語音智能儲(chǔ)物柜設(shè)計(jì)

潘益玲

（河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 河源，517000）

儲(chǔ)物柜是一種儲(chǔ)存物品的裝置，傳統(tǒng)的儲(chǔ)物柜用機(jī)械鎖控制實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)有的儲(chǔ)物柜或是利用人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通信和視頻監(jiān)控等技術(shù)實(shí)現(xiàn)[1]，或是利用二維碼或密碼實(shí)現(xiàn)，或是利用上位機(jī)、下位機(jī)實(shí)現(xiàn)或是基于互聯(lián)網(wǎng)的卡片式實(shí)現(xiàn)[2-4]，控制和操作都不方便。隨著AI 技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)儲(chǔ)存物品的智能化和便利性提出了新的要求。設(shè)計(jì)一個(gè)語音控制的智能儲(chǔ)物柜，以IAP15W4K58S4單片機(jī)為控制核心，以SYN7318 語音芯片為語音交互核心，對(duì)麥克風(fēng)傳入的語音詞條與命令進(jìn)行語音識(shí)別，實(shí)現(xiàn)語音控制儲(chǔ)物柜的存儲(chǔ)物品、語音查詢物品、語音控制取物，能儲(chǔ)存多個(gè)物品，并實(shí)時(shí)記錄顯示存儲(chǔ)的物品名稱和存儲(chǔ)的位置，控制精確，性能穩(wěn)定、語音交互簡單方便，解放了人們的雙手，給存取物品帶來了極大便利。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

儲(chǔ)物柜控制系統(tǒng)主要由電源模塊、語音識(shí)別交互系統(tǒng)、儲(chǔ)物柜電機(jī)控制系統(tǒng)、顯示反饋系統(tǒng)四部分組成[5]。

電源模塊的作用是為IAP15W4K58S4 單片機(jī)、SYN7318 中文語音交互模塊、壓力傳感器、數(shù)碼管。提供5V 工作電壓，為SYN7318 中文語音交互模塊中的部分電路提供3.6V 工作電壓，為OLED 顯示屏提供3.3V 工作電壓。

語音識(shí)別交互系統(tǒng)以IAP15W4K58S4 單片機(jī)為控制核心，通過UART 接口通信方式與SYN7318 語音芯片交互接收與發(fā)送數(shù)據(jù)幀[6]，IAP15W4K58S4 解析完成后，控制電機(jī)模塊啟動(dòng)，進(jìn)而存取物體。語音交互系統(tǒng)使用時(shí)以“百靈”為識(shí)別名，開啟語音喚醒功能，通過揚(yáng)聲器，以聲音的形式播出喚醒語音段及提示。

儲(chǔ)物柜電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收到單片機(jī)IAP15W4K 58S4 發(fā)送過來的控制信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的彈出和關(guān)閉置物柜動(dòng)作，儲(chǔ)物柜放置有傳感器檢測(cè)是否有物體，限位開關(guān)控制柜子開合的位置。

顯示反饋系統(tǒng)采用OLED 和數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示物品所在的儲(chǔ)存柜以及儲(chǔ)存柜是否為空柜，并在數(shù)碼管上閃爍及語音播報(bào)。

系統(tǒng)整體框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

整體硬件電路由電源模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)、語音交互系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及顯示反饋系統(tǒng)五部分組成。

2.1 電源模塊

電源模塊主要為單片機(jī)、語音芯片、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、OLED 及數(shù)碼管等硬件提供工作電源。LM2596S DC-DC 降壓電源模塊是降壓型電源管理單片集成電路的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，能夠輸出3A 的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。固定輸出版本有3.3V、5V、12V，可調(diào)版本可以輸出小于37V 的各種電壓[7-9]。使用三個(gè)LM2596S DC-DC（即可調(diào)版本），分別輸出5V、3.6V、3.3V 工作電壓，分別為IAP15W4K58S4 單片機(jī)、SYN7318、壓力傳感器、數(shù)碼管提供5V 工作電壓；為SYN7318 中文語音交互模塊提供3.6V 工作電壓，為OLED 顯示屏提供3.3V 工作電壓。原理圖如圖2 所示。

圖2 LM2596S DC-DC 降壓電源模塊原理圖

2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

IAP15W4K58S4 單片機(jī)作為語音智能儲(chǔ)物柜的大腦，控制著系統(tǒng)中不同模塊的工作。該單片機(jī)采用了增強(qiáng)型8051 內(nèi)核，擁有4K（4096）字節(jié)的SRAM 空間，具有4 組高速異步串行通信端口UART、CCP/PWM/PCA、增強(qiáng)型PWM 等外設(shè)功能，相比普通51 單片機(jī)功能更強(qiáng)大，使用更方便，由于IAP15W4K58S4 單片機(jī)內(nèi)部集成了時(shí)鐘晶振和復(fù)位電路，只需將單片機(jī)與電源和地連接即可構(gòu)建最小系統(tǒng)[10]。單片機(jī)最小系統(tǒng)與其他各個(gè)模塊的連線接口電路如圖3 所示。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)與其他模塊連接端口圖

2.3 語音交互系統(tǒng)

SYN7318 中文語音交互模塊如圖4 所示，是語音智能儲(chǔ)物柜的重要組成部分，以“百靈”為識(shí)別名，開啟語音喚醒。SYN7318 通過麥克風(fēng)接收到語音指令（如：我要放手機(jī)、我要拿手機(jī)、手機(jī)在這嗎？），語音合成后將指令發(fā)送給IAP15W4K58S4單片機(jī)，單片機(jī)再對(duì)指令作出一系列處理之后，給SYN7318 中文語音交互模塊發(fā)送語音合成指令，使SYN7318 中文語音交互模塊通過揚(yáng)聲器播報(bào)出相應(yīng)的語音[11]。原理圖如圖5 所示。P2 為SYN7318提供5V 電源，TX、RX 是通訊口，SYN7318 通過TX、RX 與單片機(jī)相連。CHIPRST 端口為復(fù)位按鈕，R/B、REC 為語音模塊電源指示燈、通訊指示燈。

圖4 SYN7318 中文語音模塊

圖5 SYN7318 中文語音交互模塊原理圖

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

語音智能儲(chǔ)物柜由兩個(gè)儲(chǔ)物柜組成，每個(gè)儲(chǔ)物柜配置一個(gè)電機(jī)、兩個(gè)限位開關(guān)。儲(chǔ)物柜的進(jìn)出推動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)完成；當(dāng)電機(jī)到達(dá)預(yù)定位置，接通限位開關(guān)控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)用TB6612 FNG 驅(qū)動(dòng)[12]，如圖6 所示，電機(jī)接在AO 和BO 口，驅(qū)動(dòng)器PWM 脈沖由單片機(jī)產(chǎn)生，電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)通過AIN1、AIN2、BIN1、BIN2 端口實(shí)現(xiàn)。

圖6 TB6612 FNG 模塊電路圖

其中一個(gè)儲(chǔ)物柜為單物品儲(chǔ)物柜，另一個(gè)為多物品儲(chǔ)物柜，可存儲(chǔ)多個(gè)物品。儲(chǔ)物柜是否有物品由壓力傳感器判斷，壓力傳感器（HX711AD 模塊）安裝在儲(chǔ)物柜里面，當(dāng)有物品存入時(shí)判別是否存入，當(dāng)取出某物時(shí)判別某物是否取出或者儲(chǔ)物柜是否為空，將該儲(chǔ)物柜的狀態(tài)發(fā)給IAP15W4K58S4 單片機(jī)。

2.5 顯示反饋系統(tǒng)

儲(chǔ)物柜的貨物狀態(tài)使用OLED 顯示屏進(jìn)行顯示，使用IIC（4SPI、3SPI）型號(hào)。當(dāng)儲(chǔ)物柜存儲(chǔ)物品時(shí)，OLED 將在存儲(chǔ)的位置標(biāo)注上該物品的名稱；當(dāng)取物品時(shí)，如果該物品已經(jīng)完全被取出，OLED會(huì)將該物品所儲(chǔ)存位置與名稱清除。其原理圖如圖7 所示。

圖7 0.96 寸OLED 模塊原理圖

為了方便使用者快速了解物品所在位置，還設(shè)計(jì)了一位數(shù)碼管顯示。當(dāng)使用者使用語音智能儲(chǔ)物柜的存儲(chǔ)、查詢、取物等功能時(shí)，搜索到的物品所在儲(chǔ)物柜的編號(hào)將在數(shù)碼管中閃爍5 秒。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)微處理器采用IAP15W4K58S4 單片機(jī)，編程采用模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)程序由主程序和一系列的子程序構(gòu)成。主程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化及各子程序的調(diào)用[13]。各子程序包含有串口初始化、語音合成、存物、取物、顯示、查詢物品、語音播報(bào)等程序，主程序流程圖如圖8 所示。

圖8 主程序流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

硬件電路搭好后，將編好的程序錄入IAP15W4K58S4 單片機(jī)，通電對(duì)兩個(gè)柜子進(jìn)行測(cè)試。語音輸入“百靈”，進(jìn)行語音初始化，即喚醒功能，語音識(shí)別模塊通過揚(yáng)聲器，以聲音的形式播出喚醒語音段及提示，麥克風(fēng)采集到語音后經(jīng)過合成串口傳遞給單片機(jī)后，控制儲(chǔ)物柜及顯示模塊動(dòng)作，從而完成語音存物、語音取物、語音查詢。通電測(cè)試播報(bào)和OLED 屏顯示內(nèi)容如表1 所示。多次測(cè)試的成功率如表2 所示。

表1 儲(chǔ)物柜功能測(cè)試

表2 通電測(cè)試成功率一覽表

由測(cè)試結(jié)果可知，語音儲(chǔ)物動(dòng)作靈敏，語音指令識(shí)別率達(dá)94%，存物取物和語音查詢準(zhǔn)確率高，均值達(dá)95.56%，語音交互存取方便，語音查詢快捷高效。

5 結(jié)語

本文介紹了應(yīng)用單片機(jī)結(jié)合語音芯片進(jìn)行語音控制的方式來實(shí)現(xiàn)物品的存取，查詢，具有語音交互簡單，存取便利、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。系統(tǒng)以SYN7318 語音芯片為語音交互核心，對(duì)麥克風(fēng)傳入的語音詞條與命令進(jìn)行語音識(shí)別、語音合成后，與IAP15W4K58S4 單片機(jī)控制芯片進(jìn)行通信，通過串口進(jìn)行語音數(shù)據(jù)的傳遞，從而控制電機(jī)拖動(dòng)儲(chǔ)物柜進(jìn)出，實(shí)現(xiàn)物品的存儲(chǔ)，并記錄存儲(chǔ)的物品名稱和存儲(chǔ)的位置，在OLED 屏上實(shí)時(shí)顯示，數(shù)碼管輔助閃爍顯示物品存儲(chǔ)的位置。當(dāng)語音查詢物品時(shí)，儲(chǔ)物柜也能進(jìn)行語音播報(bào)，并閃爍顯示查詢物品所在的位置。經(jīng)過多次測(cè)量，儲(chǔ)物柜性能穩(wěn)定，使用效果較理想。如果升級(jí)語音系統(tǒng)，加入聲紋檢測(cè)，使儲(chǔ)物柜可判別每個(gè)人的聲紋即可增加其安全性，防止物品被盜。