基于AI語音識別芯片的水電站檢修小燈設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宗和剛，沈唯羽，安美惠，王 偉，趙頻嫣，張永懿

（華能瀾滄江水電股份有限公司烏弄龍·里底水電廠，云南 迪慶 674606）

0 引言

隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化產(chǎn)品在日常生活中得到越來越廣泛的應(yīng)用。比如：智能家居、智能音樂播放器、智能電視、智能玩具等等，都是生活中比較常見的智能化產(chǎn)品[1]。而這些智能化產(chǎn)品有一個(gè)共同特點(diǎn)就是都能通過智能語音系統(tǒng)進(jìn)行交互[2]。構(gòu)成智能語音系統(tǒng)的主要元件是語音芯片，由于語音芯片市場需求的不斷擴(kuò)大，應(yīng)用場景的不斷擴(kuò)充，帶來了AI語音芯片的快速發(fā)展[3]。

1 設(shè)計(jì)背景

在電力行業(yè)中，為了預(yù)防觸電，對帶電盤柜的檢修，安全措施一般都是需要將柜內(nèi)的電源斷開，包括柜內(nèi)照明電路的電源。此時(shí)，盤柜內(nèi)的亮度不夠，檢修人員在柜內(nèi)作業(yè)極其不便，還有可能導(dǎo)致誤碰、誤操作與檢修無關(guān)的設(shè)備，后果不堪設(shè)想。

為了解決這個(gè)問題，目前常用的有兩種方式，第一種是使用便攜手電筒，一個(gè)人打光，一個(gè)人檢修，需要至少兩人配合工作；第二種方式是在檢修人員的安全帽上安裝一個(gè)頭燈，檢修人員檢修時(shí)，需要先手動(dòng)按下頭燈按鈕打開頭燈，當(dāng)需要改變亮度時(shí)，還要用手去按動(dòng)頭燈上的按鈕進(jìn)行調(diào)整，使用完頭燈之后，需要手動(dòng)按下頭燈上的按鈕關(guān)閉頭燈，這個(gè)過程都需要手動(dòng)操作，有些時(shí)候兩只手都在檢修設(shè)備，就需要停下手中的工作去開關(guān)和調(diào)整頭燈，極不方便。

鑒于此計(jì)劃設(shè)計(jì)一款便攜式的智能小燈，小燈通過智能語音芯片進(jìn)行控制，工作人員通過簡單的指令（比如：開燈、關(guān)燈、變暗一點(diǎn)、變亮一點(diǎn)）來控制小燈的開關(guān)和亮度，解放雙手，給檢修工作的安全性和方便性帶來保障。

2 設(shè)計(jì)原理

檢修小燈的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由3部分組成：①電源電路；②語音采集電路；③LED顯示電路。電源電路為語音采集電路及檢修小燈供電，語音采集電路根據(jù)采集到的語音指令，驅(qū)動(dòng)LED顯示電路進(jìn)行開關(guān)操作和亮度調(diào)整。

圖1 檢修小燈電路結(jié)構(gòu)圖

2.1 電源電路

電源電路負(fù)責(zé)為檢修小燈提供穩(wěn)定可靠的電力支持。一般可采用鋰電池或可充電電池作為電源，通過電源管理電路實(shí)現(xiàn)對電池電壓的監(jiān)測和管理，以確保電源的穩(wěn)定供應(yīng)。

本次設(shè)計(jì)主要使用的是SY3501芯片，它是一款專為移動(dòng)電源設(shè)計(jì)的單芯片IC解決方案，是高度集成了充電管理模塊、LED電量顯示模塊、同步升壓放電管理模塊的移動(dòng)電源管理芯片，極大的簡化了外圍電路與元器件數(shù)量。針對大容量單芯或多芯并聯(lián)鋰電池(鋰離子或鋰聚合物) 的移動(dòng)電源應(yīng)用，提供最簡單易用的低成本解決方案。適用于低功耗項(xiàng)目供電，體積小巧布局緊湊，可以很容易地嵌入設(shè)計(jì)中。電源電路又可以細(xì)分為4個(gè)模塊，如圖2所示：①外部供電模塊；②鋰電池充放電模塊；③LED電量指示模塊；④同步升壓放電管理模塊。

圖2 電源電路原理圖

（1）外部電源模塊：它包含型號為TypeC-6P的元件USB1，電阻R1和電容C2，USB1的引腳1和6是接地端，短接在一起，引腳2和5短接后串聯(lián)電阻R1和電容C2后返回引腳1，引腳3和4懸空不接，外部供電時(shí)通過引腳5和1進(jìn)行輸入，然后輸出給移動(dòng)電源芯片SY3501供電。

（2）鋰電池充放電模塊：它包括型號為單節(jié)18650電池座的元件U3和電容C4；電池的正極出來，接電容C4，最后接地；正常使用的時(shí)候，在電池座內(nèi)安裝上鋰電池，安裝時(shí)要特別注意電池的正負(fù)極，接反了可能會(huì)損壞元器件。

（3）LED電量指示模塊：這里設(shè)置了兩只LED燈，一只綠燈，一只紅燈。LED_R是紅燈，和U2的引腳5連接，LED_G是綠燈，和U2的引腳6連接。綠燈閃爍代表正在充電；綠燈常亮代表充電完成；紅燈常亮代表正在放電；紅燈閃爍代表電量不足。

（4）同步升壓放電管理模塊：它包括型號為SY3501的移動(dòng)電源芯片U2，電阻R2，電容C3和電感L1。U2的引腳1出來分兩路，一路串聯(lián)電阻R2和電容C3后接地；一路串聯(lián)電感L1后接到單節(jié)18650電池座的正極；鋰電池采用單節(jié)18650電池進(jìn)行供電，單節(jié)電池容量高達(dá)1 500 mA·h，可供燈珠長時(shí)間使用。U2的引腳2為接地端與USB1的引腳1相連，引腳3接單節(jié)18650電池座的正極，引腳4與USB1的引腳5相連，當(dāng)外部電源通過USB1輸入時(shí)，U2也就得電了。U2的引腳5和引腳6分別接到LED電量指示模塊的LED_R端和LED_G端，U2的引腳7懸空不接，U2的引腳8為同步升壓輸出端，輸出+5 V的電壓，給語音采集電路供電。

2.2 語音采集電路

語音采集電路是實(shí)現(xiàn)語音指令控制的核心部分。該電路需要一個(gè)麥克風(fēng)用于接收用戶的語音指令，并將語音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。接著，數(shù)字信號會(huì)經(jīng)過信號處理模塊，進(jìn)行特征提取和語音識別，識別出用戶的指令。最后，根據(jù)識別結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，以控制小燈的開關(guān)和亮度。

語音采集電路原理如圖3所示，采用宏芯達(dá)型號為HXD016S的語音控制芯片U1，它支持多條語音指令，包括但不限于：調(diào)亮一點(diǎn)、亮一點(diǎn)、調(diào)暗一點(diǎn)，暗一點(diǎn)、開燈、打開電燈、回來了、關(guān)燈、關(guān)閉電燈、睡覺了、出去了等。它的外圍電路包括元件：電容C5、C6、C7、電阻R4、開關(guān)KEY1以及駐極體話筒U6。U1的引腳1/5/6/7/8/11/12/16是懸空的，引腳2出來分兩路，一路通過電阻R4與開關(guān)KEY1相連，最后接到電源芯片U2的引腳8，由引腳8向外提供+5 V電源，另一路，通過電容C7之后接到GND端，U1的引腳3通過電容C6之后接到GND端，U1的引腳4接到LED顯示電路的B端，U1的引腳9和10分別接到LED顯示電路的G端和R端，U1的引腳13串聯(lián)駐極體話筒U6然后接到GND端，U1的引腳14直接接到GND端，U1的引腳15通過串聯(lián)C5之后接到GND端?？刂芁ED顯示電路時(shí)，在18650電池座內(nèi)安裝上電池，打開開關(guān)KEY1給語音控制芯片U1供電，然后，對著駐極體話筒U6說話，即可控制LED顯示的亮度以及LED的開關(guān)。

圖3 語音采集電路

2.3 LED顯示電路

LED顯示電路負(fù)責(zé)控制LED燈的亮度和開關(guān)狀態(tài)。通過控制LED的電流大小，可以實(shí)現(xiàn)LED的亮度調(diào)節(jié)。而通過控制LED的開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)燈的開啟和關(guān)閉。

LED顯示電路如圖4所示，主要包括5個(gè)LED燈：LED3、LED4、LED5、LED6、LED7和一個(gè)串聯(lián)電阻R3。LED燈源采用的是高亮白色5050貼片LED燈，該光強(qiáng)可以達(dá)到5 500-6 000 Mcd（純白光，暖光的稍微小一點(diǎn)），工作電壓和普通的LED一樣，只需要3.2~3.4 V，電流也一樣，為60 mA。每個(gè)LED燈的R端和R端相連之后接到語音控制芯片U1的引腳10，G端和G端相連之后接到語音控制芯片U1的引腳9，B端和B端相連之后接到語音控制芯片U1的引腳4。LED3～LED7的陰極全部連接在一起，然后通過電阻R3接到GND端。

3 性能評估

對該檢修小燈的性能進(jìn)行評估。這個(gè)小燈的最大創(chuàng)新點(diǎn)在于采用了語音控制技術(shù)，可以通過簡單的語音指令來控制燈的開關(guān)和亮度。這種技術(shù)需要使用語音識別和語音合成技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)自然語言的語音交互[4]。另外，小燈采用了LED燈作為光源，具有低功耗、長壽命、高亮度等特點(diǎn)，可以提供明亮的照明效果。此外，還采用了PWM技術(shù)控制LED的亮度，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的亮度調(diào)節(jié)。

整個(gè)電路采用了數(shù)字集成電路和模擬集成電路相結(jié)合的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準(zhǔn)確的語音識別和語音合成，同時(shí)還能夠保證電路的穩(wěn)定性和可靠性。

通過實(shí)驗(yàn)測試，證實(shí)了語音指令控制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。用戶可以通過簡單的語音指令，靈活地控制小燈的開關(guān)和亮度，實(shí)現(xiàn)了雙手的解放。同時(shí)，該智能小燈的電源管理模塊能夠有效延長電池的使用壽命，提高產(chǎn)品的續(xù)航時(shí)間。基于語音指令控制的智能小燈為檢修工作提供了一種全新的解決方案，不僅提高了工作效率，還提升了工作的安全性。該技術(shù)還具有廣泛的應(yīng)用前景，在戶外探險(xiǎn)、露營等場景中也能發(fā)揮重要作用。

4 結(jié)語

本文成功設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于語音指令控制的智能小燈，通過簡單的語音指令可以實(shí)現(xiàn)燈的開關(guān)和亮度調(diào)節(jié)。該智能小燈的設(shè)計(jì)為檢修工作帶來了便捷和安全性，也展示了語音識別技術(shù)在智能化產(chǎn)品中的巨大潛力。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于語音指令的智能產(chǎn)品將在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。