基于BLE4.0姿態(tài)解算的無(wú)線語(yǔ)音鼠標(biāo)設(shè)計(jì)

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(大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，大連 116028)

基于BLE4.0姿態(tài)解算的無(wú)線語(yǔ)音鼠標(biāo)設(shè)計(jì)

時(shí)繼潮，李新紅,王雅涵，呂閃

(大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，大連 116028)

設(shè)計(jì)了一款殘疾人專(zhuān)用智能無(wú)線語(yǔ)音鼠標(biāo)，讓雙手不靈活的殘疾人靈活地操縱電腦成為現(xiàn)實(shí)。本設(shè)計(jì)發(fā)送端采用BLE4.0技術(shù)負(fù)責(zé)頭部姿態(tài)解算、語(yǔ)音識(shí)別、向電腦發(fā)送操作指令等功能。無(wú)需任何接收裝置，只需與電腦自帶的藍(lán)牙設(shè)備配對(duì)后便可通過(guò)相應(yīng)的藍(lán)牙協(xié)議對(duì)電腦直接進(jìn)行操控。

語(yǔ)音鼠標(biāo)；BLE4.0；藍(lán)牙協(xié)議

引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)信息的不斷發(fā)展，電腦成了每家都不可或缺的應(yīng)用工具，現(xiàn)在大部分人都會(huì)用鼠標(biāo)靈活地操縱電腦，但在一些雙手不靈活的殘疾人眼里，靈活地操縱電腦卻是一件極其不容易的事情。他們大多數(shù)都用腳代替手來(lái)完成對(duì)電腦的操縱，但即便這樣，應(yīng)用電腦時(shí)仍然存在很多不便，因此研究一款適用于雙手不靈活的殘疾人專(zhuān)用的鼠標(biāo)勢(shì)在必行。

本文針對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有鼠標(biāo)存在的種種不足，應(yīng)用BLE4.0通信技術(shù)，加入語(yǔ)音識(shí)別，設(shè)計(jì)出一款適用于殘疾人群的智能無(wú)線鼠標(biāo)。此鼠標(biāo)打開(kāi)開(kāi)關(guān)后，就會(huì)自動(dòng)檢索電腦藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行配對(duì)，配對(duì)成功后，使用者將其戴在頭上，只需輕輕搖動(dòng)頭部，就可以控制電腦上的指針進(jìn)行各方位移動(dòng)。使用者發(fā)出語(yǔ)音指令后，便可對(duì)電腦進(jìn)行任意操作，靈活方便，可以滿足殘疾人士靈活使用鼠標(biāo)的需求。

1 語(yǔ)音鼠標(biāo)的整體結(jié)構(gòu)與工作原理

不管是有線鼠標(biāo)還是無(wú)線鼠標(biāo)，傳統(tǒng)的鼠標(biāo)都需要有一個(gè)USB接收器插到電腦上才能使用，這對(duì)于具有有限數(shù)量USB接口的電腦來(lái)說(shuō)就是一個(gè)潛在的隱患，一旦需要使用多個(gè)USB接口時(shí)就會(huì)出現(xiàn)接口不足的問(wèn)題。因此，本文借助現(xiàn)在比較流行的藍(lán)牙通信技術(shù)，研制了一款基于藍(lán)牙通信的語(yǔ)音鼠標(biāo)，不但不需要占用電腦有限的接收資源，還可以用語(yǔ)音進(jìn)行控制，滿足殘疾人士靈活使用鼠標(biāo)的需求。

鼠標(biāo)主控部分主要由藍(lán)牙芯片CC2540進(jìn)行控制，主控和電腦之間通過(guò)低功耗的藍(lán)牙4.0協(xié)議進(jìn)行通信。接收到語(yǔ)音指令后，主控芯片CC2540對(duì)接收的語(yǔ)音信息和采集到的頭部姿態(tài)信息進(jìn)行識(shí)別處理，將處理后的信息傳送給電腦，從而在電腦上實(shí)現(xiàn)相應(yīng)操作[1]。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 語(yǔ)音鼠標(biāo)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 藍(lán)牙4.0協(xié)議

2.1 藍(lán)牙4.0技術(shù)的背景

隨著第三次技術(shù)革命的不斷成熟，無(wú)線技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，現(xiàn)在應(yīng)用最多的就是WiFi這一無(wú)線技術(shù)。但隨著應(yīng)用的不斷深入，很多弊端也不斷顯現(xiàn)出來(lái)，比如耗電量比較大，對(duì)供電電壓的穩(wěn)定性要求比較高，與路由終端的網(wǎng)絡(luò)連接易出現(xiàn)故障等。因此，一種不依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò)連接的技術(shù)就顯得尤為重要，隨之就出現(xiàn)了新一代藍(lán)牙技術(shù)——藍(lán)牙4.0技術(shù)[2]。

2.2 藍(lán)牙4.0技術(shù)的特點(diǎn)

藍(lán)牙4.0技術(shù)的最大特點(diǎn)就是低功耗，其極低的待機(jī)和運(yùn)行功耗可以使一粒紐扣電池工作4年甚至更久的時(shí)間。其次，還有穩(wěn)定性強(qiáng)、發(fā)送數(shù)據(jù)周期短的特性，其最大數(shù)據(jù)發(fā)送周期少于6 ms。藍(lán)牙4.0技術(shù)將傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)、高速技術(shù)和低耗能技術(shù)集于一體，除了上述特點(diǎn)外，還有傳輸效率高、保密性好、組網(wǎng)靈活等優(yōu)勢(shì)[3]。

3 語(yǔ)音鼠標(biāo)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分主要包括控制器模塊、語(yǔ)音識(shí)別模塊、姿態(tài)解算模塊、無(wú)線信號(hào)模塊及電源模塊5部分。

控制器模塊以TI公司的CC2540藍(lán)牙芯片為核心，其具有低功耗、高性能、易開(kāi)發(fā)等優(yōu)勢(shì)；語(yǔ)音識(shí)別模塊，采用非特定語(yǔ)音識(shí)別芯片LD3320，用戶在使用前不需要對(duì)其進(jìn)行任何操作和練習(xí)，直接說(shuō)話就可以進(jìn)行識(shí)別；姿態(tài)解算模塊使用MPU6050陀螺儀，其具有非常小的過(guò)沖，對(duì)于6軸數(shù)據(jù)的采集具有非常準(zhǔn)確的積分值；無(wú)線信號(hào)模塊主要由主控芯片CC2540控制，是主控制器與電腦進(jìn)行通信的重要通道；因?yàn)橄到y(tǒng)具有低功耗的特點(diǎn)，因此電源模塊采用紐扣電池進(jìn)行供電，經(jīng)電路中多重濾波整合后，其為整個(gè)系統(tǒng)提供了持續(xù)穩(wěn)定的電源輸出[4]。系統(tǒng)硬件電路圖如圖2所示。

圖2 語(yǔ)音鼠標(biāo)整體硬件電路

4 語(yǔ)音鼠標(biāo)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，首先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后主控制器會(huì)與電腦進(jìn)行配對(duì)，當(dāng)使用者作出移動(dòng)動(dòng)作時(shí)，姿態(tài)解算模塊會(huì)對(duì)使用者的這一頭部動(dòng)作進(jìn)行姿態(tài)解算；當(dāng)使用者發(fā)出語(yǔ)音指令后，LD3320語(yǔ)音芯片會(huì)對(duì)發(fā)出的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行識(shí)別處理，將解算到的動(dòng)作信息與識(shí)別的語(yǔ)音信號(hào)傳輸給CC2540主控芯片，其將接收的這一信息進(jìn)行相應(yīng)濾波處理后，通過(guò)BLE4.0將信息傳輸給電腦終端，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)操作[5]。

圖3 語(yǔ)音鼠標(biāo)系統(tǒng)軟件流程圖

語(yǔ)音鼠標(biāo)的軟件流程圖如圖3所示?？梢钥闯?，系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，這就保證了對(duì)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，更能保證電腦光標(biāo)的靈活移動(dòng)，使鼠標(biāo)更加靈活、穩(wěn)定。

結(jié) 語(yǔ)

[1] 李志軍,時(shí)繼潮,石磊. LPC1227的智能無(wú)線體感鼠標(biāo)設(shè)計(jì)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2015,17(4):60-63.

[2] 時(shí)繼潮,李新紅,吳陽(yáng)明,等. 藍(lán)牙4.2協(xié)議的一主多從防丟器APP設(shè)計(jì)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2017,17(7):44-46.

[3] 呂松棟,黎卓芳. 藍(lán)牙4.0低功耗技術(shù)及其認(rèn)證要求[J].現(xiàn)代電信科技,2011,41(10):17-20.

[4] 徐金茍. 藍(lán)牙4.0底層核心技術(shù)協(xié)議研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 上海：上海交通大學(xué),2012.

[5] Alibakhshikenari M,Limiti E,Naser-Moghadasi M,et al. A new wideband planar antenna with band-notch functionality at GPS,Bluetooth and WiFi bands for integration in portable wireless systems[J]. AEU-International Journal of Electronics and Communications,2017(72):79-85.

時(shí)繼潮(碩士研究生)，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、無(wú)線通信等。

WirelessSpeechMouseDesignBasedonBLE4.0AttitudeAlgorithm

ShiJichao,LiXinhong,WangYahan,LvShan

(College of Electrical and Information,Dalian University of Traffic,Dalian 116028,China)

In the paper,a handicap intelligent wireless voice mouse is designed,which helps the disabled whose hands are not flexible can manipulate the computer.The sending end of the design adopts BLE4.0 technology to realize the functions such as the head posture solution,speech recognition,and sending operation instructions to the computer.Without any receiving device,you only need to pair with the bluetooth device that comes with the computer,and you can control the computer directly through the bluetooth protocol.

speech mouse;BLE4.0;bluetooth protocol

TP272

A

2017-08-18)