摘 要：針對(duì)室內(nèi)裝修所使用的固定式人字梯和升降式工作臺(tái)存在的不便于攜帶、靈活性差等問(wèn)題，提出了一種基于語(yǔ)音識(shí)別的升降梯自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103單片機(jī)為主控芯片，集成了壓力傳感模塊、測(cè)速模塊、語(yǔ)音識(shí)別模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，能夠通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別實(shí)現(xiàn)對(duì)升降梯的自動(dòng)控制。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠顯著提升工作效率，是智能家居等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的理想選擇。

關(guān)鍵詞：升降梯；自動(dòng)控制；壓力傳感；語(yǔ)音識(shí)別；STM32F103單片機(jī)；升降速度測(cè)量

中圖分類號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）05-0-04

0 引 言

近年來(lái)，隨著環(huán)保理念的普及和科技的進(jìn)步，人們對(duì)自動(dòng)控制、便攜性和實(shí)用性的生活方式的需求日益增長(zhǎng)?？勺詣?dòng)控制的升降梯作為現(xiàn)代化工作輔助設(shè)備，因其便捷性和高效性而倍受關(guān)注，逐漸成為現(xiàn)代商業(yè)和辦公場(chǎng)所不可或缺的一部分。隨著人們對(duì)工作環(huán)境要求的提升，升降梯的自動(dòng)控制需求也日益增長(zhǎng)，推動(dòng)了相關(guān)行業(yè)對(duì)升降梯自動(dòng)控制技術(shù)的研發(fā)投入，以滿足人們對(duì)更自動(dòng)、更安全、更高效工作方式的追求。

傳統(tǒng)的現(xiàn)代化工作輔助設(shè)備主要包括固定式人字梯和升降式工作臺(tái)，然而這兩種裝置仍存在一些不足，例如升降靈活性差、安全性差、不便于攜帶等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了室內(nèi)裝修工作的效率和安全性。

針對(duì)這些問(wèn)題，研究者們結(jié)合現(xiàn)有升降裝置的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種便攜、可自動(dòng)控制的升降裝置。現(xiàn)有的升降裝置大都是基于單片機(jī)控制的小型升降梯，采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為動(dòng)力源。部分升降梯內(nèi)還配備了攝像頭、報(bào)警裝置和稱重裝置，實(shí)現(xiàn)了重量檢測(cè)和報(bào)警功能[1-2]，同時(shí)通過(guò)APP實(shí)現(xiàn)了對(duì)升降梯的遠(yuǎn)程監(jiān)控，但這種實(shí)現(xiàn)方式過(guò)于復(fù)雜；還有些升降裝置采用新型鋁合金型材作為雙面升降梯的原料[3-4]，旨在解決傳統(tǒng)雙面升降梯占用空間大、不利于儲(chǔ)存的問(wèn)題。通過(guò)新型鋁合金型材的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了雙面升降梯結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化和輕量化，提升了儲(chǔ)存和搬運(yùn)的便利性，但新型鋁合金型材成本比較昂貴；此外，還有一種車載式剪叉升降平臺(tái)[5-7]，采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)和U型工作平臺(tái)，可容納兩人同時(shí)進(jìn)行高空檢修工作，該設(shè)計(jì)提高了平臺(tái)穩(wěn)定性和平衡性，增強(qiáng)了操作人員的安全性，在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了創(chuàng)新，但不適合在室內(nèi)使用。提到升降裝置，大多數(shù)設(shè)計(jì)是通過(guò)固定在軌道上或者利用鋼絲繩拉動(dòng)實(shí)現(xiàn)直上直下的上升或下降[8-11]，這些升降方式的安全性有待提高。

本文針對(duì)當(dāng)前升降裝置存在的問(wèn)題，結(jié)合各類裝置所具有的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款便于攜帶、可隨意調(diào)節(jié)高度的基于語(yǔ)音識(shí)別的升降梯自動(dòng)控制系統(tǒng)，集成了壓力傳感模塊、測(cè)速模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和語(yǔ)音識(shí)別模塊，通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別和自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音控制升降的功能。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體框架

基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)整體架構(gòu)由五個(gè)模塊組成，包括主控芯片、壓力傳感稱重模塊、測(cè)速模塊、語(yǔ)音識(shí)別模塊以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，如圖1所示。

輸入裝置主要包括壓力傳感稱重模塊、測(cè)速模塊、語(yǔ)音識(shí)別模塊。其中，壓力傳感稱重模塊用來(lái)檢測(cè)物體的重量，測(cè)速模塊用來(lái)測(cè)量升降梯的升降速度，語(yǔ)音識(shí)別模塊用來(lái)接收用戶指令。輸出裝置主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，用來(lái)驅(qū)動(dòng)升降梯的升降。該系統(tǒng)的整體運(yùn)行流程如下：通過(guò)輸入裝置采集信息、數(shù)據(jù)并接收用戶指令，再將采集到的數(shù)據(jù)和信息傳給主控芯片；主控芯片對(duì)輸入裝置傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理，再將數(shù)據(jù)傳輸給輸出裝置進(jìn)行相應(yīng)操作。

1.2 主控芯片

本系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)作為主控芯片，型號(hào)為STM32F103。該單片機(jī)基于Cortex-M3核心，具有72 MHz的CPU速度和最高1 MB的閃存容量，能夠快速處理數(shù)據(jù)和執(zhí)行程序。此外，該芯片還具有高性能、低功耗、高運(yùn)算能力以及強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)工具支持等特點(diǎn)。在升降梯系統(tǒng)中，主控芯片承擔(dān)核心控制和處理任務(wù)，確保系統(tǒng)按照預(yù)定的工作方式穩(wěn)定運(yùn)行。

1.3 輸入模塊

1.3.1 壓力傳感稱重子模塊

壓力傳感稱重模塊的主要功能是將物體的重量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，以便進(jìn)行測(cè)量和控制。該模塊采用HX711稱重傳感器，具有高精度、低噪聲、可調(diào)增益、低功耗、數(shù)字接口的特點(diǎn)。該模塊用于檢測(cè)物體的重量，并將檢測(cè)結(jié)果反饋給主控芯片，防止物體重量過(guò)重?fù)p壞系統(tǒng)，其承重上限為100 kg。該壓力傳感稱重模塊的TX口和RX口用于串行通信的數(shù)據(jù)傳輸，分別與單片機(jī)的PA9口和PA10口連接，實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。HX711傳感器的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

1.3.2 測(cè)速子模塊

測(cè)速模塊用于測(cè)量升降梯的升降速度，并將檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)反饋給主控芯片，便于用戶進(jìn)行調(diào)控[12]。該模塊采用3144E霍爾傳感器，具有高精度、低成本和高可靠性的特點(diǎn)。測(cè)速方法主要包括M法、T法與M/T法，其測(cè)速原理分別見(jiàn)式（1）、式（2）和式（3）。其中，M法又稱為頻率法，T法又稱為周期法。該測(cè)速模塊的OUT口為輸出口，與單片機(jī)的A1口連接進(jìn)行信息傳輸。

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1.3.3 語(yǔ)音識(shí)別子模塊

語(yǔ)音識(shí)別子模塊用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)語(yǔ)音交互，使設(shè)備能夠理解和響應(yīng)用戶的語(yǔ)音指令。該模塊采用SNR8016VR-M語(yǔ)音識(shí)別芯片，其工作電壓為5 V，待機(jī)電流為50 mA，工作溫度范圍為-20～60 ℃，支持功放輸出DAC，通信方式采用UART/IO，支持最長(zhǎng)240 s的音頻識(shí)別，模塊尺寸為 28 mm×40 mm，可儲(chǔ)存160個(gè)語(yǔ)音指令。該模塊具有簡(jiǎn)單易用、可定制性、高性能的特點(diǎn)，技術(shù)人員提前錄入語(yǔ)音指令，用戶通過(guò)輸入相應(yīng)語(yǔ)音指令即可控制升降梯的上升或下降，從而實(shí)現(xiàn)升降梯系統(tǒng)的自動(dòng)控制。該語(yǔ)音模塊的OUT1口和OUT2口為輸出口，分別與單片機(jī)的PA4口和PA5口連接進(jìn)行信息傳輸。

壓力傳感稱重模塊、測(cè)速模塊和語(yǔ)音識(shí)別模塊與單片機(jī)的連接原理圖如圖2所示。

1.4 輸出模塊

電機(jī)的主要功能是驅(qū)動(dòng)踏板上升或下降，采用42BYGH34BYGH電機(jī)，其步距角為1.8°，步距角精度為±5%。在額定電流下，兩相通電時(shí)，電機(jī)的溫度不應(yīng)超過(guò)80 ℃。該電機(jī)可以在-20～50 ℃的環(huán)境中正常工作，并且具備500 V AC的介電強(qiáng)度，可持續(xù)1 min而不被擊穿，表明電機(jī)能夠承受較高的電壓。此外，該電機(jī)還具有能量轉(zhuǎn)換效率高、運(yùn)行高效、可逆性強(qiáng)和可控性好的特點(diǎn)。單片機(jī)將處理后的信息和數(shù)據(jù)發(fā)送給電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)踏板運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的升降功能。電機(jī)與單片機(jī)的對(duì)應(yīng)接口見(jiàn)表2。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)軟件主流程

圖3所示為系統(tǒng)軟件的主流程，該流程圖展示了基于單片機(jī)的語(yǔ)音控制電機(jī)啟動(dòng)的過(guò)程。整個(gè)流程從單片機(jī)初始化開(kāi)始，經(jīng)過(guò)語(yǔ)音檢測(cè)、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音正確性驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)，形成了一個(gè)完整的控制邏輯。

首先，進(jìn)行單片機(jī)初始化。在這一階段，單片機(jī)將進(jìn)行一系列的基礎(chǔ)設(shè)置和配置，以確保其能夠正常工作。初始化內(nèi)容包括時(shí)鐘設(shè)置、端口配置、中斷使能等，這些步驟為后續(xù)的語(yǔ)音控制和電機(jī)驅(qū)動(dòng)提供了必要的硬件支持。

完成單片機(jī)初始化后，進(jìn)入“是否檢測(cè)到語(yǔ)音”階段。此時(shí)，單片機(jī)通過(guò)連接的語(yǔ)音采集設(shè)備（如麥克風(fēng)）來(lái)監(jiān)聽(tīng)環(huán)境聲音，并嘗試檢測(cè)特定的語(yǔ)音指令。如果成功檢測(cè)到該語(yǔ)音指令，流程繼續(xù)進(jìn)入下一階段；否則，單片機(jī)將保持當(dāng)前狀態(tài)，繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)語(yǔ)音。

在檢測(cè)到語(yǔ)音指令后，進(jìn)入“對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行識(shí)別”階段。這一階段，單片機(jī)將對(duì)接收到的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行處理和分析，以識(shí)別出具體的語(yǔ)音內(nèi)容。這通常涉及到音頻信號(hào)的濾波、特征提取、模式匹配等操作。通過(guò)這些處理，單片機(jī)能夠判斷接收到的語(yǔ)音是否符合預(yù)期的指令格式和內(nèi)容。

完成語(yǔ)音識(shí)別后，進(jìn)入“驗(yàn)證是否為正確語(yǔ)音”階段。在這一階段，單片機(jī)將比對(duì)識(shí)別出的語(yǔ)音指令與預(yù)設(shè)的正確指令是否一致。如果識(shí)別出的語(yǔ)音與預(yù)設(shè)指令相符，說(shuō)明用戶發(fā)出了正確的語(yǔ)音控制命令；否則，單片機(jī)將忽略該指令，并返回到監(jiān)聽(tīng)語(yǔ)音的狀態(tài)。

當(dāng)驗(yàn)證語(yǔ)音指令正確無(wú)誤后，進(jìn)入最后一個(gè)階段——“電機(jī)啟動(dòng)”。在這一階段，單片機(jī)將根據(jù)接收到的語(yǔ)音指令，向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)按照預(yù)設(shè)方式運(yùn)行。通過(guò)這一步驟，用戶可以通過(guò)語(yǔ)音指令實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的遠(yuǎn)程控制。

當(dāng)電機(jī)成功啟動(dòng)后，整個(gè)流程結(jié)束。單片機(jī)將保持在當(dāng)前狀態(tài)，繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)環(huán)境聲音，以便隨時(shí)響應(yīng)下一次的語(yǔ)音控制指令。

這一流程結(jié)合了單片機(jī)技術(shù)、語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)，為智能家居、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域提供了便捷的語(yǔ)音控制方式。通過(guò)不斷優(yōu)化和改進(jìn)流程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，可以為用戶帶來(lái)更好的使用體驗(yàn)。

2.2 語(yǔ)音識(shí)別流程

圖4所示為語(yǔ)音識(shí)別具體流程。當(dāng)系統(tǒng)接收到語(yǔ)音，首先會(huì)判斷該語(yǔ)音是否為預(yù)設(shè)的語(yǔ)音。這一判斷過(guò)程會(huì)循環(huán)進(jìn)行，直到接收到預(yù)設(shè)的語(yǔ)音。

系統(tǒng)接收到預(yù)設(shè)語(yǔ)音后，會(huì)判斷該語(yǔ)音是否為中文，如果語(yǔ)音是中文，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)中文語(yǔ)音指令執(zhí)行相應(yīng)的功能或任務(wù)。如果語(yǔ)音不是中文，則默認(rèn)為英文，當(dāng)指令為“up”時(shí)執(zhí)行“上升”操作，當(dāng)指令為“down”時(shí)則執(zhí)行“下降”操作。這個(gè)循環(huán)過(guò)程將持續(xù)進(jìn)行，直到滿足某個(gè)結(jié)束條件（語(yǔ)音不符合預(yù)設(shè)要求或者達(dá)到預(yù)設(shè)的循環(huán)次數(shù)等）。一旦滿足結(jié)束條件，整個(gè)流程結(jié)束。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種基于STM32單片機(jī)的語(yǔ)音識(shí)別升降梯自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STM32作為主控制器，集成了壓力傳感稱重模塊、測(cè)速模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和語(yǔ)音識(shí)別模塊。其中，壓力傳感稱重模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該系統(tǒng)的載荷情況，測(cè)速模塊用于實(shí)時(shí)測(cè)量該系統(tǒng)的運(yùn)行速度，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)控制電機(jī)的啟停和運(yùn)動(dòng)方向，以實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，語(yǔ)音識(shí)別模塊采用先進(jìn)的語(yǔ)音識(shí)別算法，使得用戶可以通過(guò)語(yǔ)音指令控制該系統(tǒng)的運(yùn)行。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠有效地降低能源開(kāi)銷，同時(shí)還具備良好的普適性，是智能家居等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的理想選擇。

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