識別提供了方便的硬件條件。SPCE061A還具有通用異步串行接口模塊,可以用來與LM3S811之間的串行通訊。借助于IOB端口的復(fù)用功能和UART IRQ中斷,可以同時完成UART接口的接收與發(fā)送過程。SPCE061A與LM3S811通過串口進(jìn)行通信,如圖5所示。

圖5　語音芯片SPCE061A與DSP的連接圖

2.4電機(jī)驅(qū)動模塊

電機(jī)驅(qū)動模塊根據(jù)DSP控制器的控制信號驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)行:前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、后退等。電機(jī)的驅(qū)動電路采用H橋驅(qū)動電路,如圖6所示。

圖6　H橋驅(qū)動電路

Q1、Q2、Q3、Q44個三極管組成4個橋臂,Q1和Q4組成一組,Q2和Q3組成一組,Q5控制Q2、Q3的導(dǎo)通與關(guān)斷,Q6控制Q1和Q4的導(dǎo)通與關(guān)斷,而Q5、Q6由LM3S811的IO口來控制,這樣就可以通過IO輸出的高低電平控制4個橋臂的導(dǎo)通與關(guān)斷控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),使之正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)或者停轉(zhuǎn),進(jìn)而控制垃圾桶的行駛。為了避免用分立元件帶來的電路板過于復(fù)雜,在設(shè)計中使用了H橋驅(qū)動元件L298N芯片。

2.5避障模塊

障礙檢測模塊作為對外部障礙信息的采集窗口,將行進(jìn)過程中障礙信息檢測出來,并傳遞給DSP控制器進(jìn)行處理。系統(tǒng)中采用的傳感器是UCM40T/R。如果傳感器接收到反射的超聲波,則通知DSP控制器有障礙物,反之則可以行駛。超聲波蔽障模塊與DSP的連接圖如圖7所示。

圖7　超聲波蔽障模塊與DSP的連接圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計方案

本系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件主要包括:數(shù)據(jù)采集模塊、SCI通訊模塊、特定聲源定位算法模塊和避障軟件模塊。本系統(tǒng)的總體軟件流程圖如圖8所示。

圖8　軟件總體框圖

3.1聲源定位算法

針對聲源定位,本系統(tǒng)采用基于傳聲器陣列時延估計法來估測用戶發(fā)聲的方向[3]?；跁r延估計的聲源定位算法分為時延估計和方位估計2個部分。

3.1.1時延估計算法[4]

時延估計采用廣義互相關(guān)法,計算聲源到2個傳聲器之間的時間差。假設(shè)兩傳聲器L1和L2間距為d,在沒有混響的情況下,兩傳聲器接受到的信號x1和x2為

x1(t)=a1s(t)+n1(t)

(1)

x2(t)=a2s(t-τ)+n2(t)

(2)

其中s(t)為聲源信號,α1和α2是聲波從聲源到傳感器的傳播衰減系數(shù)。τ是聲源傳播到2個傳感器所需延遲時間。n1(t)和n2(t)為環(huán)境噪聲。這時,到達(dá)時延可以采用傳統(tǒng)的互相關(guān)法進(jìn)行估計,互相關(guān)方程為

(3)

根據(jù)上式選取不同的權(quán)函數(shù)ψ12(ω)就可得到到達(dá)時延的不同算法,它的選取可根據(jù)實際的聲學(xué)環(huán)境選擇相應(yīng)的準(zhǔn)則,可以得到最好的估計效果。這種方法通過對信號互功率譜的歸一化,去除了信號的幅度信息,只保留了信號的相位特性,對于噪聲和混響都有一定的抑制效果。

3.1.2方位估計

方位估計采用幾何定位法,利用角度距離估計方位。利用2個拾音器擺成如圖9所示,利用拾音器1和拾音器2接收到得時間差就可以檢測出聲源偏離主軸的角度θ。

圖9　幾何定位法

由圖9可得

(4)

AC=(tA-tB)V聲音

(5)

由于AB距離和V聲音已知,時延(tA-tB)可由式(1)～式(3)算出,再由式(4)、式(5)可求得聲源偏移正方向的角度θ,則可控制電機(jī)轉(zhuǎn)動使垃圾桶向用戶方位旋轉(zhuǎn)并前進(jìn)。

3.2語音識別算法

針對語音的識別,本系統(tǒng)采用LD3320對所采集的語音進(jìn)行處理[5],其處理過程如圖10所示。首先要濾掉輸入語音信號的噪音,然后線性預(yù)測系數(shù)等方法進(jìn)行頻譜分析,找出語音的特征參數(shù)作為未知模式,與預(yù)先存儲的標(biāo)準(zhǔn)模式進(jìn)行比較,當(dāng)輸入的未知模式與標(biāo)準(zhǔn)模式的特征一致時,計算機(jī)便識別輸入的語音信號并輸出結(jié)果[6]。

由于語音含有不確定因素,因此輸入的語音與標(biāo)準(zhǔn)模式的特征完全一致的情況幾乎不存在。因此,預(yù)先制定好計算輸入語音的特征模式與標(biāo)準(zhǔn)模式類似程度的算法規(guī)則,把即最類似的模式作為識別相應(yīng)語音的方法。

圖10　語音識別過程

3.3避障算法

避障采用聲波反射原理,在測量過程中聲波信號由傳感器發(fā)出,在發(fā)射時刻的同時開始計時,超聲波在空氣中傳播,途中碰到障礙物就立即反射回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計時[7-8]。因此采用時間差測距法,根據(jù)計時器記錄的時間就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離S。即:S=vΔt/2。式中v為超聲波在空氣中的傳播速度,該值與溫度有關(guān),經(jīng)計算其在常溫下近似為340 m/s,Δt為發(fā)射、接收信號的時間差。

系統(tǒng)中在小汽車車前、后、左、右分別放置超聲波傳感器,可分別測量出垃圾桶與障礙物之間的距離,根據(jù)距離的遠(yuǎn)近決定垃圾桶的轉(zhuǎn)向。

4　實驗結(jié)果

圖11是智能家居垃圾桶實物圖。測試條件為:(1)空間要求:10 m×10 m空間。(2)室溫:(20±1)℃,定溫不少于12 h。(3)室溫梯度:不大于0.5 ℃/h和0.5 ℃/m。(4)相對濕度:(60±5)%。

圖11　智能家居垃圾桶實物圖

在設(shè)計過程中進(jìn)行了大量的測試。分別在垃圾桶的左側(cè)和右側(cè)多個角度進(jìn)行呼喚垃圾桶,垃圾桶接收到用戶的呼喚后能蛇形行駛到用戶身旁,并且能自動打開垃圾桶蓋,扔完垃圾后,關(guān)閉垃圾桶蓋,自動回到原位。

用戶相對垃圾桶所站的8個測試位置如圖12所示,其中用戶距離垃圾桶的直線距離均大于5 m。測試結(jié)果如表1和表2所示。

圖12　實驗測試平面關(guān)系圖

表1聲音定位測試結(jié)果

用戶用戶與垃圾桶的角度(順時針)/(°)到達(dá)用戶身邊的偏差距離/cm1號0182號45173號90204號135225號180196號225247號270168號31519

表2　聲音識別測試結(jié)果

5　結(jié)論

從上面的實驗結(jié)果可以看到,垃圾桶“聽”到主人的呼喊后能自動到達(dá)主人身邊,并且能識別主人的聲音進(jìn)行打開垃圾桶蓋和關(guān)閉垃圾桶蓋的動作,證明該系統(tǒng)基本上能滿足要求,結(jié)果令人滿意。本系統(tǒng)的創(chuàng)新點有:

(1)本系統(tǒng)充分利用了LM3S811的AD采樣、中斷、GPIO、SCI、定時器等功能,借助LM3S811的高速采樣和快速計算能力采集到時間差信號,從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的集成化。

(2)本系統(tǒng)利用對聲音進(jìn)行聲源定位的方法,實現(xiàn)了垃圾桶對用戶特定呼喚聲的判斷并定位,從而達(dá)到對用戶呼喚循聲前進(jìn)的目的。

(3)所設(shè)計的垃圾桶能對用戶聲音指令進(jìn)行識別,可達(dá)到垃圾桶應(yīng)聲而來的目的,從而使其具有人性化。

(4)所設(shè)計的垃圾桶在行進(jìn)過程中不僅緊隨用戶的呼喚,而且在遇到障礙時,通過避障模塊能夠自行繞過障礙繼續(xù)緊隨用戶行進(jìn),從而實現(xiàn)了智能化。

可以預(yù)計,隨著算法的進(jìn)一步優(yōu)化,將會促進(jìn)智能家居和機(jī)器人的發(fā)展。

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劉鵬(1977-),男,漢族,山東威海人,重慶電子工程職業(yè)學(xué)院,副教授,博士,從事計算機(jī)通信技術(shù)方面研究,pengliu789@126.com;

李進(jìn)(1975-),女,漢族,重慶人,重慶電子工程職業(yè)學(xué)院,助教,碩士研究生,從事計算機(jī)通信技術(shù)方面研究。

“OnCall”IntelligentHouseholdTrashCanBasedonLM3S811*

LIUPeng1,3*,LIJin2

(1.Department of Communication Engineering,Chongqing College of Electronic Engineering,Chongqing 401331,China;2.Department of Building Material Engineering,Chongqing College of Electronic Engineering,Chongqing 401331,China;3.College of Computer Science and Information Engineering,Chongqing Technology and Business University,Chongqing 400067,China)

Abstract:We designed an intelligence household appliance—an “on call” trash can,realizing the voice-controlling movement,with the design core of digital signal processor LM3S811.The system detects audio signal by using a pickup as a sound sensor,perceiving the direction of sound souce through the extension of estimation.Moreover,the ultrasonic sensor can shun obstacles during the movement of the trash can.By this way,the garbage can is more human and intelligent,reaching the goal of“on-call”intelligence trash can.

Key words:LM3S811;smart home;sound source localization;shun obstacle;trash

doi:EEACC:721010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.033

中圖分類號:TP23

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)04-0737-05

收稿日期:2014-01-19修改日期:2014-02-18

項目來源:重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項目(KJ132206);重慶市高等教育教學(xué)改革重點研究項目(132122)