王豐杰，賀麗麗，武 忠

(運(yùn)城學(xué)院 物理與電子工程系，山西 運(yùn)城 044000)

引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們開始追求更高的生活質(zhì)量。夜晚或較暗的工作室里，光源都是人們生活的必需品。光源主要依賴電能，由于人們離開后忘記關(guān)燈而導(dǎo)致電力資源浪費(fèi)不計(jì)其數(shù)[1]。另外，黑暗環(huán)境手動(dòng)觸摸開關(guān)也潛藏危險(xiǎn)。智能語(yǔ)音燈的設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文根據(jù)所處環(huán)境不同和所需光源的不同，設(shè)計(jì)了包含不同亮度的光源，如白光、柔光、彩光等，且可以實(shí)現(xiàn)人走燈滅的功能，達(dá)到人性化、智能化控制的目的[2]。

1. 系統(tǒng)總體構(gòu)架

本文所設(shè)計(jì)的智能臺(tái)燈系統(tǒng)具有語(yǔ)音控制和人體感應(yīng)的功能。為了滿足不同人群的需求，設(shè)置了四個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置開關(guān)以方便測(cè)試。系統(tǒng)一為最主要的模式，通過(guò)紅外感應(yīng)的結(jié)果決定是否開啟語(yǔ)音識(shí)別。當(dāng)感應(yīng)不到人的時(shí)候，會(huì)關(guān)閉語(yǔ)音識(shí)別，從而避免了由語(yǔ)音誤判導(dǎo)致的一定程度上的電力資源的浪費(fèi)。系統(tǒng)二完全使用語(yǔ)音控制，語(yǔ)音模塊始終開啟，一旦開啟總開關(guān)，系統(tǒng)始終接收語(yǔ)音控制指令。系統(tǒng)三僅僅使用人體感應(yīng)模塊控制，感應(yīng)周圍是否有人，如果有人亮燈，沒(méi)人關(guān)燈。系統(tǒng)四通過(guò)硬件控制燈的亮滅，簡(jiǎn)單方便，用來(lái)檢測(cè)燈光系統(tǒng)是否有故障[3]。

語(yǔ)音模塊包含了語(yǔ)音識(shí)別芯片LD3320和語(yǔ)音主控芯片STC11，人體紅外感應(yīng)模塊使用了HC-SR501模塊。這樣設(shè)置的目的是為了降低功耗，將主控芯片加到語(yǔ)音模塊里，使用人體感應(yīng)模塊控制其工作狀態(tài)[2]。考慮到人體感應(yīng)模塊的輸出電壓不足以驅(qū)動(dòng)語(yǔ)音模塊，添加繼電器模塊控制語(yǔ)音模塊。在燈光方面，設(shè)置了不同模式以適應(yīng)不同的需求。當(dāng)然，由于每個(gè)模塊所需電壓不同，需要一個(gè)電源模塊給各個(gè)模塊提供相應(yīng)的電壓[4]。

2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的語(yǔ)音控制智能臺(tái)燈系統(tǒng)由語(yǔ)音識(shí)別模塊、人體感應(yīng)模塊、電源模塊、繼電器模塊和總燈系統(tǒng)組成?？傮w硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)框圖

2.1 語(yǔ)音識(shí)別模塊

語(yǔ)音識(shí)別模塊由語(yǔ)音識(shí)別芯片LD3320以及總控單片機(jī)STC11組成，LD332X芯片是ICRoute公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的“語(yǔ)音識(shí)別”專用芯片。該芯片集成了語(yǔ)音識(shí)別處理器和一些外部電路，包括AD、DA轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)接口、聲音輸出接口等。不需要外接任何的輔助芯片如Flash、RAM等，直接集成在現(xiàn)有的產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別/聲控/人機(jī)對(duì)話功能[5]。本設(shè)計(jì)使用的模塊集主控與語(yǔ)音識(shí)別于一體，語(yǔ)音采集與單片機(jī)控制都同時(shí)實(shí)現(xiàn)，使用更方便，而且用戶可以自由定義詞段，性價(jià)比高[6]。圖2是語(yǔ)音識(shí)別模塊的原理圖。

圖2 語(yǔ)音識(shí)別模塊原理圖

2.2 人體感應(yīng)模塊

人體感應(yīng)模塊采用了HC-SR501，該模塊基于紅外線技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制,采用LH1778探頭設(shè)計(jì),具有如下特點(diǎn)：靈敏度高、可靠性強(qiáng)和超低工作電壓。工作電壓DC5～20 V；靜態(tài)功耗65 μA；電平輸出高3.3 V，低0 V；延時(shí)時(shí)間可調(diào)(0.3～18 s)；封鎖時(shí)間0.2 s；觸發(fā)方式：L不可重復(fù)，H可重復(fù)，默認(rèn)值為H；感應(yīng)范圍小于120°錐角，7 m以內(nèi)；工作溫度-15～70 ℃；PCB外形尺寸32 mmx24 mm，螺絲孔距28 mm，螺絲孔徑2 mm，感應(yīng)透鏡尺寸直徑23 mm(默認(rèn))[2]。圖3為HC-SR501的原理圖。

圖3 HC-SR501原理圖

2.3 繼電器模塊

繼電器模塊起到開關(guān)的作用，由前文可知，需要使用人體感應(yīng)模塊來(lái)控制語(yǔ)音識(shí)別模塊的通斷[7]，但是語(yǔ)音識(shí)別模塊的供電電壓為5 V，人體感應(yīng)模塊的輸出電壓只有3.3 V，并不足以驅(qū)動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別模塊。采用升壓電路抬高人體感應(yīng)模塊的輸出電壓或者用繼電器進(jìn)行間接的控制?？紤]到多模塊設(shè)計(jì)，對(duì)于語(yǔ)音識(shí)別模塊必須提供一個(gè)獨(dú)立的電源供電，如果使用升壓電路還要再加一個(gè)電源供電會(huì)使設(shè)計(jì)更復(fù)雜。所以在這里還是選擇繼電器模塊，其電路原理圖如圖4所示。

圖4 繼電器模塊原理圖

2.4 電源模塊

電源模塊為其余各模塊供電，其中語(yǔ)音識(shí)別模塊與人體感應(yīng)模塊需要5 V的供電電壓，使用的LED燈珠需要3.3 V的供電電壓，繼電器模塊需要至少9 V的供電電壓?；谝陨系男枨?，使用了一個(gè)11.7 V的可充電電源和兩個(gè)分別為5 V輸出、3.3 V輸出的穩(wěn)壓模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)多電壓供電。圖5是電源模塊的框圖。

圖5 電源模塊框圖

3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在有人的情況下，通過(guò)語(yǔ)音控制燈光模式，臺(tái)燈接收到不同的語(yǔ)音指令后做出對(duì)應(yīng)的變化。為了減少語(yǔ)音識(shí)別模塊由于誤判開燈而造成的能量損耗，對(duì)指令設(shè)置了優(yōu)先級(jí)，開燈與關(guān)燈是兩個(gè)優(yōu)先級(jí)別最高的指令，下面稱為一級(jí)指令。對(duì)于光線的選擇是為二級(jí)指令，要等開燈指令發(fā)出之后再進(jìn)行。無(wú)論目前在進(jìn)行或者將要進(jìn)行什么指令，如果接收到關(guān)燈的指令，系統(tǒng)則會(huì)立即關(guān)燈[8]。在此之前通過(guò)人體感應(yīng)模塊判斷是否要開啟語(yǔ)音模塊，以達(dá)到降低功耗的目的。圖6是系統(tǒng)流程圖，由人體感應(yīng)模塊提供是否有人的信息，當(dāng)接收到有人的信號(hào)時(shí)打開語(yǔ)音識(shí)別模塊，及時(shí)接受語(yǔ)音信號(hào)，此時(shí)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)會(huì)一直對(duì)外部的信號(hào)進(jìn)行處理，如果沒(méi)有接收到一級(jí)指令，語(yǔ)音識(shí)別模塊就不會(huì)進(jìn)行下一步的二級(jí)指令的接收，一旦語(yǔ)音識(shí)別模塊識(shí)別到了一級(jí)指令，就會(huì)進(jìn)一步判斷二級(jí)指令，接收到有效詞后執(zhí)行相應(yīng)的操作，控制燈光的變化。目前設(shè)計(jì)了四種不同的模式，當(dāng)系統(tǒng)識(shí)別到一級(jí)指令后，會(huì)默認(rèn)打開模式一，此時(shí)如果發(fā)出二級(jí)指令，系統(tǒng)就會(huì)做出相應(yīng)的改變，在燈光已經(jīng)打開的時(shí)候不需要再輸入一級(jí)指令就可以調(diào)節(jié)不同的模式。在系統(tǒng)接收到關(guān)燈的指令時(shí)，會(huì)立即將燈光關(guān)閉，此時(shí)再要打開燈光時(shí)就需要再次輸入一級(jí)指令，并且此時(shí)的模式會(huì)默認(rèn)為上一次關(guān)燈時(shí)的模式[9]。

圖6 系統(tǒng)流程圖

如圖6所示，目前設(shè)置了四個(gè)模式。模式一就是正常的日光燈，用來(lái)一般照明；模式二是護(hù)眼模式，如果使用者將要進(jìn)行一些用眼工作如看書、寫字等，這個(gè)模式可以很好地緩解用眼疲勞；模式三是彩燈模式，在這個(gè)模式下，會(huì)有多種顏色的彩燈閃爍照明，適用于娛樂(lè)休閑的環(huán)境當(dāng)中，有助于營(yíng)造氛圍；模式四采用了番茄工作法模式，這個(gè)模式由使用者自定義燈光類型與照明時(shí)長(zhǎng)，應(yīng)用也很廣泛，比如晚上睡不著怕黑，需要開燈，但是如果睡著之前忘記關(guān)燈則會(huì)造成不必要的浪費(fèi)，就可以使用這個(gè)模式，設(shè)定關(guān)燈時(shí)間，到點(diǎn)自動(dòng)關(guān)燈，同時(shí)還可以起到定時(shí)工作提醒的作用，緩解用眼疲勞[10]。

4. 結(jié)束語(yǔ)

本文采用HC-SR501芯片對(duì)人體進(jìn)行感應(yīng)，在有人的情況下啟動(dòng)LD3320完成語(yǔ)音識(shí)別，在限定環(huán)境下給予系統(tǒng)指定的口令，通過(guò)STC11單片機(jī)控制不同照明模式的啟動(dòng)與關(guān)閉，很大程度上的滿足人們對(duì)燈光的需求，并且在一定程度上讓人們更加方便快捷的調(diào)節(jié)需要的燈光。本設(shè)計(jì)功能多樣，控制便捷，而且在沒(méi)有人的情況下會(huì)強(qiáng)制關(guān)燈，節(jié)約能源，可充電電池的使用延長(zhǎng)了使用壽命。實(shí)驗(yàn)證明，本設(shè)計(jì)可以滿足語(yǔ)音對(duì)臺(tái)燈的控制，并且有多種模式來(lái)滿足人們對(duì)燈光照明的需求，但是對(duì)關(guān)鍵詞的語(yǔ)音識(shí)別還存在一定的誤判，有待改進(jìn)。