語(yǔ)音識(shí)別無(wú)線開(kāi)關(guān)控制裝置的設(shè)計(jì)

傅大梅+盛彬

摘 要：為了利用語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)來(lái)操控?zé)o線控制設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)一種用語(yǔ)音無(wú)線控制開(kāi)、關(guān)設(shè)備（白熾燈等）的裝置。該裝置利用LD3320作為語(yǔ)音數(shù)據(jù)采集和處理芯片，STC12C5A60S2單片機(jī)作為語(yǔ)音采樣對(duì)比模塊的微控制器，STC15F104E單片機(jī)作為接收、控制微控制器，利用無(wú)線通信模塊HC?12實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)射和接收。結(jié)果表明，該裝置在語(yǔ)音識(shí)別和無(wú)線傳輸上表現(xiàn)出良好的性能，識(shí)別率達(dá)到97%左右，且實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音控制燈的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

關(guān)鍵詞： 語(yǔ)音識(shí)別； STC15F104E； 開(kāi)關(guān)控制裝置； LD3320

中圖分類號(hào)： TN915?34； TN802 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）14?0033?03

Abstract： In order to realize the operation of the wireless control device based on speech recognition technology， a device for controlling the on/off unit （such as an incandescent lamp） was designed. The chip LD3320 is used in the device as the data acquisition and processing module， the single chip microcomputer STC12C5A60S2 as the microcontroller of voice sampling comparison module， and the single chip microcomputer SCM STC15F104E as receiving and controlling microcontroller. The wireless communication module HC?12 is adopted to realize data signal transmission and reception. The device shows its perfect performances in speech recognition and wireless transmission. Its recognition rate is about 97%. The switch action of voice control lamp was realized by the device in the experiment.

Keywords： speech recognition； STC15F104E； switch control device； LD3320

語(yǔ)言是人們生活中最自然、有效、便捷的交流方式[1]，因此語(yǔ)音控制裝置的研究與設(shè)計(jì)，會(huì)給生產(chǎn)、醫(yī)療、生活帶來(lái)很多便捷。本文設(shè)計(jì)了一種基于語(yǔ)音識(shí)別的控制裝置，該裝置可以在20 m內(nèi)控制既定電器設(shè)備（燈等）的開(kāi)與關(guān)，誤差不大于2%；在接收普通話指令的過(guò)程中，男女老少語(yǔ)音均可識(shí)別，誤差不大于3%。

1 總體方案

本系統(tǒng)建立在 2.4 GHz射頻技術(shù)、語(yǔ)音采樣對(duì)比的理論基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)一種語(yǔ)音識(shí)別無(wú)線控制的軟、硬件設(shè)計(jì)。以控制一支白熾燈為例，整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。利用專用芯片LD3320作為語(yǔ)音數(shù)據(jù)采集和處理芯片，選擇STC12C5A60S2單片機(jī)作為語(yǔ)音采樣對(duì)比模塊的微控制器，該單片機(jī)的內(nèi)核為ARM 32位的Coertex?M3 CPU，帶有串行單線調(diào)試（SWD）接口和JTAG接口。接收端的微控制器選用了STC公司的STC15F104E單片機(jī)，該單片機(jī)只有8個(gè)引腳，可以進(jìn)行串口通信。HC?12無(wú)線串口通信模塊在本系統(tǒng)中承擔(dān)了數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)射和接收的工作。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 語(yǔ)音采樣對(duì)比模塊

LD3320語(yǔ)音識(shí)別芯片在集成語(yǔ)音識(shí)別處理器和外部電路的同時(shí)，還包括A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)接口、聲音輸出接口等[2]，該芯片在工作時(shí)最多可以每次識(shí)別50項(xiàng)候選句，在實(shí)際使用中用戶只需要把識(shí)別的關(guān)鍵詞語(yǔ)以字符串的形式存儲(chǔ)在芯片中，在重啟芯片后，即可在識(shí)別中立即生效。

在電路中，單片機(jī)P0端口的8根數(shù)據(jù)線作為數(shù)據(jù)總線與LD3320并口方式連接，控制線分別與P2端口連接。除此外還將兩個(gè)芯片的復(fù)位信號(hào)和中斷信號(hào)連接，在LD3320中，復(fù)位信號(hào)（RSTB） 由單片機(jī)發(fā)出，中斷信號(hào)由LD3320芯片發(fā)出。

在本設(shè)計(jì)中還使用了單片機(jī)的串口通信功能，語(yǔ)音識(shí)別部分核心電路設(shè)計(jì)如圖2所示。語(yǔ)音模塊與STC12C5A60S2單片機(jī)的串口2通信，無(wú)線通信模塊HC?12與串口1通信，在數(shù)據(jù)傳輸上，當(dāng)STC12C5A60S2接收到串口2發(fā)來(lái)的信息時(shí)立刻將信息通過(guò)串口1發(fā)送給無(wú)線通信模塊HC?12，最終由HC?12將處理后的語(yǔ)音信號(hào)在空中發(fā)送。

2.2 無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信選用HC?12無(wú)線單片機(jī)串口模塊作為本次設(shè)計(jì)的無(wú)線通信模塊。HC?12無(wú)線串口模塊在實(shí)際使用中類似于將普通的有線串口通信方式斷開(kāi)，再通過(guò)兩塊HC?12無(wú)線串口模塊在空中搭建無(wú)線連接，從而實(shí)現(xiàn)物理上的連接，達(dá)到兩塊單片機(jī)即使在物理上沒(méi)有線路的連接也能進(jìn)行一定距離內(nèi)的串口通信。其工作原理和模塊與單片機(jī)的連線方式如圖3所示。

2.3 接收控制模塊

接收控制模塊電路圖如圖3所示，STC15F104E單片機(jī)通過(guò)串口與HC?12信號(hào)通信，并發(fā)出信號(hào)控制繼電器驅(qū)動(dòng)電路。

3 關(guān)鍵部分軟件分析與設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)關(guān)鍵軟件的設(shè)計(jì)是語(yǔ)音識(shí)別程序設(shè)計(jì)，它由初始化程序、拼音表燒錄程序、中斷判斷程序、識(shí)別程序組成，語(yǔ)音識(shí)別程序流程圖如圖4所示。

3.1 拼音表寫入程序

拼音表寫入程序設(shè)計(jì)時(shí)，LD3320芯片對(duì)于所要設(shè)置的拼音表有個(gè)規(guī)定，就是每個(gè)拼音對(duì)應(yīng)惟一一個(gè)代碼字符。對(duì)應(yīng)的拼音串的編號(hào)可以不一樣，但是不能夠有重復(fù)的編號(hào)出現(xiàn)。就是說(shuō)編號(hào)1可以存在兩個(gè)字符串對(duì)應(yīng)，但是占用了2的編號(hào)的位置，就不能再有編號(hào)2的存在。LD3320A芯片支持的最大拼音串為50個(gè)拼音字符[3]。應(yīng)用案例如表1所示。

識(shí)別列表中的編號(hào)可以相同，可以不連續(xù)，但數(shù)值[3]必須要小于256，例如“guan deng”和“xi deng”對(duì)應(yīng)同一編號(hào)，說(shuō)這兩個(gè)詞都會(huì)有相同的結(jié)果返回，拼音表寫入程序流程圖如圖5所示。

3.2 識(shí)別程序

在實(shí)際使用中只要設(shè)置幾個(gè)寄存器，就可以使用LD3320語(yǔ)音芯片進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別。

LD3320的代碼大多都是使用全局變量來(lái)控制和指示寄存器的狀態(tài)，在代碼編寫的過(guò)程中，LD3320芯片開(kāi)始工作之前必須設(shè)置識(shí)別拼音的句子寫在設(shè)置好的寄存器中[4]。關(guān)鍵程序如下：

4 調(diào)試、分析與電路改進(jìn)

調(diào)試包括軟件、電源、各種人的語(yǔ)音和通信距離的性能調(diào)試與測(cè)試。

4.1 語(yǔ)音采樣對(duì)比模塊軟件調(diào)試

語(yǔ)音模塊的關(guān)鍵詞對(duì)應(yīng)的指令代碼，如表2所示。

指令代碼由單片機(jī)通過(guò)無(wú)線發(fā)送模塊HC?12發(fā)出，由接收模塊HC?12接收指令代碼后通過(guò)內(nèi)部設(shè)定的指令喚醒和控制相應(yīng)裝置（比如：燈），系統(tǒng)調(diào)試窗口如圖6、圖7所示。

4.2 接收控制模塊軟件調(diào)試硬件電路改進(jìn)

在接收模塊的調(diào)試中，將HC?12的發(fā)射端的通過(guò)串口轉(zhuǎn)USB線連接到電腦端，通過(guò)串口助手發(fā)送數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)試接收控制模塊，在接收控制模塊的繼電器端接入一個(gè)白熾燈，例如通過(guò)串口助手發(fā)送A1，使白熾燈點(diǎn)亮，用串口助手發(fā)送A2，使白熾燈熄滅。調(diào)試時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題，其現(xiàn)象是通過(guò)串口發(fā)送A1時(shí)，白熾燈點(diǎn)亮，但是馬上自動(dòng)熄滅。分析產(chǎn)生的可能原因是繼電器閉合瞬間通過(guò)電流過(guò)大導(dǎo)致繼電器損壞或繼電器的電磁干擾。為了防止電路誤動(dòng)作或系統(tǒng)崩潰等情況的發(fā)生，采用濾波、隔離措施，且PCB布局設(shè)計(jì)時(shí)將繼電器驅(qū)動(dòng)電路跟控制電路分開(kāi)。

4.3 結(jié)果測(cè)試

在整體調(diào)試中，通過(guò)不同音色的人說(shuō)出指令：開(kāi)燈，關(guān)燈，每個(gè)指令測(cè)試50次，根據(jù)接收控制模塊的響應(yīng)（白熾燈的亮滅），得到表3中的數(shù)據(jù)。

本設(shè)計(jì)的實(shí)物在性能上很穩(wěn)定，在語(yǔ)音識(shí)別和無(wú)線傳輸上也表現(xiàn)出良好的性能，在非特定人語(yǔ)音識(shí)別測(cè)試中，識(shí)別率達(dá)到97%左右。產(chǎn)生誤差的主要原因是發(fā)送指令人的普通話不標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然無(wú)線傳輸時(shí)，在隔了幾堵墻或者距離過(guò)遠(yuǎn)時(shí)，誤差也會(huì)增大。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)非特定人語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)和相關(guān)軟硬件知識(shí)的研究，設(shè)計(jì)了無(wú)線語(yǔ)音控制裝置，實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音控制燈的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。從目前的使用狀況來(lái)看，控制裝置的性能和功能都相對(duì)穩(wěn)定，今后可以進(jìn)一步擴(kuò)展對(duì)多種用電設(shè)備的控制。

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