田亞立 梁波

（寧夏工業(yè)職業(yè)學(xué)院 寧夏回族自治區(qū)銀川市 750021）

1 引言

隨著AI技術(shù)及語音識(shí)別技術(shù)的迅速發(fā)展，智能家居將是未來家居的發(fā)展趨勢(shì)。智能家居的控制方式已經(jīng)由觸控變?yōu)槁暱?，由觸感變?yōu)閷?duì)話，由低級(jí)別的感知智能到高級(jí)別的認(rèn)知智能[1]。智能家居的發(fā)展越來越依賴于人機(jī)交互，從而使用語音識(shí)別操控家居產(chǎn)品的技術(shù)必定會(huì)成為研究的熱點(diǎn)[2]。目前大部分家庭的門禁系統(tǒng)采用機(jī)械鎖，機(jī)械鎖的安全性及穩(wěn)定性有待于進(jìn)一步提高。指紋鎖的可靠性相對(duì)較高，但價(jià)格較高，如果指紋被復(fù)制安全性不能得到保障[3]。語音鎖方便快捷，但易受環(huán)境影響。鑒于此，本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)本設(shè)計(jì)了一款語音識(shí)別與密碼相結(jié)合的密碼鎖，主要用于家居生活中的入戶門、書柜、衣柜等，此設(shè)計(jì)既降低了成本，解決了密碼鎖的安全問題又為家居生活帶來了方便、快捷的舒適體驗(yàn)。

2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)采用晶宏公司生產(chǎn)的STC89C52RC型單片機(jī)（具有快速、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格超低等優(yōu)點(diǎn)）負(fù)責(zé)計(jì)算及控制系統(tǒng)的整體運(yùn)行，系統(tǒng)包括鍵盤輸入模塊、語音識(shí)別模塊、液晶顯示模塊、報(bào)警模塊、開鎖模塊。各個(gè)模塊之間既相互獨(dú)立又相互配合。系統(tǒng)供電后，液晶顯示器顯示要輸入密碼，當(dāng)語音輸入密碼后，語音模塊識(shí)別語音密碼是否正確，將結(jié)果送入單片機(jī)；當(dāng)矩陣輸入密碼時(shí)，單片機(jī)通過鍵盤掃描程序識(shí)別輸入的密碼并對(duì)比。當(dāng)語音與矩陣鍵盤輸入密碼都正確時(shí)，液晶顯示器顯示密碼正確，綠色發(fā)光二極管亮。同時(shí)單片機(jī)給電磁鎖送信號(hào)，電磁鎖打開。當(dāng)語音密碼或者矩陣鍵盤密碼其中一個(gè)有誤時(shí)，紅色發(fā)光二極管亮，液晶顯示器顯示密碼錯(cuò)誤，密碼最多可輸入三次。系統(tǒng)也可根據(jù)實(shí)際需要采用語音或者矩陣鍵盤其中的一種方式來實(shí)現(xiàn)門禁系統(tǒng)的開鎖功能。其系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖見圖1。

圖1：系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 電源模塊

智能鎖在運(yùn)行的過程中，需要給控制器、語音模塊、報(bào)警模塊顯示模塊及電磁鎖等設(shè)備提供可靠的供電電源，通常智能鎖的電源采用干電池供電，但也存在因?yàn)殡姵仉娏亢谋M無法進(jìn)門的尷尬情況，本系統(tǒng)采用可充電的鋰電池（XL-5V 1200mAh、約每一年更換一次電池），當(dāng)電池沒電時(shí)，可通過充電寶給鋰電池充電，以提高系統(tǒng)供電的可靠性。

3.2 鍵盤輸入模塊

系統(tǒng)采用4*4矩陣式按鍵作為系統(tǒng)按鍵密碼輸入設(shè)備，其中0—9為密碼輸入的具體數(shù)字，OK鍵為確認(rèn)鍵，C鍵為清除鍵。鍵盤由行線和列線組成，行線與列線的交叉處是放置按鍵。按鍵按下時(shí)該按鍵點(diǎn)所在的行線和列線被接通，此時(shí)單片機(jī)采集到的電平會(huì)發(fā)生變化，單片機(jī)根據(jù)電平的變化便可確定是那個(gè)鍵按下了。按鍵電路圖見圖2。

圖2：密碼鎖的按鍵輸入電路

3.3 報(bào)警模塊

系統(tǒng)采用兩個(gè)發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)報(bào)警。與STC89C52單片機(jī)的P2.6和P2.7口相接。當(dāng)密碼八位密碼輸入正確時(shí)，綠色指示燈亮；當(dāng)密碼輸入錯(cuò)誤時(shí)，紅色發(fā)光二極管點(diǎn)亮；當(dāng)密碼輸入錯(cuò)誤累計(jì)三次時(shí)，紅的發(fā)光二極管閃爍。報(bào)警電路如圖3所示。

圖3：報(bào)警電路

3.4 語音識(shí)別模塊

LD3320語音識(shí)別芯片，內(nèi)部已經(jīng)固化了優(yōu)化算法，通過口令觸發(fā)模式和垃圾詞語吸收模式可以提高語音識(shí)別的準(zhǔn)確度。設(shè)計(jì)中語音通訊采用的是串口通訊，直接與STC89C52的RXD信號(hào)相連接。工作中將采集的語音信號(hào)送入到LD3320，進(jìn)行解析并提取語音信息，將提取的語音信息與列表中的關(guān)鍵詞進(jìn)行對(duì)比與匹配，找出最匹配的關(guān)鍵詞，送入到STC89C52單片機(jī)中。語音信號(hào)處理過程如圖4所示。

圖4：語音信號(hào)處理過程圖

3.5 液晶顯示模塊

系統(tǒng)采用LCD1602液晶顯示器進(jìn)行密碼鎖相關(guān)信息的顯示。數(shù)據(jù)信號(hào)D0-D7與STC89C52單片機(jī)的P0口相接，控制信號(hào)RS、RW和EP分別接在P2口的第0、1和2位上。VSS、VDD、VEE與1K滑動(dòng)變阻器構(gòu)成液晶顯示器的電源電路。上電后首先在第一行顯示“the code is:”。當(dāng)輸入密碼后，在第二行顯示輸入的密碼。若密碼正確則在第一行顯示“welcome”，密碼錯(cuò)誤顯示“try again”。密碼累計(jì)三次輸入錯(cuò)誤，顯示“Wrong!!”。液晶顯示電路如圖5所示。

圖5：液晶顯示電路

3.6 電磁繼電器模塊

密碼鎖采用繼電器控制代替開鎖機(jī)構(gòu)，電路由三極管放大電路、繼電器、指示燈和直流電源組成。放大電路的基極接于STC89C52單片機(jī)的P2.5口。當(dāng)密碼輸入正確時(shí)，單片機(jī)送給P2.5一個(gè)低電平信號(hào)，放大電路導(dǎo)通，繼電器吸合，密碼鎖打開，開鎖指示燈亮。電磁繼電器控制電路如圖6所示。

圖6：電磁繼電器開鎖電路

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)包括：主程序控制的設(shè)計(jì)、語音控制設(shè)計(jì)、液晶顯示設(shè)計(jì)、鍵盤輸入設(shè)計(jì)、顯示報(bào)警設(shè)計(jì)等。

4.1 主程序控制的設(shè)計(jì)

密碼鎖控制系統(tǒng)的主程序包括初始化子程序、設(shè)置初始密碼、設(shè)置密碼的顯示位置、設(shè)置密碼輸入的次數(shù)、讀取鍵值、顯示子函數(shù)、語音子函數(shù)和按鍵值函數(shù)等。系統(tǒng)設(shè)置了三種程序選擇模式。在模式選擇時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)為語音按鍵組合模式，當(dāng)開啟選擇模式時(shí)，若選擇0，則為語音模式；選擇1，則為按鍵模式。確定了密碼鎖的工作模式，便根據(jù)選擇的模式不同，執(zhí)行不同的子程序。主程序流程如圖7所示。

圖7：主程序流程圖

4.2 語音控制設(shè)計(jì)

語音控制程序主要包括初始化、語音對(duì)比識(shí)別。為了確保語音識(shí)別的效率，首先設(shè)置一級(jí)觸發(fā)指令“你好”，當(dāng)采集到一級(jí)指令后，進(jìn)入二級(jí)指令采集過程，采集到的信號(hào)與存儲(chǔ)到單片機(jī)中的常用的特征信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，并將對(duì)比結(jié)果相匹配的數(shù)據(jù)讀出，經(jīng)過處理后送LCD進(jìn)行顯示，同時(shí)接通電磁繼電器。語音程序流程如圖8所示。

圖8：語音程序流程圖

4.3 鍵盤輸入設(shè)計(jì)

為了減少單片機(jī)I/O接口的占用，本設(shè)計(jì)采用矩陣鍵盤，鍵盤接至單片機(jī)的P1口。進(jìn)入鍵盤子程序，先設(shè)置行碼和列碼。程序執(zhí)行時(shí)，首先判斷是否有鍵按下，如果有鍵按下，逐行掃描，進(jìn)一步判斷是哪一行的按鍵按下了。當(dāng)確定了某一行有鍵按下后，再確定是那一列中的鍵按下了，通過行和列的信號(hào)，最終可判斷出哪一個(gè)按鍵按下了。確定按鍵后返回鍵值。其流程圖如圖9所示。

圖9：鍵盤掃描程序流程圖

4.4 液晶顯示設(shè)計(jì)

LCD顯示主要包括LCD初始化、測(cè)試LCD忙碌狀態(tài)、設(shè)定顯示位置、寫數(shù)據(jù)到LCD、設(shè)置顯示格式及LCD顯示等。初始化階段主要設(shè)置顯示格式、顯示光標(biāo)及清除LCD顯示內(nèi)容的等。讀信號(hào)時(shí)，當(dāng)密碼正確時(shí)顯示“right”，當(dāng)錯(cuò)誤時(shí)，有三次機(jī)會(huì)，每次都判斷密碼的準(zhǔn)確性，三次都錯(cuò)就顯示“wrong”，并將信號(hào)送單片機(jī)。LCD顯示子程序如圖10所示。

圖10：液晶顯示程序流程圖

5 結(jié)束語

目前，密碼鎖、指紋鎖及語音識(shí)別技術(shù)等在安全鎖領(lǐng)域具有廣闊的市場(chǎng)前景，隨著密碼破解和造假指紋技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)安全鎖的要求越來越高，單一加密方式的安全鎖已經(jīng)不能滿足人們的要求，具有多重加密方式的安全鎖將是今后密碼鎖的一種發(fā)展趨勢(shì)。本設(shè)計(jì)將語音識(shí)別技術(shù)與密碼鎖相結(jié)合，設(shè)計(jì)了語音與密碼輸入的雙重加密方式，安全性得到較大的提高。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)靈活可靠，加密模式可選擇，不僅適用于入戶門還適用于智能家居中的臥室門、衣柜門等，為安全鎖提供了一個(gè)解決方案，為家居生活提供了便利。