語音控制電視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

陳威沖 張家田 吳銀川 嚴(yán)正國

摘 要：文中介紹了一種以STM32單片機(jī)為控制核心，集成語音識(shí)別模塊和紅外收發(fā)模塊的一種語音控制電視系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以使用語音指令實(shí)現(xiàn)對(duì)電視機(jī)的遙控，達(dá)到替代傳統(tǒng)遙控器的效果，具有控制靈活、性能穩(wěn)定、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。隨著智能家居的普及和發(fā)展，該設(shè)計(jì)具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用空間。

關(guān)鍵詞：智能控制;語音識(shí)別;無線通信;紅外收發(fā);STM32;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）04-0-04

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，各種智能化家居產(chǎn)品順應(yīng)市場(chǎng)需求大量出現(xiàn)[1]。目前用戶對(duì)于智能家居互動(dòng)的靈活性要求也越來越高，例如在電視操作過程中由于遙控器按鍵繁多復(fù)雜，其設(shè)計(jì)的人機(jī)交互方式已經(jīng)落伍。最近幾年，通過“單片機(jī)”對(duì)紅外線遙控信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)的技術(shù)已經(jīng)取得長足發(fā)展，進(jìn)而利用嵌入式系統(tǒng)不斷增強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)生更為智能的應(yīng)用也變得簡單可行[2];另一方面，隨著語音識(shí)別技術(shù)的普及，當(dāng)前語音識(shí)別功能的實(shí)現(xiàn)也越來越廉價(jià)易行。本設(shè)計(jì)采用非特定語音識(shí)別技術(shù)，將其利用到電視機(jī)的遙控功能當(dāng)中，當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜且重復(fù)性功能時(shí)，可以利用當(dāng)前設(shè)計(jì)的可編程性及語音識(shí)別的靈活性代替遙控器，讓電視機(jī)的人機(jī)交互走向更高的臺(tái)階。

1 系統(tǒng)需求分析及總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)需求分析

參考現(xiàn)有的智能家居設(shè)計(jì)[3]，本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）語音控制電視機(jī)的開關(guān);

（2）通過語音指令打開電視機(jī)某頻道;

（3）通過語音指令調(diào)整頻道和音量。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

語音控制電視系統(tǒng)主要由STM32F103C8T6主控制器、LD3320語音識(shí)別模塊和紅外信號(hào)發(fā)射接收模塊組成[4]。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

用麥克風(fēng)采集聲音信號(hào)，經(jīng)過濾波、放大處理后送入LD3320非特定語音識(shí)別模塊進(jìn)行語音識(shí)別處理，將處理結(jié)果保存在寄存器中，通過SPI與主控芯片STM32F103C8T6通信。經(jīng)主控芯片處理后控制紅外模塊發(fā)射對(duì)應(yīng)的信號(hào)，電視機(jī)頂盒接收到信號(hào)后則能實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能，達(dá)到語音控制電視的效果。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要包括主控芯片STM32F103C8T6，語音識(shí)別模塊LD3320和紅外發(fā)射接收模塊三部分。利用紅外發(fā)射接收模塊對(duì)電視機(jī)頂盒遙控器鍵值進(jìn)行解碼，將其記錄、處理后保存在MCU中，輸入特定的語音指令時(shí)，MCU通過紅外模塊發(fā)送相應(yīng)的紅外指令，代替遙控器。

2.1 STM32F103C8T6最小系統(tǒng)

將STM32F103C8T6微控制器作為核心的最小系統(tǒng)板，其內(nèi)核為ARM的CortexTM-M3，它為實(shí)現(xiàn)MCU的需求提供了低成本的平臺(tái)、縮減的引腳數(shù)目、較低的系統(tǒng)功耗，同時(shí)提供了卓越的計(jì)算性能和先進(jìn)的中斷系統(tǒng)響應(yīng)[5]，性價(jià)比高。

2.2 LD3320芯片

LD3320 芯片是一款“語音識(shí)別”專用芯片，由ICRoute公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)。該芯片集成了語音識(shí)別處理器和一些外部電路，包括A/D，D/A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，不需要外接任何輔助芯片如FLASH，RAM等，直接集成在現(xiàn)有產(chǎn)品中即可實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別/聲控/人機(jī)對(duì)話等功能。并且識(shí)別的關(guān)鍵詞語列表可以被動(dòng)態(tài)編輯。每次識(shí)別最多可以設(shè)置50項(xiàng)候選識(shí)別句，每個(gè)識(shí)別句可以是單字，詞組或短句，長度為不超過10個(gè)漢字或者79 B的拼音串[6]。

另一方面，識(shí)別句內(nèi)容可以動(dòng)態(tài)編輯修改，因此可通過一個(gè)系統(tǒng)支持多種場(chǎng)景模塊對(duì)外引出7個(gè)引腳，包括3個(gè)SPI引腳MISO，MOSI，SCK，復(fù)位引腳RST，片選引腳CS，中斷產(chǎn)生引腳IRQ和設(shè)置引腳SPIS。其中，STM32最小系統(tǒng)板可通過SPI引腳、SPIS引腳和CS引腳對(duì)LD3320芯片進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)模塊接收到語音信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生中斷信號(hào)，將IRQ引腳置高電平，STM32微處理器在中斷服務(wù)函數(shù)中執(zhí)行語音識(shí)別程序，最終實(shí)現(xiàn)語音控制功能。LD3320語音識(shí)別模塊電路如圖2所示。

2.3 紅外發(fā)射接收模塊

紅外遙控是一種無線、非接觸控制技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)、信息傳輸可靠性高、功耗低、成本低、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)[7]。

NEC紅外編碼解碼模塊由紅外發(fā)射頭、紅外接收頭和串口通信接口組成。紅外發(fā)射頭用于發(fā)射紅外信號(hào)，其波長為940 nm 38K NEC;紅外接收頭用于接收 NEC紅外信號(hào)，單片機(jī)進(jìn)行分析解碼操作;串口通信接口為單片機(jī)串口（TTL），作為與外界單片機(jī)通信的橋梁，其默認(rèn)設(shè)置的波特率為9 600 bps。

編碼信號(hào)的發(fā)射使用NEC紅外編碼解碼模塊可以通過串口與MCU通信對(duì)普通紅外信號(hào)進(jìn)行發(fā)送接收以及解碼操作，在本設(shè)計(jì)中使用該模塊對(duì)遙控器指令進(jìn)行解碼并按照程序發(fā)送，達(dá)到使用MCU進(jìn)行紅外遙控的目的。紅外模塊電路如圖3所示。

3 STM32與電視機(jī)頂盒通信

電視機(jī)頂盒與遙控器通過紅外信號(hào)通信，因此在本設(shè)計(jì)中只有STM32將紅外信號(hào)通過紅外模塊發(fā)送，才能達(dá)到代替遙控器的目的。STM32主控模塊通過全雙工異步串行通信方式與紅外模塊通信，數(shù)據(jù)格式為1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)奇偶校驗(yàn)位和1個(gè)停止位，波特率為9 600 bps。使用紅外模塊對(duì)遙控器按鍵鍵值進(jìn)行解碼后再使用STM32在程序內(nèi)將其進(jìn)行處理發(fā)送即可代替遙控器的功能。

3.1 紅外信號(hào)協(xié)議

（1）發(fā)射指令說明

本設(shè)計(jì)中地址位默認(rèn)地址A1。操作位表示當(dāng)前工作狀態(tài)，在此設(shè)計(jì)中只使用了紅外模塊發(fā)射狀態(tài)，不改變其通信地址狀態(tài)和波特率，因此操作位為F1。數(shù)據(jù)位1，2，3則為接收到的紅外編碼信息[8]。紅外信號(hào)協(xié)議見表1所列。

3.2 紅外信號(hào)解碼內(nèi)容

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要介紹語音識(shí)別程序設(shè)計(jì)及紅外指令發(fā)送程序設(shè)計(jì)。語音識(shí)別程序主要參考LD3320芯片手冊(cè)對(duì)其進(jìn)行配置，紅外指令發(fā)送程序則將加碼后的紅外信號(hào)進(jìn)行處理，形成NEC制式的紅外指令，并發(fā)送。

4.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序上電后進(jìn)行通用初始化，開啟中斷，使其能接收來自LD3320芯片的中斷信號(hào)，在其中進(jìn)行語音識(shí)別操作。當(dāng)按鍵按下時(shí)執(zhí)行LD3320子程序。主程序流程如圖4所示。

4.2 語音識(shí)別程序設(shè)計(jì)及語音指令

在進(jìn)行LD3320子程序時(shí)，對(duì)LD3320芯片進(jìn)行相關(guān)初始化，并初始化MCU的SPI通信，相關(guān)I/O口及開啟中斷。LD3320芯片啟動(dòng)一次ASR識(shí)別流程：ASR初始化，ASR添加關(guān)鍵詞語，啟動(dòng)ASR運(yùn)算，等待語音輸入。當(dāng)有語音輸入時(shí)，芯片將IRQ引腳置高，微控制器進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)，進(jìn)行語音識(shí)別處理。識(shí)別成功后，串口發(fā)送相關(guān)指令;若未成功，則等待下一次語音輸入。LD3320語音識(shí)別流程如圖5所示。

在中斷服務(wù)子程序中，程序首先通過讀取LD3320寄存器2B，B2，BF值判斷當(dāng)前LD3320 ASR是否空閑，若空閑，則進(jìn)行下一步，若忙，則本次語音識(shí)別失敗，返回LD3320程序。此功能可防止當(dāng)前語音識(shí)別被噪音或其他語音指令打斷。當(dāng)ASR空閑時(shí)，通過讀取寄存器BA的值并判斷其是否有效，即是否大于0且小于等于4，若是，則將此值返回主程序，進(jìn)行相關(guān)操作;否則視為語音識(shí)別失敗，等待下一次語音輸入。圖6所示為中斷服務(wù)子程序流程圖。

4.3 紅外指令發(fā)送程序設(shè)計(jì)

利用紅外發(fā)射接收模塊將紅外信號(hào)進(jìn)行解碼得到表2所列結(jié)果，若想讓本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與遙控器同樣的功能，則需為解碼后的值加上地址和操作碼，構(gòu)成5個(gè)16進(jìn)制的一串一維數(shù)組，串口按照下面的程序輸出，就可以使電視機(jī)頂盒接收到與遙控器相同的紅外信號(hào)：

5 結(jié) 語

本文以STM32為控制核心，設(shè)計(jì)并制作出一套針對(duì)電視機(jī)遙控的智能語音控制系統(tǒng)，其具有控制靈活、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槭腔谖⒖刂破鞯拈_發(fā)，其具有擴(kuò)展性強(qiáng)的潛力。隨著科技的發(fā)展，類似技術(shù)已經(jīng)成熟，因此系統(tǒng)易于制造，造價(jià)低廉，滿足智能家居和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求。隨著智能家居系統(tǒng)的快速發(fā)展，語音控制電視系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)將越來越容易，推廣前景廣闊，應(yīng)用價(jià)值良好。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]吳文忠， 李萬磊.基于ARM和ZigBee的智能家居系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011，32（6）：1987-1990.

[2]于華利.機(jī)頂盒遙控電視機(jī)技術(shù)指引[J].電視技術(shù)，2010，34（3）：111-112.

[3]申斌，張桂青，汪明，等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀表，2013，28（2）：6-10.

[4]王俐偉，廉小親，安颯，等.智能空調(diào)語音控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].家電科技，2018 （7）：46-50.

[5] STM32F103x8/B增強(qiáng)型系列中容量產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)[EB/OL]. [2012-04-07].http：//www.stmicroeletronics.com.Cn/stonline/mcu/MCU-Pages.htm.

[6]洪家平.LD3320的嵌入式語音識(shí)別系統(tǒng)的應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012，12（2）：47-49.

[7]李從宏.基于功能碼的紅外遙控軟件解碼技術(shù)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010（9）：72-73.

[8] 歐陽.基于Android平臺(tái)的智能家居紅外控制系統(tǒng)的研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2012.

[9]許子明，李笑茹.電氣自動(dòng)化控制的人工智能技術(shù)[J].科技風(fēng)，2018（7）：6.

[10]陳洪峰.國內(nèi)電氣自動(dòng)化發(fā)展?fàn)顩r與趨勢(shì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2006（1）：12.