個(gè)性化智能家居語(yǔ)音控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與實(shí)踐

傅子霞

【摘 要】個(gè)性化智能家居語(yǔ)音控制系統(tǒng)是在智能家居的普及和物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展下集微機(jī)控制技術(shù)、信息技術(shù)、語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)于一體的智能產(chǎn)品。該系統(tǒng)針對(duì)傳統(tǒng)電器控制單一，安裝不方便，不能將家庭所有電器集中控制等不足而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，根據(jù)客戶的要求來(lái)進(jìn)行個(gè)性化定制，通過(guò)語(yǔ)音控制，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，操作簡(jiǎn)單、方便且成本低廉。同時(shí)從節(jié)能環(huán)保的角度開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的定時(shí)控制，從而更加有效的節(jié)約能源。

【關(guān)鍵詞】個(gè)性化；智能；語(yǔ)音

1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基本思路

首先，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，了解了普通家庭對(duì)智能家居控制系統(tǒng)中需求量最多的功能要求；然后，針對(duì)市場(chǎng)需求和用戶要求，確定了設(shè)計(jì)方案；第三，對(duì)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作；第四，程序應(yīng)用開(kāi)發(fā)；最后進(jìn)行產(chǎn)品的安裝與調(diào)試。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，確定個(gè)性化智能家居語(yǔ)音控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：具有語(yǔ)音識(shí)別無(wú)線控制電器工作；具有遙控操作控制電器工作；一個(gè)主機(jī)可以配多個(gè)從機(jī)；具有人機(jī)對(duì)話功能，對(duì)話內(nèi)容可自定義修改；可以根據(jù)客戶要求，進(jìn)行個(gè)性化定制；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要便于安裝，直接與原有家電連接控制。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 主機(jī)硬件系統(tǒng)構(gòu)造圖

本系統(tǒng)主機(jī)主要由C51單片機(jī)最小系統(tǒng)、LD3320語(yǔ)音識(shí)別電路[1]、315MHz RF無(wú)線電路、電源電路等構(gòu)成（圖1）。

其核心芯片主要包括：

3.1.1 單片機(jī)

單片機(jī)采用的是STC89LE53RC[2]，這款芯片由臺(tái)灣宏晶公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，芯片工作電壓2.0V至3.6V，程序空間具有13K，內(nèi)存具有512字節(jié)，包含有39個(gè)IO接口；芯片內(nèi)部資源有三個(gè)定時(shí)器、一個(gè)串行口、帶看門(mén)狗和內(nèi)置復(fù)位。

3.1.2 LD3320

LD3320芯片是一款“語(yǔ)音識(shí)別”專用芯片，由ICRoute公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)。該芯片集成了語(yǔ)音識(shí)別處理器和一些外部電路，包括AD、DA轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)接口、聲音輸出接口等。本芯片在設(shè)計(jì)上注重節(jié)能與高效，不需要外接任何的輔助芯片。如，F(xiàn)lash、RAM等，直接集成在現(xiàn)有的產(chǎn)品中即可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別/聲控/人機(jī)對(duì)話功能。并且，識(shí)別的關(guān)鍵詞語(yǔ)主列表是可以任意動(dòng)態(tài)編輯。

3.2 從機(jī)硬件系統(tǒng)構(gòu)造圖

本系統(tǒng)從機(jī)主要包含兩個(gè)部分，智能插座和智能電燈。兩個(gè)從機(jī)的電路、原理、核心芯片均一致，在程序應(yīng)用開(kāi)發(fā)上稍有一點(diǎn)區(qū)別。智能電燈在上電后便會(huì)工作，這個(gè)狀態(tài)在硬件上增加了設(shè)置接口（圖2）。

其核心芯片主要包括：

3.2.1 單片機(jī)

單片機(jī)采用的是STC15F102W，這款芯片由臺(tái)灣宏晶公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，芯片工作電壓3.8至5.5V，程序空間2K，內(nèi)存具有128字節(jié)， EEPROM具有3K，包含有6個(gè)IO接口；芯片內(nèi)部資源有兩個(gè)定時(shí)器、帶看門(mén)狗和內(nèi)置復(fù)位等。

3.2.2 RF解碼模塊

采用315MHz的無(wú)線電波直接采用現(xiàn)成的解碼模塊[3]，可以節(jié)省硬件的調(diào)試時(shí)間。這種解碼模塊有兩種，一種為普通的模擬電路接收315MHz載波信號(hào)，解碼出數(shù)字開(kāi)關(guān)電平信號(hào)；還有一種是由數(shù)字電路接收。普通型的接收距離、工作電壓及穩(wěn)定性良好，成本稍低，而數(shù)字型的接收距離、工作電壓及穩(wěn)定性相對(duì)普通型的更優(yōu)越，當(dāng)然成本略高。在本套系統(tǒng)設(shè)計(jì)中為節(jié)省成本使用了普通型。

3.2.3 RF遙控器

市面上RF遙控器有很多種，大致均以頻率作為區(qū)分，本系統(tǒng)采用的是315MHz載波，因此遙控器也必須使用315MHz頻率的。通常遙控器內(nèi)部使用的芯片有EV1527、PT2262、SC2260以及單片機(jī)型，前面的三種都是硬件型發(fā)射芯片，而單片機(jī)型具有對(duì)拷功能，可以將其他遙控器的按鍵功能復(fù)制到本遙控器中。為節(jié)省成本和適應(yīng)本套智能控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用的是四鍵型遙控器[4]。

4 系統(tǒng)程序開(kāi)發(fā)

4.1 主機(jī)程序開(kāi)發(fā)

4.1.1 語(yǔ)音識(shí)別部分

（1）寄存器操作

LD3320芯片的各種操作，都必須通過(guò)寄存器的操作來(lái)完成。比如設(shè)置標(biāo)志位、讀取狀態(tài)、向FIFO寫(xiě)入數(shù)據(jù)等。寄存器讀寫(xiě)操作有4種方式，即并行方式（軟、硬）和串行SPI方式（軟、硬），本系統(tǒng)采用并行模式。

（2）芯片復(fù)位

即對(duì)芯片的第47腿（RSTB*）發(fā)送低電平，然后對(duì)片選CS做一次拉低→拉高的操作，以激活內(nèi)部DSP。芯片初始化一般在程序的開(kāi)始進(jìn)行，如果有時(shí)芯片的反應(yīng)不太正常，也可用這個(gè)方法恢復(fù)芯片的初始狀態(tài)。

（3）語(yǔ)音識(shí)別

語(yǔ)音識(shí)別的操作順序是：語(yǔ)音識(shí)別用初始化（包括通用初始化）→寫(xiě)入識(shí)別列表→開(kāi)始識(shí)別，并準(zhǔn)備好中斷響應(yīng)函數(shù)，打開(kāi)中斷允許位。這里需要說(shuō)明一下，如果不用中斷方式，也可以通過(guò)查詢方式工作。在“開(kāi)始識(shí)別”后，讀取寄存器B2H的值，如果為21H就表示有識(shí)別結(jié)果產(chǎn)生。在此之后讀取候選項(xiàng)等操作與中斷方式相同[5]。

（4）響應(yīng)中斷

如果麥克風(fēng)采集到聲音，不管是否識(shí)別出正常結(jié)果，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)。而中斷程序要根據(jù)寄存器的值分析結(jié)果。讀取BA寄存器的值，可以知道有幾個(gè)候選答案，而C5寄存器里的答案是得分最高、最可能正確的答案。例如發(fā)音為“上?！辈⒈怀晒ψR(shí)別（無(wú)其他候選），那么BA寄存器里的數(shù)值是1，而C5寄存器里的值是對(duì)應(yīng)的編碼3。

4.1.2 RF無(wú)線部分

RF無(wú)線的程序開(kāi)發(fā)采用簡(jiǎn)單的單總線時(shí)序發(fā)射編碼，運(yùn)用紅外遙控器編碼方式，協(xié)議使用EV1527芯片的編碼協(xié)議。

編碼的每一位含兩個(gè)脈沖周期，單個(gè)脈沖周期是軟件無(wú)線接收時(shí)的處理單位。脈沖周期有兩種，低電平較寬的稱為0；低電平較窄的稱為1。編碼的每一位用00/11/01來(lái)表示。12位編碼對(duì)應(yīng)24個(gè)脈沖周期，即通常所說(shuō)的24位。

軟件接收無(wú)線碼時(shí)，按脈沖為單位接收，一共24個(gè)脈沖，需要接收24位。24位中可根據(jù)需要進(jìn)行地址/數(shù)據(jù)分配?？深A(yù)燒錄20位地址碼，共220=1048576，104萬(wàn)種地址組合。

圖3是EV1527芯片發(fā)射編碼時(shí)的時(shí)序圖和及數(shù)據(jù)位的時(shí)序。

4.2 從機(jī)程序開(kāi)發(fā)

4.2.1 無(wú)線解碼

在主機(jī)中采用了無(wú)線編碼的時(shí)序，因此解碼程序中必須和編碼時(shí)序一致。在中斷函數(shù)中先判斷同步碼頭，判斷同步碼頭的低電平時(shí)間是否符合128a，若符合由使用一個(gè)變量將a值記錄保存，以便后面接收的判斷。若符合128a這個(gè)范圍，程序再進(jìn)入到接收24位數(shù)據(jù)的循環(huán)當(dāng)中。在24位數(shù)據(jù)接收中判斷數(shù)據(jù)位“0”，低電平時(shí)間是否是高電平時(shí)間的3倍，即3a，若滿足說(shuō)明此位數(shù)據(jù)接收是0。接收判斷數(shù)據(jù)位“1”，高電平時(shí)間是否是低時(shí)間的3倍，即3a，若滿足說(shuō)明此位數(shù)據(jù)接收是1。

4.2.2 學(xué)碼功能

學(xué)碼功能采用按鍵操作，對(duì)按鍵進(jìn)行程序級(jí)度設(shè)置為5層。第一層，短按功能控制電器的開(kāi)和關(guān)。第二層，按下按鍵2秒后松開(kāi)，學(xué)習(xí)指示燈第一次閃爍，進(jìn)入電器開(kāi)關(guān)的學(xué)碼數(shù)據(jù)。第三層，按下按鍵3秒后松開(kāi)，學(xué)習(xí)指示燈第二次閃爍，進(jìn)入插座或電燈的總開(kāi)功能學(xué)碼數(shù)據(jù)。第四層，按下按鍵4秒后松開(kāi)，學(xué)習(xí)指示燈第三次閃爍，進(jìn)入插座或電燈的總關(guān)功能學(xué)碼數(shù)據(jù)。第五層，按下按鍵5秒后松開(kāi)，學(xué)習(xí)指示燈第四次閃爍，表示前面學(xué)習(xí)的學(xué)碼數(shù)據(jù)全部擦除。每一層中的學(xué)習(xí)碼值均可以學(xué)習(xí)兩組，即遙控器一組，語(yǔ)音識(shí)別一組。當(dāng)重復(fù)學(xué)習(xí)第三組，第一組學(xué)碼數(shù)據(jù)將會(huì)被第三組覆蓋。

判斷當(dāng)前是學(xué)碼功能還是開(kāi)關(guān)功能主要靠按鍵層數(shù)的操作。在進(jìn)入到學(xué)碼層中沒(méi)有學(xué)習(xí)成功，系統(tǒng)會(huì)在10秒內(nèi)自動(dòng)退出，或短按按鍵也可退出。

4.2.3 掉電忘憶學(xué)碼數(shù)據(jù)

前面已采用STC15F102W，這款芯片內(nèi)部自帶有2K的EEPROM存儲(chǔ)空間。把學(xué)習(xí)到的數(shù)據(jù)值保存在單片機(jī)，下次開(kāi)機(jī)時(shí)便能從單片機(jī)直接取出并對(duì)比。而STC單片機(jī)的EEPROM并不是真正的EEPROM，而是像硬盤(pán)一樣叫扇區(qū)。這些扇區(qū)的操作比EEPROM麻煩，每一個(gè)扇區(qū)不存在字節(jié)擦除，只有整個(gè)扇區(qū)的擦除，當(dāng)想把某一段數(shù)據(jù)變更時(shí)必須先將原存儲(chǔ)在這一扇區(qū)中的數(shù)據(jù)取出保存在內(nèi)存，然后再將這一扇區(qū)擦除后才能再將原數(shù)據(jù)和新數(shù)據(jù)一起寫(xiě)入到這一扇區(qū)中。

5 結(jié)論

個(gè)性化智能家居語(yǔ)音控制系統(tǒng)通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別、人機(jī)對(duì)話來(lái)控制，讓操作更方便，更快捷，受廣大客戶歡迎喜愛(ài)。產(chǎn)品制造成本低，生產(chǎn)周期短，可以根據(jù)客戶的要求來(lái)進(jìn)行個(gè)性化定制，家庭富裕與否不會(huì)阻止人們對(duì)智能產(chǎn)品的需求渴望，這款產(chǎn)品能夠低成本的實(shí)現(xiàn)對(duì)人們生活質(zhì)量的智能提升。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]胡錦，蔡谷明，梁先宇.單片機(jī)技術(shù)實(shí)用教程[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]嚴(yán)紫建，劉元安.現(xiàn)代移動(dòng)通信應(yīng)用技術(shù)叢書(shū) 藍(lán)牙技術(shù)[M].北京郵電大學(xué)出版社，2001.12.

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[責(zé)任編輯：王楠]