北京聯(lián)合大學(xué) 李曉晗 李 峰 高鵬宇 逯瑜嬌 張翠霞

基于LD3320語音識別和NRF2401無線通信的家居節(jié)能照明開關(guān)

北京聯(lián)合大學(xué) 李曉晗 李 峰 高鵬宇 逯瑜嬌 張翠霞

在未來家居生活中，節(jié)能環(huán)保、智能可控制的家居開關(guān)將擔(dān)負著重要的角色，語音識別及自動控制也是未來對信息識別處理的發(fā)展方向。本項目將LD3320語音識別模塊、NRF2401無線模塊、光照紅外傳感器連接到嵌入式開發(fā)板STM32F103，傳感器采集到室內(nèi)光照強度和人體信號后通過NRF2401無線模塊發(fā)送到控制器，控制器直接控制家庭中的照明燈，并在需要人為干預(yù)控制時使用LD3320語音識別模塊將語音指令通過無線發(fā)送到控制器，控制器根據(jù)接收到的指令控制照明燈，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、智能方便的家居照明開關(guān)控制。

語音識別；傳感器；開發(fā)板；控制器

1.簡要介紹

1.1 研究意義

語音識別就是計算機通過識別把語音信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)文本的技術(shù)，是人工智能控制和機器語言學(xué)習(xí)應(yīng)用的一個重要方向，并發(fā)展成為一個具有前景廣闊、應(yīng)用廣泛的新興高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

本系統(tǒng)研究開發(fā)的是一個既能自主控制調(diào)節(jié)、又能人為控制且能通過2.4G無線方式通訊的智能家居照明節(jié)能開關(guān)。當(dāng)有人進入房間時，傳感器能檢測到有人進入房間，然后打開照明燈開關(guān)，并且能夠根據(jù)室內(nèi)光照強度來調(diào)節(jié)其照明燈亮度；而當(dāng)人們離開時又能夠自動關(guān)閉照明燈。當(dāng)人們在室內(nèi)活動時，也可以根據(jù)人們自己的意愿，通過語音識別無線遙控器控制調(diào)節(jié)照明燈開關(guān)及照明燈亮度。

1.2 研究的主要內(nèi)容

當(dāng)熱釋電紅外傳感器系統(tǒng)檢測到人后接通開關(guān)，整個系統(tǒng)被激活，電流通過光敏傳感器，光敏傳感器感受到不同強的的光照后生成電信號傳到單片機，單片機接收電信號并處理，最后控制照明燈點亮并調(diào)整亮度。在整個系統(tǒng)被激活后，語音識別模塊開始工作。給予語音模塊特定的聲音指令后，語音模塊將聲音轉(zhuǎn)化成特定指令，并通過2.4G無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸給執(zhí)行指令模塊，如照明燈的開關(guān)和亮度調(diào)節(jié)、插排的開關(guān)和窗簾的開關(guān)。由于2.4G無線通信網(wǎng)絡(luò)全球通用，為避免信號干擾，需把無線通訊模塊NRF2401設(shè)置同一個ID地址。通過特定指令如“小杰”啟動語音識別模塊的識別功能，然后待法令人說出具體指令讓語音識別模塊進行識別。

1.3 設(shè)計創(chuàng)新點

①自動控制。節(jié)能照明開關(guān)能夠在人們進入房間時，傳感器能識別到人們進入房間并開始采集室內(nèi)環(huán)境亮度信息，然后自動開啟照明燈并調(diào)節(jié)其亮度，使室內(nèi)環(huán)境亮度符合人們的需求；同時在人們離開房間時，照明燈會自動關(guān)閉，達到節(jié)能環(huán)保的目的。

②人為可干預(yù)控制。在人們進入房間時，節(jié)能照明開關(guān)會自動開啟照明燈并調(diào)節(jié)其亮度，如果人們感覺亮度不能滿足需求，可以通過語音控制調(diào)整是否開啟照明燈和調(diào)節(jié)其亮度。

③無線傳輸信號。傳感器與控制器之間、語音識別模塊與控制器之間均使用了2.4G無線通信NRF2401模塊，不僅減少了室內(nèi)的布線帶來的不安全與不方便，而且還使得傳感器模塊與語音識別模塊可以移動，方便人們根據(jù)自己的習(xí)慣調(diào)節(jié)位置

1.4 應(yīng)用前景預(yù)測

本系統(tǒng)開發(fā)的可語音控制的無線家居節(jié)能照明開關(guān)可以被廣泛用于智能家居系統(tǒng)，實現(xiàn)了人們對家居照明環(huán)境的無線自動控制和人為控制兩種模式控制要求，給有殘障人士的家庭帶去了福音?？梢詫⒃撓到y(tǒng)加入互聯(lián)網(wǎng)，通過手機終端app來實現(xiàn)對家具電器的遠程控制，該app也可記錄用戶的使用習(xí)慣，智能調(diào)控家具電器，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)家具智能系統(tǒng)的搭建。

此外，本系統(tǒng)開發(fā)的產(chǎn)品也可用于高校實驗室，用于通信課程及智能硬件等相關(guān)課程的實驗教學(xué)，并進行二次研發(fā)，進一步拓寬該項目的應(yīng)用范圍。

2.元器件簡介與設(shè)計

2.1 傳感器

光傳感器是目前產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的傳感器之一，它在自動控制和非電量電測技術(shù)中占有非常重要的地位。最簡單的光敏傳感器是光敏電阻，其特點：①應(yīng)用時反向偏置連接；②沒光照射，呈現(xiàn)極高阻值；③有光照射時，電阻減小；④可作光控開關(guān)。光敏傳感器模塊工作電壓為+5V，具有數(shù)字量電平信號和模擬量電平信號輸出，在使用過程中，可以根據(jù)需要，選擇數(shù)字量電平信號或模擬量電平信號。光敏傳感器中最簡單的電子器件是光敏電阻，它能感應(yīng)光線的明暗變化，輸出微弱的電信號，通過簡單電子線路放大處理，可以控制LED燈具的自動開關(guān)。因此在自動控制、家用電器中得到廣泛的應(yīng)用，對于遠程的照明燈具，例如：在電視機中作亮度自動調(diào)節(jié)，照相機種作自動曝光；另外，在路燈、航標(biāo)等自動控制電路、卷帶自停裝置及防盜報警裝置中等。

同理，人體紅外傳感器也是這個原理，只不過輸出的不再是模擬量，而是數(shù)字量，當(dāng)檢測到室內(nèi)有人時為高電平，反之則為低電平。本項目應(yīng)用光敏傳感器和人體紅外傳感器如下圖2.1、圖2.2所示。

圖2.1 光敏傳感器

圖2.2 人體紅外傳感器

2.2 語音模塊簡介及設(shè)計

語音識別過程中需要解決這樣幾個關(guān)鍵性問題：①非特定人語音識別；②抗環(huán)境噪聲能力；③連續(xù)語音識別；④語音間的高混淆。本項目中的語音識別就是要能對家庭中每個人的語音指令進行識別，且對外界環(huán)境噪聲干擾有一定的抵抗力，不能受其影響而錯誤識別并執(zhí)行。

2．2．1 無線通訊模塊NRF2401

該模塊提供了系統(tǒng)的驅(qū)動程序文件nRF2401.c和配置文件nRF2401.h，包括模塊的初始化、配置、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收等函數(shù)。無線通訊模塊NRF2401在使用其發(fā)送或接收數(shù)據(jù)前，都需要對其進行“接收”“發(fā)送”模式選擇和初始化，而一旦選擇了模式并初始化后，在系統(tǒng)中就只能進行接收或發(fā)送工作，單工模式工作，不能實現(xiàn)模塊間相互交流。為了使其為半雙工模式工作，我們采取了在主函數(shù)內(nèi)進行模式選擇與初始化，這樣在接收到數(shù)據(jù)后就將模塊初始化為發(fā)送模式，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)半雙工模式工作，也能夠使得各模塊之間都能進行數(shù)據(jù)交流。無線通訊模塊NRF2401硬件示意圖如下圖2.3所示，本項目所采用的無線通訊模塊NFR2401如下圖2.4所示。

圖2.3 硬件模塊示意圖

圖2.4 無線通訊模塊NFR2401

2．2．2 LD3320語音識別模塊

語音識別ASR技術(shù)，是基于關(guān)鍵詞語列表識別的技術(shù)，只需要設(shè)定好要識別的關(guān)鍵詞語列表，并把這些關(guān)鍵詞語以字符的形式傳送到LD3320內(nèi)部，就可以對用戶說出的關(guān)鍵詞語進行識別，不需要用戶做其他錄音訓(xùn)練。每次識別的過程，就是用戶說出的語音內(nèi)容，通過頻譜轉(zhuǎn)換為語音特征，再和這個關(guān)鍵詞語列表中的條目進行一一匹配，最優(yōu)匹配的一條將作為識別結(jié)果。本項目采用的LD3320語音識別模塊如圖2.5所示。

圖2.5 語音識別模塊

3.系統(tǒng)主要流程

3.1 各分立模塊的工作流程

①光敏電阻：隨著光照強度的改變光敏電阻阻值發(fā)生變化，當(dāng)通過恒定電流時，輸出電壓會隨著阻值變化而線性變化，即輸出電壓隨環(huán)境光照強度變化而線性變化，通過ADC采集電壓值即可得知相對環(huán)境亮度，進而控制智能燈亮度；

②人體紅外傳感器：人體紅外傳感器對人體識別輸出為數(shù)字量，即輸出值只有通和斷（0和1），可以近似看做開關(guān)，在程序啟動時即檢測環(huán)境人體紅外信號，當(dāng)有人通過是會輸出1，無人時為0；

③無線通信模塊：NRF2401無線通信模塊，主要運用2.4G開放頻段通信，模塊為半雙工模式，可以滿足模塊之間的相互通信；

④語音識別模塊：語音識別是基于ASR技術(shù)的非特定人語音識別，語音識別模塊我們選用的是LD3320芯片，程序框圖如圖3.1所示。

圖3.1 遙控器程序框圖

3.2 中央控制器的工作流程

中央控制器選用的模塊為STM32F103單片機，能夠?qū)崿F(xiàn)快速采集傳感器變化并計算出控制輸出量實現(xiàn)對被控對象的控制，在控制器部分主要是實現(xiàn)對被控對象控制，首先對環(huán)境進行監(jiān)測并自動調(diào)整只能LED的開關(guān)和亮度，然后接受語音識別遙控器發(fā)送的語音指令信號，當(dāng)接收的相應(yīng)的語音指令后執(zhí)行相關(guān)動作，實現(xiàn)語音控制與自動控制雙控制的目的。主要的系統(tǒng)程序框圖如圖3.2所示：

圖3.2 系統(tǒng)程序框圖

4.系統(tǒng)后期待完善及開發(fā)價值

本系統(tǒng)較簡單的添加了人體感應(yīng)、光照、窗簾的開關(guān)以及開關(guān)插排的相關(guān)設(shè)計，通過人為與自動相結(jié)合，能夠較好的完成預(yù)期的效果。在紅外感應(yīng)監(jiān)測方面，可能會出現(xiàn)感應(yīng)不敏感，這與選擇的傳感器以及環(huán)境的影響有一定關(guān)系。隨著智能家居的迅猛發(fā)展，越來越多的家居開始引進智能化系統(tǒng)和設(shè)備。智能化系統(tǒng)涵蓋的內(nèi)容也從單純的方式向多種方式相結(jié)合的方向發(fā)展。但較之于歐美發(fā)達國家，我國的我國智能家居系統(tǒng)起步稍晚，所以市場主流的產(chǎn)品（系統(tǒng)）還無法很好地解決產(chǎn)品本身與市場需求的矛盾，使得智能家居市場的僵冰還沒有被完全打破，所以很大程度上阻礙了智能家居產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在如今家居智能發(fā)展前景如此好的情況下，就我們這個項目來說，還好很多可以繼續(xù)開發(fā)添加的物理量，如溫度、警報系統(tǒng)等。其實我們家中的能耗主要分為三個方面：一是照明，二是制冷或是制熱，三是一向不被重視的待機能耗。一般的家庭，燈具往往都是滿負荷運轉(zhuǎn)，只要一開燈，就會按照電壓所對應(yīng)的功率在運轉(zhuǎn)。通過傳感器實時監(jiān)測室內(nèi)的亮度，即可配合自然光照調(diào)整燈具的功率，自然起到節(jié)能的效果。在實際生活中，加上互聯(lián)網(wǎng)的廣泛普及，完全可以應(yīng)用到家中的電器設(shè)備中，添加語音模塊，方便開啟和關(guān)閉，充分體現(xiàn)了當(dāng)今社會對于高科技和便捷的追求。不僅如此，比如家庭影音系統(tǒng)、制冷或供暖的空調(diào)系統(tǒng)，都是可以在我們這個簡單的家居照明系統(tǒng)上進行添加和完善的。在21世紀智能是一個非?；馃岬脑~語，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的強勢崛起，21世紀以后所有的產(chǎn)品都要和智能聯(lián)系到一起，否則都不好意思出現(xiàn)在用戶面前。然后事實卻是大部分打著智能旗號的產(chǎn)品都是一個幌子而已，根本都不能實現(xiàn)用戶所想所需的智能體驗。特別是在智能家居領(lǐng)域，很多時候并不是說能夠進行簡單的智能控制就是智能家居了。我們所需要的智能應(yīng)該是一種切實解決我們的實際需求并且使用方便快捷的人性化體驗，因此，判斷到底智能不智能，只有通過自己的實際體驗才能知道，沒有體驗過的智能家居很難讓用戶產(chǎn)生信任。用戶在選擇智能裝修的時候，一定要去其體驗中心實地考察體驗，只有適合自己的才是好產(chǎn)品。在殘疾人、老人家里安裝上煙感、火災(zāi)隱情報警系統(tǒng)都是非常人性化的設(shè)計，我們覺得作為未來的科技研發(fā)者，應(yīng)該多從特殊群體的角度去設(shè)計，考慮安全、實用、便捷等多方面因素。

鳴謝：該項目的研究成果基于北京聯(lián)合大學(xué)“啟明星”大學(xué)生科技創(chuàng)新項目經(jīng)費資助，項目編號201611417030。

指導(dǎo)教師：張翠霞（通訊作者）。