基于LD3320的智能家居一體化聲控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐瑩，孫春志，吳晨光

(商丘師范學(xué)院 物理與電氣信息學(xué)院，河南 商丘 476000)

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基于LD3320的智能家居一體化聲控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐瑩，孫春志，吳晨光

(商丘師范學(xué)院 物理與電氣信息學(xué)院，河南 商丘 476000)

摘要：智能家居一體化聲控設(shè)備系統(tǒng)主要采用51單片機(jī)和射頻卡技術(shù)，使用語言及可編程定時(shí)控制等多種功能和手段，將音頻設(shè)備、照明系統(tǒng)、窗簾控制與語音聲控模塊完美的結(jié)合在一起，來實(shí)現(xiàn)刷卡開門、刷卡供電、照明控制、窗簾控制等等一些基本的家庭生活操作.當(dāng)住戶使用匹配正確的磁卡刷卡入門時(shí)，房門打開并且自動(dòng)供電，住戶使用正確的語音指令，即可聲控操作使照明系統(tǒng)、窗簾控制和音樂播放系統(tǒng)，使用本智能家居一體化聲控設(shè)備可以使家庭生活更加安全、節(jié)能、智能、便利和舒適.

關(guān)鍵詞：51單片機(jī)；射頻卡技術(shù)；語音聲控模塊；

0引言

科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和單片機(jī)知識(shí)的普及推動(dòng)了新型智能化系列產(chǎn)品的迅速發(fā)展.智能家居以住宅為平臺(tái)，并結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、綜合布線技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等，將與家居生活有關(guān)的各個(gè)子系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合到一起，用各種方法和設(shè)備實(shí)現(xiàn)家居生活的智能化、自動(dòng)化，從而構(gòu)建出高效的住宅設(shè)施與家庭事務(wù)的管理系統(tǒng)，讓家居生活更加安全、舒適與便捷.

聲控是指通過人的聲音來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制，當(dāng)設(shè)備接收到人類的聲音后可以將語音里的詞語轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的輸入語句，從而接受指令并實(shí)現(xiàn)聲音控制設(shè)備的功能.

隨著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，人們的物質(zhì)文化追求目標(biāo)越來越高，智能家居系列產(chǎn)品必定會(huì)融入人們的生活.目前人們廣泛使用的普通家居功能較為單一且安全系數(shù)不高，已經(jīng)不能滿足人們的居住需求.而現(xiàn)如今已經(jīng)研發(fā)出來的智能家居產(chǎn)品也由于高成本而未能得以廣泛應(yīng)用.所以低成本高成效的智能家居產(chǎn)品的研發(fā)具有廣闊的空間.

針對(duì)以上特點(diǎn)提出了智能家居一體化聲控設(shè)備，該設(shè)備具有較高靈敏度，使用時(shí)技術(shù)要求低，適用于家家戶戶，具有很好的推廣性.

1整體方案的設(shè)計(jì)

本裝置在建立房屋模型的基礎(chǔ)上，采用電源模塊，將AC220V交流家庭用電轉(zhuǎn)換成為DC5V、DC12V電壓，并分別供給單片機(jī)最小系統(tǒng)、繼電器、和電子門鎖等.然后將DC5V電壓轉(zhuǎn)換成DC3.3V供給射頻卡模塊使用.51單片機(jī)連接射頻卡模塊RFIDRC522以及電子鎖，構(gòu)成了門鎖系統(tǒng)，通過RFIDRC522模塊對(duì)不同IC射頻卡的識(shí)別來判斷刷卡人是否為家庭成員并作出相應(yīng)的反應(yīng).當(dāng)IC卡被識(shí)別為家庭卡后，家庭內(nèi)電源電路和語音模塊電路的電源開關(guān)將會(huì)被打開.語音模塊由STC11L08XE單片機(jī)與LD3320聲音識(shí)別芯片構(gòu)成，與繼電器、蜂鳴器及電機(jī)驅(qū)動(dòng)板等構(gòu)成語音控制電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)門鎖、燈光及窗簾開關(guān)的控制.其原理框圖如圖1所示

圖1　整體方案設(shè)計(jì)原理

當(dāng)刷卡時(shí)，蜂鳴器響一下，如卡權(quán)限獲得允許，顯示模塊顯示“welcome”，同時(shí)繼電器動(dòng)作將門鎖打開，指示燈點(diǎn)亮，延時(shí)一段時(shí)間后繼電器再次動(dòng)作將門鎖鎖閉，指示燈熄滅.當(dāng)按下出門按鈕時(shí)，繼電器動(dòng)作將門鎖打開，指示燈點(diǎn)亮，延時(shí)一段時(shí)間后繼電器再次動(dòng)作將門鎖鎖閉，指示燈熄滅.此外，程序中還增加了射頻卡權(quán)限判斷的功能，當(dāng)遇到合法卡時(shí)顯示卡號(hào)，門鎖打開，當(dāng)遇到非法卡時(shí)不顯示卡號(hào)門鎖不開.本系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良，具有一定的實(shí)用性.

2模塊電路的設(shè)計(jì)

2.1電源電路

作為智能化設(shè)備，本設(shè)備首先具有低功耗的特點(diǎn)，設(shè)備電子鎖采用DC12V供電，RFID射頻卡模塊部分采用DC3.3V供電，由于MCU電源電路需要高穩(wěn)定、抗干擾的電源，所以采用模塊化電源供電，這使得電源電路非常穩(wěn)定，這為智能化家居的穩(wěn)定性打下了基礎(chǔ).電源電路作為本設(shè)備的核心電路，DC5VMCU電源電路采用7805作為穩(wěn)壓芯片.7805三端穩(wěn)壓IC內(nèi)部電路具有過壓保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)功能，這使它的性能很穩(wěn)定.能夠?qū)崿F(xiàn)1A以上的輸出電流.器件具有良好的溫度系數(shù)，因此產(chǎn)品的應(yīng)用范圍很廣泛.可以運(yùn)用本地調(diào)節(jié)來消除噪聲影響，解決了與單點(diǎn)調(diào)節(jié)相關(guān)的分散問題，輸出電壓誤差精度分為±3%和±5%.DC5V電源電路如圖2所示：

圖2　電源電路設(shè)計(jì)原理

2.2射頻卡模塊

本裝置的門禁系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為控制核心，外圍包括蜂鳴器控制電路、開門指示燈電路、電控鎖控制電路以及LCD液晶顯示電路等.門禁系統(tǒng)主要由CPU、工作指示電路、振蕩電路、蜂鳴器電路、門控鎖電路、讀卡模塊、顯示模塊等組成.射頻卡模塊通常作為現(xiàn)代門禁系統(tǒng)的必要部分，本裝置的門禁系統(tǒng)正是使用了射頻卡來完成刷卡進(jìn)門和按刷卡出門的功能.

射頻卡模塊也稱之為RFID模塊，是用來讀寫射頻卡RFID的一種中間件，由于射頻卡的頻率不同，所以射頻卡RFID模塊的頻率也不一樣，如125 K，13.56 M，2.4 G等.由于射頻卡的只讀和可寫等性能，射頻卡RFID模塊也有只讀模塊和射頻卡讀寫模塊之分.首先，MF-RC522射頻卡讀寫模塊(下面簡(jiǎn)稱讀寫模塊)通過天線向射頻卡發(fā)送無線載波信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)過射頻卡的天線耦合接收后，先進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換，然后對(duì)其整流濾波，由電壓調(diào)節(jié)模塊對(duì)電壓進(jìn)行進(jìn)一步的處理，包括穩(wěn)壓等，最終輸出到射頻卡上的各級(jí)電路上.此時(shí)，非接觸卡接收到載波信號(hào)后就通過本卡片上的調(diào)制/解調(diào)電路對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制/解調(diào)，處理后的信號(hào)就送到卡片上的控制器以供控制及處理.非接觸卡處理好數(shù)據(jù)后，也通過它本身的天線向MF-RC522返回載波信號(hào)，MF-RC522也通過自身的調(diào)制/解調(diào)電路來對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理.這些返回的載波信號(hào)的頻率與MF-RC522發(fā)出的載波信號(hào)的頻率是一致的.通過這樣一個(gè)通訊回路，MF-RC522就可以對(duì)非接觸卡的內(nèi)容進(jìn)行讀寫操作.射頻卡模塊的設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示：

圖3　射頻卡模塊的設(shè)計(jì)原理

2.3語音控制系統(tǒng)：語音識(shí)別模塊

語音識(shí)別模塊是本裝置的重要組成部分，它也叫語音識(shí)別IC，與傳統(tǒng)的語音芯片相比，語音識(shí)別芯片最大的特點(diǎn)就是能夠語音識(shí)別，它能讓機(jī)器聽懂人類的語音，并且可以根據(jù)命令執(zhí)行各種動(dòng)作直接接受指令并且將指令轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的輸入語句.

本裝置選取的LD3320是ICRoute公司的產(chǎn)品，其內(nèi)部邏輯圖如圖4.它采用ASR技術(shù)，提供了一種脫離按鍵、鼠標(biāo)、觸摸屏等GUI操作方式且基于語音的用戶界面VUI(Voice User Interface),從而使得對(duì)系統(tǒng)的操作簡(jiǎn)單化、便捷化.此外，LD3320基于非特定人語音識(shí)別技術(shù)的語音識(shí)別及聲控芯片，她的識(shí)別對(duì)象可以為大多數(shù)用戶，且在51作為主要控制的系統(tǒng)中能輕松實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別和聲控的功能，并且識(shí)別的關(guān)鍵詞語音列表是可以動(dòng)態(tài)編輯的.它在3.3 V的單片機(jī)下進(jìn)行工作，I/O口和串口連接均為3.3 V，并且在使用時(shí)添加電平轉(zhuǎn)換和限流電阻來保證I/O口不會(huì)被損壞.該芯片擁有較高的集成性，能夠在很大程度上減少電路板面積和元器件的數(shù)目，在降低系統(tǒng)成本的基礎(chǔ)上提高了電路的可靠性.

圖4　LD3320內(nèi)部邏輯圖

本裝置接收外部語音命令的具體過程為：語音識(shí)別模塊接收到外部語音，并對(duì)所接收到的外部語音做出識(shí)別并轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼，經(jīng)由并行口傳送至核心處理器，核心處理器接收二進(jìn)制代碼后執(zhí)行對(duì)應(yīng)的功能.語音控制系統(tǒng)的框圖如圖5所示：

圖5　語音控制系統(tǒng)

此外，為了提高本裝置聲控時(shí)的靈敏度，我們采用了口令模式，給語音控制系統(tǒng)取名為“小杰”，當(dāng)每次喊出“小杰”這個(gè)日常發(fā)音率不高的詞語后，我們才會(huì)開始與語音控制系統(tǒng)的對(duì)話，從而避免日常對(duì)話對(duì)本設(shè)備的干擾，保證聲控模式的正常運(yùn)行.

2.4窗簾控制電路

考慮到控制窗簾的開啟和閉合所需力矩較大，直流電動(dòng)機(jī)不易控制好所需轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，且步進(jìn)電機(jī)不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，我們采用ULN2003與MCU引腳相連來驅(qū)動(dòng)28BYJ-48型步進(jìn)電機(jī)的方案，讓ULN2003協(xié)助單片機(jī)輸出大電流，滿足電機(jī)電壓，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī).窗簾控制電路如圖6所示：

圖6　ULN2003驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)電路

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件流程分為系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理三個(gè)部分.系統(tǒng)整體軟件流程如圖7所示：

圖7　系統(tǒng)軟件流程圖

4結(jié)論

智能產(chǎn)品的研究對(duì)于創(chuàng)造舒適便捷的現(xiàn)代化快節(jié)奏的生活具有重要意義.本文詳細(xì)地介紹了智能一體化聲控設(shè)備的設(shè)計(jì)思路以及相關(guān)電路的設(shè)計(jì)原理，它是我們充分學(xué)習(xí)和運(yùn)用相關(guān)的軟件及硬件知識(shí)的結(jié)果，并成功實(shí)現(xiàn)了IC刷卡開門供電、聲音控制燈光和窗簾的開關(guān)等功能.此外，本裝置具有成本低，構(gòu)造簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單便捷的特點(diǎn)，并且滿足生產(chǎn)過程中實(shí)用性的要求，擁有很高的理論及實(shí)用價(jià)值.

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[責(zé)任編輯：徐明忠]

The design of intelligent home furnishing integrated voice equipment based on LD3320

XU Ying, SUN Chunzhi, WU Chenguang

(School of Physics and Electrical information Engineering, Shangqiu Normal University, Shangqiu 476000，China)

Abstract:Smart home integration of voice equipment Mainly takes the technology of 51 single-chip microcomputer and radio frequency card, it also uses the language, programmable timing control and other methods.Putting audio equipment, lighting system, curtain control and voice acoustic control module together perfectly to implement the basic operation of opening the door with the credit card, charging power supply, lighting, controlling curtain and so on in the life.The residents can enter their house when they use the right card, at the same time the automatic power supply.Besides, residents can use the correct voice commands to operate the system of curtain controlling, lighting and music playing.The use of the smart home integration acoustic equipment system can make family life more safer, energy efficient， intelligent, convenient and comfortable.

Key words:51 single-chip microcomputer; radio frequency card technology; voice acoustic control module

中圖分類號(hào)：TN918.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-3600(2016)06-0037-05

作者簡(jiǎn)介:孫春志(1986-)，男，河南商丘人，商丘師范學(xué)院助教，碩士，主要從事電子與通信工程的研究.

基金項(xiàng)目：河南省科技廳項(xiàng)目(132300410262)

收稿日期：2015-11-04