石戈戈

(四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元 628040)

1 硬件設(shè)計

1.1 語音識別模塊

20世紀60年代開始，語音識別技術(shù)進入了全新的探索時期，期間最具代表性的是線性預(yù)測分析(LP)和動態(tài)規(guī)劃(DP)，主要解決了語音識別過程中特征參數(shù)提取和訓(xùn)練音頻與測試音頻特征參數(shù)不等長匹配的難題。20世紀90年代以后，人們則開始思考如何讓語音識別技術(shù)產(chǎn)品化，期間IBM、Apple、 AT&T等科技巨頭紛紛投入大量資源進行相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)。理論方面，各種改進和優(yōu)化算法仍然是語音識別領(lǐng)域的一大熱點，期望進一步提高算法的識別能力和識別速度。目前，市場上基于語音識別技術(shù)的產(chǎn)品越來越多，比如智能玩具、智能家電、智能汽車電子產(chǎn)品等，當(dāng)然，目前的語音識別技術(shù)無論在理論上還是在應(yīng)用上距離真正的人機無障礙交流還有較大差距，與此同時，眾多研究人員也在通過自己的努力推動語音識別技術(shù)的不斷進步。從整體流程來看，語音識別部分的工作主要有以下幾點：(1)信號預(yù)處理過程。由于我們在采集指令發(fā)出者發(fā)出的原始語音信號時不可避免地會將周圍噪聲一起采入，而這些噪聲或多或少都會影響我們識別結(jié)果的準(zhǔn)確性，甚至淹沒所需信號，致使無法識別。所以，在對原始語音信號進行特征參數(shù)提取前我們需要先進行采樣、濾波降噪、加窗分幀、端點檢測等一系列操作，為后續(xù)的特征提取做好鋪墊。(2)將經(jīng)過預(yù)處理的信號進行分析，從中提取出我們需要的語音特征，如過零率、能量、幅值等時域參數(shù)和頻譜、功率譜、基頻等頻域參數(shù)。(3)模式識別即特征參數(shù)匹配過程。將原始信號經(jīng)過處理提取出的特征參數(shù)與模板庫數(shù)據(jù)采用一定的規(guī)則進行比較，篩選出匹配度最高的模板后通過查表等手段即可得到最終的識別結(jié)果。由于電梯的使用人群各種各樣，所以在本設(shè)計中語音識別模塊應(yīng)該針對非特定人群。本設(shè)計選用了LD3320實現(xiàn)將使用者語音信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂菩酒茏R別的電信號。LD3320芯片作為一個較為常用的語音識別芯片，不僅是一個語音識別處理器，而且還集成了語音輸入接口(麥克風(fēng)接口)和語音輸出接口(聲音播放設(shè)備接口)、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換等外部電路，大大減輕了開發(fā)者的工作量。LD3320芯片中有內(nèi)部RAM、Flash，開發(fā)者通過操作寄存器資源就可以實現(xiàn)相應(yīng)的各種功能。

本設(shè)計的語音識別模塊不僅要實現(xiàn)語音識別的功能，還需要用輸出的識別信號控制相應(yīng)繼電器動作。因此，語音識別模塊中不僅需要LD3320實現(xiàn)語音信號的識別，與此同時還需要一個單片機來實現(xiàn)整個模塊的控制。采用語音識別模塊和電梯主控分別采用單片機控制的方式主要是為了讓語音識別模塊和傳統(tǒng)電梯控制電路各自“獨立”開來，以便于使用此模塊去改造傳統(tǒng)電梯的控制方式時更加便于操作。在本次設(shè)計中并沒有單獨使用語音控制選層，而是將語音識別模塊的繼電器和相應(yīng)的傳統(tǒng)電梯按鍵并聯(lián)起來，實現(xiàn)語音、按鍵并行的多元化控制方式，增加控制的可靠性和人性化。

圖1 語音識別電路

為了方便設(shè)計，基于LD3320的語音識別模塊采用數(shù)字電路電源、數(shù)字邏輯電路電源和模擬電路電源，均采用3.3V的電源供電。為了方便觀察芯片復(fù)位后是否上電，在3.3V電源和29號管腳直接串聯(lián)了一個LED，當(dāng)芯片上電時該LED就會被點亮。與此同時，該串聯(lián)電路中串聯(lián)了一個1K的電阻，其作用是為了降低回路中的電流，以防止LED指示燈被燒壞。電路中MICP和MICN分別作為麥克風(fēng)的正極端輸入和負極端輸入，用來輸入麥克風(fēng)輸出的語音信號。SPOP和SPON分別作為揚聲器的正負極輸出，以此實現(xiàn)語音的播報功能。EQ1、EQ2和EQ3為揚聲器的外部控制端，通過調(diào)整R5和R6的電阻值可以實現(xiàn)揚聲器音量增益的外部調(diào)整。

1.2 電梯主控及執(zhí)行模塊

本次設(shè)計以8層電梯的控制為例進行說明。硬件部分主要由負責(zé)全局計算和邏輯判斷等全局控制的主控芯片，主要由便于使用者觀察的顯示模塊(LED或點陣顯示)、電梯到層提示的蜂鳴器、繼電器模塊等組成。

主控電路如圖2所示，主要由主控單片機芯片、晶振電路和復(fù)位電路構(gòu)成。單片機主控芯片選用主流的STC89C52芯片。復(fù)位操作則采用按鍵復(fù)位的形式，當(dāng)系統(tǒng)需要進行復(fù)位操作時只需按下按鍵S1，電路便會提供一個實現(xiàn)復(fù)位功能需要的高電平給主控單片機STC89C52的RST引腳，從而實現(xiàn)復(fù)位操作。按鍵S1斷開后，電源則會開始對電容C1進行充電操作，此時輸入單片機RST引腳的高電平會“緩慢”降低，最終回到低電平位置，單片機則開始重新工作。

圖2 主控電路

圖3是蜂鳴器報警電路，此電路主要實現(xiàn)電梯到達相應(yīng)樓層后提醒的功能。具體實現(xiàn)原理：當(dāng)電梯到達指定樓層后，單片機STC89C52的P37引腳就會輸出一個低電平信號給三極管Q1的基極，此時三極管Q1就會導(dǎo)通，電源就會通過三極管給蜂鳴器供電，蜂鳴器便會報警提醒。

圖3 蜂鳴器報警電路

圖4是按鍵選層電路，該電路由8個按鍵組成。本次設(shè)計并未直接用語音識別模塊的繼電器將傳統(tǒng)按鍵代替，而是將兩者并聯(lián)，使用者可以根據(jù)自己的習(xí)慣對電梯進行選層等操作，與此同時還可以提高系統(tǒng)的可靠性。

圖4 按鍵選層電路

2 軟件設(shè)計

在系統(tǒng)硬件搭建完畢后，需要進行軟件設(shè)計。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包含語音識別模塊軟件設(shè)計和電梯主控部分軟件設(shè)計2部分。軟件設(shè)計主要采用的是模塊化的設(shè)計方式，也就是主程序通過調(diào)用各個具有一定獨立功能的子程序來實現(xiàn)既定功能。

語音識別模塊的軟件設(shè)計主要實現(xiàn)語音信號的識別、相應(yīng)語音播報和控制繼電器動作等功能。語音識別的工作流程如下所示：

(1)進行初始化設(shè)置，對寄存器進行相應(yīng)配置。

(2)根據(jù)需求寫入關(guān)鍵詞查詢列表。LD3320配備了50個詞條資源，本次設(shè)計以八層電梯為載體，所以LD3320具有的詞條資源可以滿足設(shè)計要求。在進行詞條列表設(shè)置時應(yīng)注意，詞條必須是以語音命令的小寫漢語拼音形式寫入。與此同時，字與字之間應(yīng)該用空格隔開，否則系統(tǒng)會將其視為一個字，從而產(chǎn)生錯誤。詞條長度不應(yīng)過長，最長不能超過79個字節(jié)的拼音串，在本設(shè)計中采用的是1樓、2樓、3樓……的形式，詞條長度在規(guī)定范圍內(nèi)。如“3樓”寫入時就應(yīng)該為“san lou”。在LD3320中為每個詞條都配備了一個字節(jié)的存儲資源來對詞條進行編號，該編號并不要求連續(xù)或者不同。在某些應(yīng)用場景中，我們可以將兩個或者多個詞條的編號設(shè)為一樣，以此來實現(xiàn)不同語音命令產(chǎn)生相同控制結(jié)果的功能，提高識別的效率和整體系統(tǒng)的人性化程度。

(3)進行語音識別。將麥克風(fēng)采集到的語音信號進行相應(yīng)處理后通過列表查詢的方式匹配對應(yīng)的詞條。識別結(jié)果輸入單片機產(chǎn)生的相應(yīng)控制信號，該信號經(jīng)由相應(yīng)的驅(qū)動電路實現(xiàn)對應(yīng)繼電器的動作。

LD3220內(nèi)部集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換、功率放大等電路，可以方便地實現(xiàn)語音播報的功能。語音播報的實現(xiàn)流程主要包含以下幾個部分：

①初始化設(shè)置。

②進行內(nèi)部音量設(shè)置。通過設(shè)置相應(yīng)寄存器的值來實現(xiàn)播放音量的內(nèi)部調(diào)整，該寄存器的值由4位二進制數(shù)表示。

③通過揚聲器播放相應(yīng)語音。

電梯主控部分的工作流程主要包含以下幾點：

①初始化設(shè)置。

②語音識別模塊輸出識別結(jié)果，驅(qū)動其相應(yīng)繼電器動作后會產(chǎn)生一個選層信號輸入電梯主控單片機STC89C52的對應(yīng)引腳。首先，通過按鍵或者語音信號產(chǎn)生的各個選層信號將存入主控單片機為其配置的相應(yīng)寄存器中。然后，主控單片機會根據(jù)設(shè)定好的控制策略，完成各個選層信號的優(yōu)先級排序。最終結(jié)合驅(qū)動電路控制電梯到達指定樓層。

3 結(jié)語

本文以LD3320語音識別芯片為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種語音控制和按鍵控制相結(jié)合的電梯控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在傳統(tǒng)電梯按鍵控制的基礎(chǔ)上加入了語音控制，實現(xiàn)了電梯的非接觸、多元化的控制，使電梯使用更加便捷、衛(wèi)生和人性化，與此同時，該系統(tǒng)整體識別率高、穩(wěn)定性較強，具有一定的應(yīng)用前景。