桂林電子科技大學　全劉輝

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帶語音識別的家居無線控制系統(tǒng)

桂林電子科技大學全劉輝

【摘要】針對人們對家居智能化日益增長的需求，本課題提出一種嵌入式家居控制系統(tǒng)解決方案，使用語音控制器對室內(nèi)家電進行掌管，同時需要通過無線收發(fā)模塊進行通信控制。

【關(guān)鍵詞】嵌入式；語音控制；無線

0　引言

在當今的日常生活中，智能化是一個離不開的概念，智慧城市、智慧家庭等等概念相繼出現(xiàn)，伴隨著生活節(jié)奏越來越快，人們對家居也向著簡單方便實用的需求發(fā)展，在傳統(tǒng)的家居中，電器必須手動操作，也必須在安裝開關(guān)的位置操作，這樣既麻煩又有安全隱患，已經(jīng)不符合當下人們對生活的要求。單片機作為一項成熟的技術(shù)在現(xiàn)在各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，以單片機為核心的嵌入式智能化家居系統(tǒng)可以解決遠程無線語音操控家庭設(shè)備的任務(wù)。

1　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

智能家居系統(tǒng)在我國經(jīng)歷了約六年的起步，發(fā)展速度較慢，原因主要是沒有對智能家居系統(tǒng)足夠的重視，導致沒有足夠的資金投入，沒有成熟的技術(shù)。但是，我國于2014年提出了智慧城市的概念，家電企業(yè)已經(jīng)圍繞智能化建立了很多智能軟、硬件開發(fā)團隊并且建成了全國3107個智能體驗中心大力推進“智能家居”的概念，為用戶帶來了前所未有的智能體驗?？梢灶A見，未來我國的智能化家居發(fā)展將會呈現(xiàn)一片欣欣向榮的態(tài)勢。

美國，加拿大，歐洲，澳大利亞等發(fā)達國家和地區(qū)進入智能家居市場比較早，而且介入此市場的企業(yè)越來越多，比如微芯科技、SII等建立了嵌入式因特網(wǎng)同盟用以專門擬定有關(guān)的準則，而微軟、三星等企業(yè)很早就開始進行智能家居系統(tǒng)與終端的開發(fā)。

2　系統(tǒng)概述

本設(shè)計旨在設(shè)計一個嵌入式智能化家居系統(tǒng)的終端，本設(shè)計以STC系列的STC89C52RC和STC12C5A60S2為核心，分為主機和從機兩部分，主機依靠語音識別裝置LD3320對命令語音進行識別傳入單片機，經(jīng)由單片機處理后由無線發(fā)送模塊NRF24L01將處理好的指令發(fā)送出去，從機由無線接收模塊NRF24L01接收語音命令轉(zhuǎn)化成的相應(yīng)信號，然后傳入從機的單片機，由單片機輸出指令控制相應(yīng)的電器開關(guān)，達到無線語音控制家居的目的。本設(shè)計實現(xiàn)后可以使有線通信距離在10米以內(nèi)，2.4GHzISM頻段上由語音控制家居?？梢源蟠蟮慕夥湃藗兊碾p手，實現(xiàn)由“隨手關(guān)燈”向“隨口關(guān)燈”的邁進， 相信可以在日常生活及其他領(lǐng)域中發(fā)揮巨大的作用。

3　系統(tǒng)各模塊電路及接口協(xié)議

3.1語音識別模塊LD3320

傳統(tǒng)的語音識別的大致過程包含兩部分：訓練階段和識別階段。在任何階段都要對輸入的語音提取特征和預處理。訓練階段由用戶多次輸入可以用于訓練的語音，提取訓練語音特征然后進行預處理可以得到特性參數(shù)，然后用特性參數(shù)建模并建立訓練語音參考模型庫。識別階段是輸入語音的特性矢量參數(shù)與參考模型庫中的參考模型進行相似度比較，識別語音輸出的結(jié)果為比對后最相似的輸入特性矢量。識別原理如圖1所示：

圖1　語音識別原理圖

根據(jù)識別對象的類型，語音識別可以分為兩類分別為非特定人語音識別和特定人語音識別，非特定人指識別對象是大多數(shù)人，特定人指識別對象是一個特定的人，為了達到較高識別率的目的，需要采集大量語音進行錄音并對芯片進行訓練。語音識別系統(tǒng)由單片機控制，LD3320芯片和相關(guān)電路負責識別語音的工作。

在本設(shè)計中，只需要對主控單片機編程，使其讀寫芯片寄存器就可以控制語音識別模塊。首先設(shè)置寄存器對芯片進行初始化，然后通過設(shè)置寄存器把需要識別的關(guān)鍵詞或句子的拼音串傳入LD3320芯片中，之后使寄存器控制芯片開始啟動一次識別過程，此時麥克風開始采集聲音，主控單片機以中斷的形式得到識別結(jié)果，這樣就能從特定的寄存器中讀取到結(jié)果。

3.2FLASH芯片電路

主機中的FLASH芯片主要用于存儲系統(tǒng)語音播放音頻文件，芯片型號為W25X32，W25X16系列FLASH芯片可以解決用戶的儲存問題，有功耗低、引腳少、占用空間小特點，較傳統(tǒng)串行FLASH芯片性能更加出色。

3.3無線收發(fā)模塊NRF24L01電路

本設(shè)計使用NRF24L01芯片用于主從機收發(fā)數(shù)據(jù)，NRF24L01是由NORDIC公司推出的具有無線通信功能，采用GFSK調(diào)制的微型芯片，實現(xiàn)起來較為簡單，抗噪與抗衰減能力較強。由于從機需要無線接收由主機發(fā)來的信號，所以從機上的無線接收模塊NRF24L01具有接收功能，引腳CE為芯片模式控制線，SPI時鐘線在引腳SCK，引腳MISO為芯片控制數(shù)據(jù)線采用主入從出的模式，引腳CSN為芯片的片選線，引腳MOSI為芯片主出從入的控制數(shù)據(jù)線，引腳IRQ為中斷信號，在無線通信中單片機使用SPI協(xié)議與無線模塊NRF24L01的IRQ腳進行數(shù)據(jù)交換。

本設(shè)計使用無線收發(fā)芯片的Enhanced ShockburstTM收發(fā)模式。在此模式下，利用片內(nèi)先入先出堆棧區(qū)，以低速送入微控制器的數(shù)據(jù)，以1Mbps的高速率發(fā)射。在片內(nèi)高速進行與射頻協(xié)議有關(guān)的所有信號處理，這種方法具有節(jié)能，成本低(低速度的微處理器也可以高速射頻發(fā)射)、抗干擾性較好等特點，同時使系統(tǒng)的平均工作電流降低。在Enhanced ShockBurstTM中，無線通信芯片能夠?qū)ρh(huán)冗余碼進行自動處理并且對字頭進行處理，在接收數(shù)據(jù)中，除去字頭和循環(huán)冗余校驗碼，在發(fā)送數(shù)據(jù)中，又自動加上。NRF24L01的狀態(tài)機主要有5種：掉電狀態(tài)、發(fā)射(TX)狀態(tài)、接收(RX)狀態(tài)、待機1模式和待機2模式。對芯片的固件編程基本流程如下：(1)使CSN=0，使能芯片，配置芯片參數(shù)在掉電模式下進行；(2)如果為發(fā)射模式，就需要填充TXFIFO；(3)完成配置以后，確定芯片切換到狀態(tài)可通過CE和CONFIG，CONFIG中主要是以下兩個參數(shù)：發(fā)射模式：PWR_UP=1；PRIM_RX=0(需要超過10us)、接收模式：PWR_UP=1；PRIM_RX=1；CE=1；(4)IRQ引腳變低的三種情況：TXFIFO發(fā)送完成且接收到確認字符、RXFIFO收到數(shù)據(jù)、達到最大重發(fā)次數(shù)。外部中斷輸入引腳連接IRQ，通過中斷進程處理。

3.4串行外圍設(shè)備接口（SPI）協(xié)議

Serial Peripheral interface，通?？s寫為SPI，即串行外圍設(shè)備接口，是摩托羅拉(Motorola)公司首先在其MC68H系列上創(chuàng)立的，是一種全雙工，高速，同步的通信總線，在芯片管腳只用四根線，為PCB布局節(jié)省空間并節(jié)約芯片管腳。具有簡單易用的特性。

SPI以主-從的形式工作，此形式需存在一個主設(shè)備以及至少一個從設(shè)備，需要數(shù)據(jù)輸入(SDI)、數(shù)據(jù)輸出(SDO)、片選(CS)、時鐘(SCK)4根線。SPI的主要特點有以下三種：

(1)采用主從控制方式。

如果兩個SPI設(shè)備之間如果需要通信，需經(jīng)由主機來控制從機，一個主機能夠通過時鐘并對從機片選來控制多個從機，SPI協(xié)議還規(guī)定從設(shè)備的時鐘由主設(shè)備通過SCK管腳提供，從設(shè)備不能控制和產(chǎn)生時鐘，沒有時鐘則從設(shè)備不能正常工作

(2)數(shù)據(jù)交換。

SPI協(xié)議規(guī)定一個設(shè)備不能僅僅在相互通信中只扮演發(fā)送者或接收者的角色，在每個時鐘周期里，SPI設(shè)備都會發(fā)送并且接收一個字節(jié)大小的數(shù)據(jù)，相當于交換該設(shè)備一個字節(jié)大小的數(shù)據(jù)，主機必須對從機進行訪問才能使從機接收到主機傳來的控制信號，所以主機設(shè)備必須經(jīng)由SS/CS 引腳片選從機設(shè)備，把需要訪問的從機設(shè)備選上。

(3)采用同步方式進行數(shù)據(jù)傳輸。

時鐘脈沖是在設(shè)備間進行交換數(shù)據(jù)的操作時產(chǎn)生并組成時鐘信號保證主、從設(shè)備之間同步傳輸。時鐘相位和極性控制接收到數(shù)據(jù)的采樣時間并掌控著主、從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換時間。

4　結(jié)論

本設(shè)計以單片機為核心，采用語音識別，無線通信的方式實現(xiàn)對家用電器控制，采用STC系列單片機，NRF24L01無線收發(fā)芯片和LD3320語音識別模塊的設(shè)計，整體設(shè)計簡單精致，電路簡單，成本低廉，性能較穩(wěn)定且符合時下節(jié)能的主流概念。經(jīng)過調(diào)整優(yōu)化后的設(shè)計語音識別率95%以上，能夠支持模糊音識別。無線收發(fā)模塊的工作頻率在2.4GHZ的ISM頻段，收發(fā)距離實測在空曠的室外為13米。

參考文獻

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全劉輝（1987—），男，桂林電子科技大學碩士研究生，主要研究方向為無線通信。

作者簡介：

基金項目：此文為2014年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目研究成果“項目名稱《基于手機終端控制的嵌入式無線顯示系統(tǒng)》（項目編號：201413644005）”。