李健釗， 羅煒杰， 黃瀟曼， 熊明星

(廣東工業(yè)大學(xué) 華立學(xué)院 機(jī)電與信息工程學(xué)部， 廣州 511325)

引言

目前，由于經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，對(duì)生活空間的要求也呈現(xiàn)出多元化與智能化新趨勢(shì)。而智能家居的實(shí)質(zhì)和目的就是為人們提供更加安全、便捷、舒適的生活，這恰恰順應(yīng)了現(xiàn)今市場(chǎng)對(duì)高效、優(yōu)質(zhì)生活的普遍呼聲，符合了這一社會(huì)需求。而智能聲控臺(tái)燈作為本文研究開(kāi)發(fā)的新型智能家用電器，在使用上比普通的聲控?zé)舾又悄?、?shí)用，可以智能地識(shí)別用戶(hù)說(shuō)出的語(yǔ)音口令，并將其轉(zhuǎn)化為語(yǔ)音字符后再與語(yǔ)音識(shí)別模塊中預(yù)先設(shè)定的語(yǔ)音字符進(jìn)行匹配，當(dāng)兩者成功匹配后，便可控制該智能聲控臺(tái)燈完成相應(yīng)工作，這有效地彌補(bǔ)了現(xiàn)在聲控?zé)魧?duì)外界環(huán)境信息辨識(shí)度低的缺點(diǎn)，避免了不必要的能源浪費(fèi)，從而達(dá)到了完備節(jié)能效果。不僅如此，智能聲控自動(dòng)化臺(tái)燈與現(xiàn)在市場(chǎng)上的普通臺(tái)燈相比，則更能滿(mǎn)足人們對(duì)高科技融入現(xiàn)代居家生活的理想預(yù)期與熱切需求。因此，該產(chǎn)品在智能家居的照明領(lǐng)域具有良好的實(shí)際應(yīng)用和推廣價(jià)值。為此，本文將對(duì)此展開(kāi)研究論述如下。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文研發(fā)提出了由單片機(jī)主控模塊為核心，包括語(yǔ)音模塊、舵機(jī)模塊、LED燈構(gòu)成的智能聲控自動(dòng)化臺(tái)燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)的整體框架結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由圖1可知，當(dāng)語(yǔ)音識(shí)別模塊接收到由單片機(jī)預(yù)先傳輸?shù)絃D3320芯片內(nèi)的關(guān)鍵詞時(shí)，語(yǔ)音識(shí)別模塊會(huì)對(duì)單片機(jī)發(fā)送電平信號(hào)以觸發(fā)中斷，單片機(jī)接收到信號(hào)后會(huì)對(duì)指定引腳輸出對(duì)應(yīng)的電平信號(hào)指令，從而控制舵機(jī)模塊執(zhí)行燈罩開(kāi)/關(guān)、強(qiáng)光LED燈板的開(kāi)/關(guān)與亮度的明暗調(diào)節(jié)處理。

1.2 STC11L08XE單片機(jī)主控模塊設(shè)計(jì)

控制模塊選用單片機(jī)作為主控模塊。所采用的 STC11L08XE 單片機(jī)是一種帶32 K字節(jié)可編程/可擦除只讀存儲(chǔ)器EEPROM和8 K Flash程序存儲(chǔ)器的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)單片機(jī)，具有高速、低功耗、低成本、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。其內(nèi)嵌有高可靠復(fù)位電路，使用時(shí)重點(diǎn)針對(duì)著高速通信、智能控制、強(qiáng)干擾場(chǎng)合[1]。STC11L08XE單片機(jī)主控最小系統(tǒng)原理電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 單片機(jī)主控最小系統(tǒng)電路圖

時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生分為內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘2種不同方式。外部高精度晶體/時(shí)鐘，內(nèi)部R/C振蕩器，常溫下內(nèi)部R/C振蕩器頻率為:4～8 MHz。內(nèi)部集成MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路和一個(gè)對(duì)內(nèi)部VCC進(jìn)行掉電檢測(cè)的掉電檢測(cè)電路，掉電檢測(cè)電路可設(shè)置為中斷或復(fù)位，這2個(gè)電路讓用戶(hù)使用起來(lái)非常方便以及安全[1]。

在單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳之間接一個(gè)22.118 4 MHz晶振，同時(shí)分別在2個(gè)引腳上接入22 pF的電容，便能使晶振快速起振，同時(shí)維持振蕩信號(hào)的穩(wěn)定。為了保證聲控臺(tái)燈在噪雜的環(huán)境中依然能夠正常使用，故使用了一個(gè)自鎖開(kāi)關(guān)連接在STC11L08XE單片機(jī)的INT1引腳與電源負(fù)極之間，方便臺(tái)燈開(kāi)關(guān)狀態(tài)的切換，同時(shí)也不會(huì)影響臺(tái)燈的聲控操作。

1.3 語(yǔ)音識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

語(yǔ)音識(shí)別模塊的核心組成就是一塊LD3320語(yǔ)音識(shí)別芯片。該模塊的主要作用是在識(shí)別并接收到由單片機(jī)預(yù)先寫(xiě)入的關(guān)鍵詞字符后，對(duì)單片機(jī)發(fā)送電平信號(hào)，觸發(fā)其中斷。

LD3320芯片是一款語(yǔ)音識(shí)別的常用芯片， 該芯片定制有語(yǔ)音識(shí)別處理器和一些外部電路，包括內(nèi)置有高精度A/D、D/A通道，音頻輸入輸出接口等， LD3320主要由輸入電源、語(yǔ)音識(shí)別運(yùn)算器、 時(shí)鐘電路以及語(yǔ)音信號(hào)通道組成[2]。

設(shè)計(jì)中采用ASR( Auto Speech Recognition)技術(shù)。利用語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，根據(jù)人所獨(dú)有的語(yǔ)音頻譜特征，自動(dòng)識(shí)別外界語(yǔ)音，通過(guò)判斷接收到的音頻是否與先前設(shè)置的語(yǔ)音關(guān)鍵詞相同，使用語(yǔ)音命令來(lái)控制臺(tái)燈的一種高科技智能芯片[3]。語(yǔ)音識(shí)別芯片工作時(shí)是將通過(guò)MIC輸入的聲音進(jìn)行頻譜分析，隨后提取出語(yǔ)音特征，并與關(guān)鍵詞語(yǔ)列表中的關(guān)鍵詞語(yǔ)做出對(duì)比匹配，匹配后找出相似度最高的關(guān)鍵詞語(yǔ)作為識(shí)別結(jié)果輸出[4]。由于 LD3320 內(nèi)部已經(jīng)集成了目前相對(duì)快速、穩(wěn)定的優(yōu)化算法，因而不需要外接 Flash 和RAM等存儲(chǔ)設(shè)備，同時(shí)LD3320 也不需要用戶(hù)事先訓(xùn)練來(lái)完成非特定人聲的語(yǔ)音識(shí)別，因此 LD3320 的語(yǔ)音識(shí)別率更穩(wěn)定，更貼切于民用需求，準(zhǔn)確率也更高[2]。

在語(yǔ)音識(shí)別模塊中，研究將LD3320芯片用并行的方式直接與STC11L08XE單片機(jī)連接，與單片機(jī)共用同一個(gè)外部22.118 4 MHz晶振，LD3320的A0引腳與單片機(jī)的P20引腳相接，用于判斷是數(shù)據(jù)段、還是地址段。MBS引腳用于麥克風(fēng)偏置，同時(shí)連接一個(gè)RC電路以保證為麥克風(fēng)輸出浮動(dòng)電壓[4]。LD3320芯片中控制信號(hào)RDB、WRB以及中斷返回信號(hào)INTB分別與單片機(jī)中的RD、WR、INT0引腳相連，已實(shí)現(xiàn)當(dāng)麥克風(fēng)收到指令后由LD3320對(duì)單片機(jī)發(fā)出中斷指令并傳輸數(shù)據(jù)的功能；同時(shí)為了確保該系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在CSB、RSTB(復(fù)位信號(hào))處采用10 K電阻上拉。EQ1、EQ2、EQ3為喇叭音量的外部控制電路[3]。

1.4 舵機(jī)模塊設(shè)計(jì)

舵機(jī)模塊的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)智能設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分。該模塊的核心部件為單片機(jī)控制的舵機(jī)，本方案采用的是S3003舵機(jī)，工作電壓為4.8～6 V。舵機(jī)的控制信號(hào)為周期是20 ms(即頻率為50 Hz)的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，其中的脈沖寬度從0.5～2.5 ms(即占空比為2.5%-12.5%)，相對(duì)應(yīng)舵盤(pán)的位置為0°～180°，兩者呈線(xiàn)性變化[5]。所以，為其提供一定的脈寬，該舵機(jī)的輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)應(yīng)的角度上，無(wú)論外界的轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到為其提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)，此時(shí)才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)的位置上[6]。

考慮到舵機(jī)工作電壓使用6 V時(shí)更加靈敏，而常規(guī)的USB供電只有5 V，所以需在舵機(jī)的供電線(xiàn)上外接一個(gè)5 V轉(zhuǎn)6 V的升壓模塊。同時(shí)，因?yàn)镾TC11L08XE單片機(jī)引腳輸出電壓較低，需要單片機(jī)連接舵機(jī)信號(hào)線(xiàn)的I/O口使用推挽輸出來(lái)輸出指定的PWM才能驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。在本系統(tǒng)中，因?yàn)樾枰倏囟鏅C(jī)用于臺(tái)燈燈罩的打開(kāi)，便于照明，所以在臺(tái)燈的“開(kāi)燈”口令中固定輸出占空比為10%的PWM(即旋轉(zhuǎn)120°)，“關(guān)燈”口令中固定輸出占空比為2.5%的PWM(即旋轉(zhuǎn)0°)即可。

1.5 強(qiáng)光LED燈板設(shè)計(jì)

強(qiáng)光LED燈板主要由2組、共6個(gè)1 W強(qiáng)光LED燈珠組成，每組都會(huì)串聯(lián)上一個(gè)SS8550三極管，由單片機(jī)主控模塊的I/O口直接連接三極管的基極，發(fā)射極與集電極分別連接電源正極與燈板正極，當(dāng)單片機(jī)對(duì)SS8550的基極輸出一定的PWM便可控制燈板的亮滅及其亮度。但單片機(jī)的I/O口輸出電壓較低，無(wú)法驅(qū)動(dòng)調(diào)控用5 V供電的燈板亮暗，所以在燈板的電源連接處接上AMS1117穩(wěn)壓芯片，使燈板的輸入電壓降至3.3 V。

1.6 供電模塊設(shè)計(jì)

該臺(tái)燈使用的是USB供電，而一般的USB接口都為5 V供電，而STC11L08XE單片機(jī)與LD3320芯片的額定工作電壓為3.3 V，所以需要接入AMS1117穩(wěn)壓芯片，輸出3.3 V的電壓，以保證STC11L08XE單片機(jī)與LD3320芯片的正常工作，同時(shí)接入4個(gè)電容用于濾波，使供電更加穩(wěn)定[7]。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)程序流程設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)總流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總流程圖

2.2 LD3320工作狀態(tài)判斷程序代碼設(shè)計(jì)

void LD3320()

{

switch(ASR Status)//LD3320當(dāng)前狀態(tài)

{

case ASR RUNING://LD3320處于識(shí)別狀態(tài)

case ASR ERROR: //LD3320內(nèi)部發(fā)生錯(cuò)誤

break;

case ASR NONE: //未處于識(shí)別狀態(tài)

{

ASR Status=ASR RUNING;

//LD3320進(jìn)入識(shí)別狀態(tài)

if (RunASR()==0) //完成了LD3320初始化、添加關(guān)鍵詞并啟動(dòng)ASR運(yùn)算

{

ASR Status = ASR ERROR;

//初次識(shí)別流程中LD3320內(nèi)部發(fā)生錯(cuò)誤

}

break;

}

case FOUND OK:

//LD3320語(yǔ)音識(shí)別流程時(shí)識(shí)別出關(guān)鍵詞

{

ASR Res = Get Result();

//獲取語(yǔ)音識(shí)別結(jié)果

User handle(ASR Res);

//執(zhí)行設(shè)定好的指令

ASR Status = ASR NONE;

//返回未識(shí)別狀態(tài)

break;

}

case FOUND ZERO://未識(shí)別出關(guān)鍵詞

default:

{

ASR Status = ASR NONE;

break;

}

}

}

3 系統(tǒng)工作過(guò)程及工作效果

3.1 系統(tǒng)工作過(guò)程

臺(tái)燈通電時(shí)，各模塊進(jìn)行初始化，初始化結(jié)束后電源指示燈穩(wěn)定進(jìn)入低亮狀態(tài)。為了降低雜音對(duì)聲控功能的影響，該臺(tái)燈采用口令觸發(fā)模式，即當(dāng)使用者對(duì)臺(tái)燈先說(shuō)出口令后才能對(duì)其說(shuō)出操作命令；該臺(tái)燈的口令為“小白”。當(dāng)識(shí)別口令成功后，電源指示燈進(jìn)入高亮狀態(tài)，此時(shí)使用者可對(duì)臺(tái)燈發(fā)送操作命令，使臺(tái)燈轉(zhuǎn)入相應(yīng)的工作狀態(tài)，同時(shí)電源指示燈恢復(fù)低亮狀態(tài)。該臺(tái)燈共有5種工作指令：開(kāi)燈、關(guān)燈、低亮度、正常亮度和高亮度。在臺(tái)燈識(shí)別口令成功后再對(duì)臺(tái)燈說(shuō)出“開(kāi)燈”的操作命令時(shí)，臺(tái)燈燈罩會(huì)抬升至120°，同時(shí)燈的亮度會(huì)進(jìn)入正常亮度狀態(tài)；對(duì)臺(tái)燈說(shuō)出“關(guān)燈”的操作命令時(shí)，臺(tái)燈燈罩則會(huì)回到關(guān)閉狀態(tài)，同時(shí)燈也會(huì)進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)。在臺(tái)燈識(shí)別口令成功后再對(duì)臺(tái)燈說(shuō)出“暗燈”或“暗光”的操作命令時(shí)，燈的亮度會(huì)進(jìn)入低亮度狀態(tài)；說(shuō)出 “正?！钡牟僮髅顣r(shí)，燈的亮度會(huì)恢復(fù)正常亮度狀態(tài)；說(shuō)出“亮燈”或“亮光”的操作命令時(shí)，燈的亮度會(huì)進(jìn)入高亮度狀態(tài)。

此外，用于直接切換臺(tái)燈開(kāi)關(guān)狀態(tài)的自鎖開(kāi)關(guān)作為外部中斷開(kāi)關(guān)，按下時(shí)直接對(duì)單片機(jī)發(fā)送外部中斷信號(hào)，直接使臺(tái)燈切換開(kāi)關(guān)狀態(tài)。但只能用于切換臺(tái)燈的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，無(wú)法改變其工作亮度。

3.2 系統(tǒng)工作效果

在通電狀態(tài)下，電源指示燈處于低亮狀態(tài)；在室內(nèi)環(huán)境相對(duì)安靜下，對(duì)臺(tái)燈說(shuō)出口令“小白”后，電源指示燈進(jìn)入高亮狀態(tài)；然后說(shuō)出工作指令“開(kāi)燈”，電源指示燈恢復(fù)低亮狀態(tài)，同時(shí)臺(tái)燈燈罩抬升120°并開(kāi)燈，亮度為正常亮度狀態(tài)；開(kāi)燈后，再次說(shuō)出口令“小白”，電源指示燈進(jìn)入高亮狀態(tài)后，說(shuō)出工作指令“亮燈”或“亮光”，臺(tái)燈亮度調(diào)為高亮度；說(shuō)出工作指令“暗燈”或“暗光”，臺(tái)燈亮度調(diào)為低亮度；說(shuō)出工作指令“關(guān)燈”，臺(tái)燈關(guān)閉且燈罩收合至初始狀態(tài)。如圖4即為上述工作命令的實(shí)際效果圖。

圖4 各工作命令的實(shí)際效果圖

4 結(jié)束語(yǔ)

制作了以STC1108XE單片機(jī)為核心的智能聲控及其自動(dòng)化臺(tái)燈。預(yù)先設(shè)定的語(yǔ)音字符口令由單片機(jī)檢測(cè)到語(yǔ)音識(shí)別聲控保存，并在語(yǔ)音識(shí)別模塊對(duì)周?chē)穆曇暨M(jìn)行非特定人語(yǔ)音檢測(cè)時(shí)，將LD3320語(yǔ)音識(shí)別芯片上預(yù)先保存的語(yǔ)音字符與識(shí)別到的語(yǔ)音字符進(jìn)行匹配，若口令匹配成功則由引腳將其電平信號(hào)傳送到單片機(jī)觸發(fā)其中斷，由單片機(jī)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)LED強(qiáng)光燈板到達(dá)指定高度或收合起來(lái)，再由單片機(jī)輸送的電平信號(hào)控制LED強(qiáng)光燈板的亮滅及其亮度的調(diào)節(jié)。同時(shí)為了保證該聲控臺(tái)燈在嘈雜環(huán)境中依然不影響使用，而加入了一個(gè)自鎖開(kāi)關(guān)，直接切換臺(tái)燈的開(kāi)關(guān)狀態(tài)而不影響該臺(tái)燈聲控的功能，但自鎖開(kāi)關(guān)無(wú)法用于切換臺(tái)燈亮度。而外殼則是使用3D打印制作完成。經(jīng)過(guò)對(duì)該設(shè)計(jì)制作的實(shí)物在室內(nèi)環(huán)境條件下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，初步測(cè)試結(jié)果表明該聲控臺(tái)燈可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音口令的準(zhǔn)確識(shí)別，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的和要求。該設(shè)計(jì)成本適中，可以直接應(yīng)用于智能家居中并進(jìn)行后續(xù)的推廣普及。