一種通用學(xué)習(xí)型電視機(jī)語(yǔ)音控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

蔣清鋒 趙偉亮 朱滬生

（上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心，中國(guó) 上海200093）

0 引言

據(jù)據(jù)中國(guó)殘聯(lián)統(tǒng)計(jì)，至2010年末中國(guó)有殘疾人8502萬(wàn)，其中肢體殘疾為2472萬(wàn)，占?xì)埣踩丝倲?shù)的29.07%[1]，此外據(jù)《中國(guó)老齡事業(yè)發(fā)展報(bào)告（2013）》，截至2012年底，我國(guó)老年人口數(shù)量達(dá)到1.94億，比2011年增加891萬(wàn)，占總?cè)丝诘?4.3%，因此眾多的肢體殘障人士及老年人對(duì)于能夠給他們生活帶來(lái)便捷的工具設(shè)備有著廣泛的需求。電視機(jī)作為普通的日常家電，對(duì)于豐富他們的精神生活有著重要的作用，但由于很多肢體重度殘疾患者及老年人因無(wú)法自己進(jìn)行操作只能請(qǐng)求他人，因此無(wú)形中也增加了護(hù)理人員的負(fù)擔(dān)。隨著科技的進(jìn)步，目前已有不少關(guān)于智能語(yǔ)音電視機(jī)的研究[2-3]，應(yīng)該說(shuō)在技術(shù)上能夠滿(mǎn)足這些殘疾人和老年人的需求，但另一方面這些新型電視機(jī)價(jià)格相對(duì)較高，而老年及殘障人士往往在經(jīng)濟(jì)上并不寬裕，一般不太樂(lè)意去購(gòu)買(mǎi)，而市場(chǎng)上眾多的電視機(jī)語(yǔ)音遙控器也是針對(duì)特定品牌的，并不具有通用性。

本文在總結(jié)現(xiàn)有語(yǔ)音控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合萬(wàn)能遙控器的設(shè)計(jì)原理[4-5]，設(shè)計(jì)出一款低成本、通用、具備學(xué)習(xí)功能的語(yǔ)音電視機(jī)遙控器，以滿(mǎn)足老年及殘障人士的需求，從而提高這些人群的生活質(zhì)量。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

該學(xué)習(xí)型電視機(jī)無(wú)線語(yǔ)音控制系統(tǒng)，包括便攜式語(yǔ)音識(shí)別控制端，無(wú)線信號(hào)傳輸系統(tǒng)，遙控器學(xué)習(xí)控制端，紅外信號(hào)傳輸系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)的工作模式包含學(xué)習(xí)模式、訓(xùn)練模式和控制模式三種。

學(xué)習(xí)模式下用戶(hù)使用原有電視機(jī)遙控器，依次按下遙控器按鍵，遙控器的紅外信號(hào)通過(guò)紅外信號(hào)傳輸系統(tǒng)通過(guò)本系統(tǒng)遙控器控制端中的紅外信號(hào)接收模塊錄入到數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊，即錄入遙控器按鍵的命令。

訓(xùn)練模式下用戶(hù)根據(jù)語(yǔ)音識(shí)別控制端的提示音，發(fā)出控制命令，經(jīng)語(yǔ)音識(shí)別模塊識(shí)別處理儲(chǔ)存在便攜式語(yǔ)音識(shí)別控制端的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，即錄入遙控器按鍵的控制命令。

控制模式下用戶(hù)通過(guò)向便攜式語(yǔ)音識(shí)別控制端發(fā)出控制命令，通過(guò)控制端內(nèi)部的語(yǔ)音識(shí)別模塊對(duì)控制命令進(jìn)行處理，無(wú)線傳輸模塊接入無(wú)線信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)，遙控器學(xué)習(xí)控制端的無(wú)線接收模塊將接收到的經(jīng)識(shí)別的控制命令接入紅外信號(hào)傳輸模塊，經(jīng)紅外信號(hào)傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電視機(jī)的控制，并且通過(guò)遙控器學(xué)習(xí)控制端的無(wú)線傳輸模塊接入無(wú)線信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)，將控制狀態(tài)傳遞給便攜式語(yǔ)音識(shí)別的控制端中無(wú)線信號(hào)接收模塊，再通過(guò)麥克風(fēng)模塊實(shí)現(xiàn)控制狀態(tài)的語(yǔ)音反饋。

需要指出的是，便攜式語(yǔ)音識(shí)別控制端，包括語(yǔ)音信號(hào)處理模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，麥克風(fēng)模塊以及無(wú)線信號(hào)傳輸接收模塊，終端既可以佩戴在用戶(hù)身上，也可放置在用戶(hù)居家環(huán)境中；而遙控器學(xué)習(xí)控制端，包括無(wú)線信號(hào)傳輸接收模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、紅外信號(hào)接收發(fā)射模塊，終端應(yīng)放在靠近電視機(jī)正前方。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖，將系統(tǒng)分成兩個(gè)部分，便攜式語(yǔ)音識(shí)別控制端和遙控器學(xué)習(xí)控制端。語(yǔ)音識(shí)別控制端的硬件電路主要包括語(yǔ)音微控制器（MCU）電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路以及無(wú)線通信模塊電路；遙控器學(xué)習(xí)控制端的硬件電路主要包括微控制器（MCU）、紅外信號(hào)接收發(fā)射電路、無(wú)線通信模塊電路以及數(shù)碼管顯示電路等。在具體電路設(shè)計(jì)之前，必須根據(jù)系統(tǒng)處理器、無(wú)線通信頻率、信號(hào)要求強(qiáng)度、紅外載波頻率等來(lái)進(jìn)行芯片選型。

2.1 便攜式語(yǔ)音識(shí)別控制端硬件設(shè)計(jì)

便攜式語(yǔ)音識(shí)別控制端采用語(yǔ)音芯片作為語(yǔ)音信號(hào)處理，語(yǔ)音識(shí)別的控制器；電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）作為語(yǔ)音信號(hào)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取模塊；麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器分別作為語(yǔ)音信號(hào)的錄入和提示模塊；無(wú)線射頻收發(fā)芯片作為便攜式語(yǔ)音識(shí)別控制端與遙控器學(xué)習(xí)控制端的無(wú)線通信模塊。

語(yǔ)音芯片及無(wú)線射頻收發(fā)芯片選擇：

為了使語(yǔ)音芯片能處理所有本設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足的功能，本課題的語(yǔ)音芯片必須有較高的工作頻率，較多的I/O引腳以及模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，故選用美國(guó)sensory的高質(zhì)量語(yǔ)音芯片產(chǎn)品RSC4128，該芯片應(yīng)用亦較廣泛[6-7]。

為了保證控制命令能通過(guò)無(wú)線信號(hào)的形式在便攜式語(yǔ)音識(shí)別控制端與遙控器學(xué)習(xí)控制端之間傳輸，本課題的無(wú)線射頻收發(fā)芯片需要穩(wěn)定的傳輸頻段，較強(qiáng)的信號(hào)強(qiáng)度，較遠(yuǎn)的傳輸距離，故選用由Nordic公司出品的單芯片無(wú)線收發(fā)芯片nRF2401[8-10]，工作于2.4GHz～2.5GHz的全球免申請(qǐng)頻率。

2.2 遙控器學(xué)習(xí)控制端硬件設(shè)計(jì)

遙控器學(xué)習(xí)控制端采用微控制器（MCU）作為控制模塊；采用無(wú)線射頻收發(fā)芯片作為遙控器學(xué)習(xí)控制端與便攜式語(yǔ)音識(shí)別控制模塊之間的無(wú)線傳輸模塊；采用紅外接收頭作為遙控器按鍵紅外信號(hào)的接收模塊；采用紅外發(fā)射頭作為按鍵紅外信號(hào)的發(fā)射模塊；采用數(shù)碼管和驅(qū)動(dòng)芯片作為顯示模塊。

為了微處理器處理所有本設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足的功能，本課題的微控制器必須有較高的工作頻率，較多的中斷控制器和I/O引腳，因此，本課題選用美國(guó)TI公司生產(chǎn)的MSP430F149芯片作為系統(tǒng)的處理器。

3 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

與系統(tǒng)硬件電路對(duì)應(yīng)，控制軟件的設(shè)計(jì)也分為相應(yīng)的兩部分，即便攜式語(yǔ)音識(shí)別控制端軟件設(shè)計(jì)和遙控器學(xué)習(xí)控制端軟件設(shè)計(jì)。

3.1 便攜式語(yǔ)音識(shí)別控制端軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)要求和原理圖的設(shè)計(jì)，便攜式語(yǔ)音識(shí)別控制端的軟件設(shè)計(jì)包括相關(guān)芯片的端口初始化，語(yǔ)音命令的錄入識(shí)別，無(wú)線信號(hào)的傳輸，無(wú)線反饋信號(hào)的驗(yàn)證等等，程序框圖如圖2所示。

圖2 語(yǔ)音識(shí)別控制端程序設(shè)計(jì)框圖

圖3 遙控器學(xué)習(xí)控制端程序設(shè)計(jì)框圖

3.2 遙控器學(xué)習(xí)控制端軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)要求和原理圖的設(shè)計(jì)，遙控器學(xué)習(xí)控制端的軟件設(shè)計(jì)包括相關(guān)芯片的端口初始化，遙控器按鍵紅外信號(hào)的接收和發(fā)射，數(shù)碼管顯示，無(wú)線信號(hào)的傳輸，無(wú)線反饋信號(hào)的驗(yàn)證，如圖3所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 便攜式軟件識(shí)別控制端軟硬件測(cè)試

便攜式語(yǔ)音識(shí)別控制端的電路原理圖主要由語(yǔ)音識(shí)別芯片模塊、電源模塊、無(wú)線收發(fā)芯片模塊、代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、揚(yáng)聲器模塊和麥克風(fēng)模塊組成。測(cè)試功能如下：

a）用戶(hù)語(yǔ)音命令的錄入、讀取、識(shí)別的準(zhǔn)確性；

b）電源模塊的功耗；

c）無(wú)線收發(fā)芯片模塊的無(wú)線通信功能；

d）代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題；e）揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)的發(fā)聲和語(yǔ)音錄入功能。

按照上述要求測(cè)試，結(jié)果顯示：語(yǔ)音命令錄入和讀取正常，識(shí)別準(zhǔn)確率在90%左右；電源模塊的功耗在0.1W.H左右；無(wú)線收發(fā)芯片的數(shù)據(jù)通信距離在300m左右；代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題；揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)正常。

4.2 遙控器學(xué)習(xí)控制端軟硬件測(cè)試

遙控器學(xué)習(xí)控制端采用微控制器（MCU）作為控制模塊；采用無(wú)線射頻收發(fā)芯片作為遙控器學(xué)習(xí)控制端與便攜式語(yǔ)音識(shí)別控制模塊之間的無(wú)線傳輸模塊；采用紅外接收頭作為遙控器按鍵紅外信號(hào)的接收模塊；采用紅外發(fā)射頭作為按鍵紅外信號(hào)的發(fā)射模塊；采用數(shù)碼管和驅(qū)動(dòng)芯片作為顯示模塊。測(cè)試功能如下：

a）微控制器（MCU）模塊運(yùn)轉(zhuǎn)情況；

b）無(wú)線收發(fā)芯片模塊的無(wú)線通信功能；

c）紅外接收頭對(duì)遙控器按鍵紅外信號(hào)的接收功能；

d）紅外發(fā)射頭作為按鍵紅外信號(hào)的發(fā)射功能；

e）數(shù)碼管的顯示功能。

按照上述要求測(cè)試，結(jié)果顯示：微控制器在8MHz外圍晶振的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)轉(zhuǎn)正常；無(wú)線收發(fā)芯片的數(shù)據(jù)通信距離在300m左右；紅外接收頭可以對(duì)按鍵紅外信號(hào)進(jìn)行解碼；紅外發(fā)射頭可以還原發(fā)射按鍵紅外信號(hào)；數(shù)碼管在驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)下顯示正常。

5 總結(jié)和展望

系統(tǒng)經(jīng)各項(xiàng)測(cè)試后各項(xiàng)指標(biāo)能滿(mǎn)足使用要求，對(duì)于市場(chǎng)上各種品牌的電視機(jī)均能實(shí)現(xiàn)萬(wàn)能控制，而且操作簡(jiǎn)便，因此對(duì)于老年及肢體殘障人士具有良好的實(shí)用性。同時(shí)通過(guò)一定的改造，可以將此系統(tǒng)擴(kuò)展至整個(gè)家居環(huán)境中的大部分電器，例如空調(diào)、電燈，甚至還可以加入嵌入式系統(tǒng)，將整個(gè)系統(tǒng)基于智能手機(jī)設(shè)計(jì)成控制軟件，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音觸控家居環(huán)境無(wú)障礙全方位控制，因此該系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。

［1］中國(guó)殘聯(lián)(2012)25號(hào)文件[Z].

［2］李楊.基于智能語(yǔ)音識(shí)別的云電視系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè),2012：10-13.

［3］羅少鋒,陳銳.基于多點(diǎn)觸控及語(yǔ)音傳輸?shù)闹悄茈娨曔b控器[J].電視技術(shù),2012,36(16)：33-34,83.

［4］江英才,曾璐.一種基于單片機(jī)的通用電視遙控器設(shè)計(jì)[J].科技廣場(chǎng),2010,11：86-88.

［5］王永華,周衛(wèi),詹宜巨,等.一種通用學(xué)習(xí)型紅外遙控器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].廣東自動(dòng)化與信息工程,2005,2：18-19.

［6］盧艷,黃云龍.一種語(yǔ)音識(shí)別聲控車(chē)模的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2010,26(9-1)：200-202.

［7］李瑞峰,李麟.基于RSC4128的家用機(jī)器人語(yǔ)音人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2007,29(10)：30-34.

［8］劉輝.基于nRF2401模塊的無(wú)線溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].無(wú)線互聯(lián)科技,2012：56-57.

［9］高振斌,王仁智,盧飛,等.基于無(wú)線通信技術(shù)的超短波電臺(tái)訓(xùn)練模擬器[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,41(4)：19-22.

［10］汪義旺,張波,曹豐文,等.基于無(wú)線通信技術(shù)的FFU風(fēng)機(jī)群控系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2012,20(7)：1858-1860.