基于LIN總線的語(yǔ)音控制智能家居系統(tǒng)

馮志榮+王紅梅

摘 要： 一種基于LIN總線的語(yǔ)音控制智能家居系統(tǒng)，系統(tǒng)采取分布式控制方式，即由一個(gè)中央處理器和多個(gè)從機(jī)組成控制網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)采用凌陽(yáng)SPCE061A作為主機(jī)，采用89C51單片機(jī)作為從機(jī)。凌陽(yáng)SPCE061A對(duì)語(yǔ)音命令進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別結(jié)果通過(guò)LIN總線傳給特定的從機(jī)，再由從機(jī)執(zhí)行對(duì)家電的操作。語(yǔ)音識(shí)別部分采用特定人識(shí)別和命令分層技術(shù)，系統(tǒng)對(duì)家庭各個(gè)成員的語(yǔ)音命令進(jìn)行采樣、存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭各個(gè)成員的語(yǔ)音識(shí)別。

關(guān)鍵字： 智能家居； 語(yǔ)音識(shí)別； LIN總線； 命令分層

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）10?0028?04

0 引 言

電子技術(shù)的發(fā)展使得電子技術(shù)產(chǎn)品在智能家居中得到廣泛使用。特別是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，促使家庭實(shí)現(xiàn)了居住環(huán)境舒適化、生活現(xiàn)代化、安全化，智能家居的日漸興起給人們的家居生活帶來(lái)了全新的感受，家居智能化正成為一種趨勢(shì)[1?2]。電子技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)影響到人們生活的方方面面，提高了人們生活質(zhì)量，改變了人們生活習(xí)慣，智能化家居也正是在這種形勢(shì)下應(yīng)運(yùn)而生。

住宅智能化的概念起源于從20世紀(jì)70年代末的美國(guó)，隨后，日本、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家的家居智能化也迅速發(fā)展。在我國(guó)，20世紀(jì)90年代末住宅智能化系統(tǒng)進(jìn)入國(guó)內(nèi)，智能家居這一概念推廣較晚，但其發(fā)展速度非常快，全國(guó)已建立了一些具有初步智能化功能的家庭智能化住宅和住宅小區(qū)。

智能家居是通過(guò)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)總線和控制平臺(tái)將家庭的安全、能源、電器設(shè)備、燈光等連成一體。目前智能家居的發(fā)展趨勢(shì)是由集中控制到分布式控制。與集中控制相比，分布式控制不僅能減少布線，而且能提高系統(tǒng)的可靠性，整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)中可隨意加入新的設(shè)備，也可以根據(jù)要求隨意移除現(xiàn)有設(shè)備，且其他設(shè)備的工作狀態(tài)不受影響[3]。

1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)采用LIN總線協(xié)議，以1個(gè)凌陽(yáng)SPCE061A主機(jī)和多個(gè)89C51從機(jī)組成分布式控制網(wǎng)絡(luò)。從機(jī)安裝在房子的各處，例如臥室，客廳，廚房，陽(yáng)臺(tái)等。中央處理器的任務(wù)是對(duì)家庭的成員語(yǔ)音命令進(jìn)行識(shí)別，然后把地址命令與控制命令傳到LIN總線上，再由連接在LIN總線上的各個(gè)從機(jī)進(jìn)行匹配，由從機(jī)對(duì)家電做出具體的控制[4?6]。系統(tǒng)框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 語(yǔ)音采集模塊

凌陽(yáng)單片機(jī)語(yǔ)音采集模塊由音頻輸出和音頻輸入兩部分組成。圖2是音頻輸出電路圖。SPCE061A 內(nèi)置2 路10 位精度的DAC，只需要外接功放電路即可完成語(yǔ)音的播放。圖中的SPY0030 是凌陽(yáng)的一款音頻放大芯片，可以工作在2.4～6 V 范圍內(nèi)，最大輸出功率可達(dá)700 mW。

圖2 音頻輸出電路圖

SPCE061A 芯片中已經(jīng)集成了音頻輸入專用ADC 以及AGC 放大電路，因此芯片外部的電路比較簡(jiǎn)單，圖3是音頻輸入電路模塊。

圖3 音頻輸入電路

1.2 LIN總線主從機(jī)電路模塊

系統(tǒng)是通過(guò)LIN總線實(shí)現(xiàn)家居系統(tǒng)的終端控制，各個(gè)終端都采用AT89C51單片機(jī)以及LIN總線收發(fā)模塊和驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)主控制器對(duì)各個(gè)終端電器的控制?？偩€收發(fā)器采用TJA1020，它是LIN總線的主/從協(xié)議控制器和LIN的物理總線之間的接口。從機(jī)和主機(jī)的電路圖如圖4、圖5所示。

圖4 從機(jī)電路圖

圖5 主機(jī)電路圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 語(yǔ)音訓(xùn)練與識(shí)別

語(yǔ)音識(shí)別方式有兩種：一種是特定人識(shí)別，特定人識(shí)別之前需要進(jìn)行語(yǔ)音訓(xùn)練；另一種是非特定人識(shí)別，非特定人識(shí)別不需進(jìn)行語(yǔ)音訓(xùn)練。系統(tǒng)采用的是前一種識(shí)別模式。

部分語(yǔ)音識(shí)別程序如下：

Write_IOB_8Bit（1，0xde）；

//lCD："訓(xùn)練流程結(jié)束""繼續(xù)訓(xùn)練請(qǐng)按按鈕"

flag_train=0；

/清除訓(xùn)練標(biāo)志，若倒數(shù)5 s內(nèi)沒(méi)有按繼續(xù)訓(xùn)練，則退出訓(xùn)練流程

Play_Sound（4）；

//"該套命令錄入成功，繼續(xù)訓(xùn)練新的命令請(qǐng)按按鈕"

Play_Sound（5）； //"繼續(xù)訓(xùn)練新的命令請(qǐng)按按鈕"

Read_IOB_Bit（7）； //設(shè)B組第6腳為上拉輸入

for（second=86；second>=82；second??）

{

Play_Sound（second）； //"5，4，3，2，1"

delay_1s（）； //延時(shí)1 s

if（Read_IOB_Bit（7）==0）

//當(dāng)B組第7位有低電平輸入，則繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)人的訓(xùn)練

{

flag_train=1；

break；

}

語(yǔ)音系統(tǒng)總體流程圖如圖6所示。

圖6 語(yǔ)音系統(tǒng)總流程

用戶經(jīng)過(guò)首次訓(xùn)練后，其語(yǔ)音特征會(huì)存到單片機(jī)中。當(dāng)用戶需要對(duì)某個(gè)電器操作時(shí)，只需說(shuō)出相應(yīng)的語(yǔ)音命令，系統(tǒng)就能根據(jù)內(nèi)部編碼，將地址命令及控制命令發(fā)送到相應(yīng)的從機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定電器的操作。系統(tǒng)識(shí)別流程圖如圖7所示。

2.2 LIN總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

與其他總線類似，LIN總線的數(shù)據(jù)傳輸也采用幀的形式進(jìn)行。完整的報(bào)文幀由主機(jī)發(fā)送的報(bào)文頭和主機(jī)或從機(jī)發(fā)送的響應(yīng)命令組成。

總線中主機(jī)在一次幀通信過(guò)程中，根據(jù)控制模塊發(fā)來(lái)的命令，在通信過(guò)程的不同階段，將串口設(shè)置成不同波特率的接收或發(fā)送狀態(tài)，以便完成報(bào)文頭同步字節(jié)場(chǎng)和間隔場(chǎng)的發(fā)送，保護(hù)標(biāo)識(shí)符字節(jié)場(chǎng)的發(fā)送和下一階段的發(fā)送或接收數(shù)據(jù)過(guò)程。主節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖8所示。

圖7 語(yǔ)音識(shí)別流程

圖8 LIN主節(jié)點(diǎn)程序流程圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

主節(jié)點(diǎn)的89C51單片機(jī)串口輸出波形和TJA1020芯片的LIN總線輸出波形如圖9所示。

根據(jù)LIN1.2版本協(xié)議，發(fā)送波形符合一個(gè)報(bào)文幀的格式，首先是間隔場(chǎng)（13位顯性電平加一個(gè)隱性電平），接著是同步場(chǎng)（0x55），接著是ID場(chǎng)，最后是數(shù)據(jù)場(chǎng)。通道1（黃色）的峰值電壓為11 V左右，符合LIN總線的電平要求，通道2（藍(lán)色）為單片機(jī)串口輸出電平，電壓峰值為5 V。

圖9 串口與LIN輸出波形

系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，只對(duì)臥室1（ID場(chǎng)為0x42）和客廳（ID場(chǎng)為0x45）進(jìn)行測(cè)試。圖10為臥室1燈管開的波形。圖11為臥室1燈管關(guān)的波形。

圖10 臥室1燈管開的波形

由圖10和圖11的波形可以看出，通過(guò)LIN總線發(fā)送的設(shè)備控制命令正確，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的控制。

4 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了以凌陽(yáng)單片機(jī)SPCE061A為主機(jī)，各89C51單片機(jī)為從機(jī)的智能家居控制系統(tǒng)，用戶通過(guò)語(yǔ)音實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)燈管、空調(diào)等常用設(shè)備的控制。凌陽(yáng)單片機(jī)主要負(fù)責(zé)語(yǔ)音的采集與處理，處理后的語(yǔ)音命令通過(guò)LIN總線傳送到各相應(yīng)的從機(jī)上。試驗(yàn)表明系統(tǒng)能可靠工作。

圖11 臥室1燈管關(guān)的波形

參考文獻(xiàn)

[1] 苗碩.遠(yuǎn)程智能家居管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2006.

[2] 余啟家，殷瑞祥.基于ARM及GPRS的智能家居系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（20）：119?121.

[3] 趙繼春.基于GPRS無(wú)線智能家居安防系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].邯鄲：河北工程大學(xué)，2007.

[4] 凌陽(yáng)大學(xué)科技計(jì)劃.實(shí)驗(yàn)箱指導(dǎo)書上冊(cè)[EB/OL].[2011?08?04].http：//www.unsp.com.cn.

[5] CHANDA K B. Nature language process based context sensitive， content specific architecture & its speech based implementation for smart home application [J]. International Journal of Smart Home， 2010，4： 1?10.

[6] 靳希，董立駿，屈克慶.LIN總線技術(shù)及其應(yīng)用研究[J].電子產(chǎn)品世界，2008（20）：139?141.

[7] 閆哲，杜濤，左海利.智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化技術(shù)及應(yīng)用，2010，29（2）：93?96.

[8] 王衛(wèi)星.單片機(jī)原理與應(yīng)用開發(fā)技術(shù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2009.

[9] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)·模擬部分[M].北京：高等教育出版社，2006.