基于XS128系統的智能床頭燈的設計

徐 航 王立峰 徐振鋒 楊俊強 施怡亭 仲相宇

(東北林業大學，黑龍江哈爾濱 150040)

1 引言

隨著社會的發展，智能家居已步入人們的生活，而床頭燈已是千家萬戶的必需品，但目前床頭燈功能較單一，遠遠滿足不了人們生活的需要。根據有關數據顯示，大多數人因生活節奏快，工作壓力大而面臨難以入睡的問題，因此，一款能夠助眠的智能化床頭燈應運而生，其不但能夠隨時應答報時，顯示臥室環境，具有智能鬧鐘的語音溫馨提示與贊美和夜晚助眠功能，還內置有防輻射的手機存放處，使人們生活多姿多彩，增添了無限情趣。

2 系統方案的設計

該方案整體結構框架如圖1所示，由信號采集、信息處理、執行操作組成，基于單片機對上述三部分進行協調控制，其中信息采集部分包括語音識別模塊、人體紅外識別模塊和監測模塊;信息處理包括核心控制模塊單片機和語音識別芯片;執行操作部分包括鬧鐘模塊、音樂模塊、電子催眠模塊和PWM照明模塊。床頭燈實時采集語音信號、人體熱釋紅外信號、溫濕度及監測有害氣體，并將信息傳遞至單片機分析處理，然后由執行操作實現語音交流與控制照明、電子催眠、溫濕度顯示及有害氣體警示。

圖1 整體結構框架圖Fig.1 The frame of the overall structure

3 相關硬件模塊的設計

3.1 核心控制模塊的設計

核心控制模塊采用飛思卡爾公司的MC9S12XS128單片機。XS128是16位單片機，由16位中央處理單元 (CPU12X)、128KB程序Flash、8KB RAM、8KB數據Flash組成片內存儲器。利用內部PLL鎖相環可達100M主頻，滿足了處理信息的時效性。如圖2所示，利用串行外設接口SPI模塊控制液晶，顯示出時間、溫度、濕度和調節信息，利用周期中斷定時器模塊PIT進行相關時間的準確控制，利用模數轉換模塊ADC通道分別進行溫濕度模擬信號的轉化，脈沖寬度調制模塊輸出 PWM波控制燈光的亮暗，讀取輸入 輸出數字I O口高低電平獲取語音芯片相關信息。這款芯片通過Freescale CodeWarrior軟件編寫代碼并編譯，經過USBDM燒寫，從而實現對其他各個功能模塊的控制與相互協調，而且還可以對其進行在線調試。

圖2 各模塊結構框架圖Fig.2 The frame of each module structure

3.2 人體紅外模塊的設計

該模塊采用采用德國原裝進口LHI778探頭和BISS0001信號處理IC制作而成，感應模塊在人體進入其感應范圍則輸出高電平，人離開感應范圍則自動延時關閉高電平，輸出低電平，并且可設置光敏控制，白天或光線強時不感應，還可旋轉距離電位器，調節其感應距離。并且可設置觸發方式:即感應輸出高電平后，在延時時間段內，如果有人體在其感應范圍活動，其輸出并將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變為低電平。人體熱釋紅外模塊的相關參數見表1。

表1 人體熱釋紅外模塊相關參數Table 1 The related parameters of pyroelectric infrared module

3.3 語音模塊的設計

語音識別模塊采用LD332X語音識別芯片和W25P40Flash存儲芯片，運用主控芯片XS128處理后實現聲音控制和人機語音交流的功能。LD332X系列是ICRoute生產的基于非特定人語音識別 (SI-ASR:Speaker-Independent Automatic Speech Recognition)技術的語音識別 聲控芯片。該系列芯片上集成了高精度的A D和D A接口，提供了真正的單芯片語音識別解決方案，從而輕松實現語音識別 聲控 人機對話功能。為擴充語音識別內容，特增加W25P40flash存儲芯片進行擴充外置語音內存。該模塊還可修改語音模塊的口令觸發模式，當口令識別正確之后，才能識別控制語音指令，以便減小模塊語音識別的錯誤率，提高語音識別的準確性。

3.4 防輻射模塊

該模塊為物理結構，采用銀纖維材料包裹住床頭燈底座的手機存放處，達到減弱手機輻射的效果。因電磁波在良導體中衰減很快!把由導體表面衰減到表面值的1 e(約36.8)處的厚度稱為趨膚厚度(又稱透入深度)，用d表示，其中μ和σ分別為屏蔽材料的磁導率和電導率。若電視頻率f=100 MHz對銅導體 (σ =5.8 ×107 Ω·m，μ≈μ0=4π ×10－7H m)可求出d=0.00667mm，可見導體的電磁屏蔽效果顯著。銀纖維是通過特殊技術，將一層純銀永久的結合在纖維表面上所得的高科技產物。這種結構不僅使銀纖維具有導電性抗輻射的屬性，而且完全無一般化學性產品之毒副作用。

3.5 空氣質量監測模塊

該模塊主要采用溫度傳感器PT100、濕度傳感器SHT11以及空氣質量傳感器MQ125進行臥室空氣信息采集，并經過濾波放大電路進行處理而實現其準確監測空氣質量的功能。MQ135廣泛應用于各種空氣凈化裝置和小家電產品，且對酒精、香煙、氨氣、硫化物等各種污染源都有極高的靈敏度，產品響應時間快、工作穩定、價格便宜、低功耗、長壽命、應用簡單。

圖3是MQ135(典型值)的靈敏度特性曲線，用傳感器電阻和氣體濃度之間的關系體現這種靈敏度特性。傳感器阻值減少與氣體濃度增加之間呈現對數關系。靈敏度特性通過傳感器阻值變化率 (在10ppm氫氣和在空氣中之間)表示。

圖3 靈敏度特性Fig.3 Sensitivity characteristics

圖4 是MQ125傳感器的標準工作電路。傳感器阻值 (Rs)變化體現在可調或定值負載 (Rl)上電壓的變化。為了得到最好的工作特性，加熱器電壓(Vh)、工作電壓 (Vc)和負載 (Rl)必須符合標準工作條件。

4 相關軟件的編寫

圖4 MQ135電路圖Fig.4 The circuit diagram of MQ135

本產品中用到飛思卡爾公司的MC9S12XS128單片機，如圖5所示系統整體分為兩部分，即語音命令獲取、執行和空氣質量信息的采集、處理。系統初始化后，主控芯片實時掃描語音信號所接8個普通I O引腳的電平狀態，獲取對應的語音命令和采集空氣質量的相關模擬信號，經過A D轉化后與閾值進行比較，并將轉化后的數字量處理后顯示到液晶屏上。若語音芯片LD3320采集到語音信息并被主控芯片識別后，則進入工作狀態:①當接收到“晚安”的話語后，主控芯片識別為夜晚模式，執行催眠措施，并開啟夜晚自動開燈功能;②當接收到“早上好”的話語后，播放清新音樂，對人進行贊美;③當識別出情感語音 (如:“好累呀”、“郁悶呀”等)時，主控芯片根據A D轉化的平均值粗略判斷語氣并搜集W25P40Flash存儲芯片內對應的話語，進行播放回答并控制彩燈進行對應的閃爍。若判斷空氣質量的相關參數大于閾值時，播放警示提醒語音，如: “請開窗通風”、 “空氣好干呀”、“熱死了熱死了”等。

圖5 整體軟件流程圖Fig.5 The whole software flow chart

5 具體功能的實現

(1)智能控制及語音交流功能中，當接收到語音芯片識別出“開 (關)燈”、 “來點音樂”等語音后產生脈沖信號，通過主控芯片根據當時模式不同而控制相應I O引腳高低電平信號的變化，從而控制ULN2003達林頓管的通斷實現對應設備的開啟與關閉。人機語音交流中，通過LD3320芯片識別語音后，播放回復語音，從而實現人機的簡單對話和贊美，使人精神愉悅，充滿自信。

(2)夜晚自動感應開燈功能中，當單片機識別為夜晚模式后，通過熱釋人體紅外傳感器判斷是否周圍有人，為防止誤判夜間人要起床，采用分時掃描的方法，持續有信號后單片機輸出占空比由小到大的PWM波才使燈光逐漸變亮，實現夜間床頭燈的自動開啟與關閉，為人們夜間起床提供了極大的方便。

(3)數字智能鬧鐘功能，當語音芯片LD3320識別“幾點了”的聲音信號后，通過單片機讀取此時時間，并用揚聲器報出時間，實現隨時應答報時，以及運用按鍵和液晶等人機交互裝置對時間校準與定時。

(4)室內環境監測功能，使用溫度濕度傳感器，有害氣體敏感元件產生模擬電壓信號，通過放大器電路后接到單片機的A D轉化引腳，實現8位精度轉化后與所設閾值進行比較后判斷是否警示，并實時將數據顯示到液晶屏上，以便人了解到此時空氣質量信息。

(5)防手機輻射功能通過在床頭燈底座設置手機存放處，采用防輻射復合材料 (銀纖維)進行包裹，人們睡覺時將手機放入底座中以減少輻射，免去了夜晚關機卻擔心有急事，開機卻擔心輻射的憂慮。

(6)電子催眠功能采用嗅覺、聽覺、視覺三方面結合實現:①音樂模塊根據外部設置播放廣播或者催眠音樂，從聽覺上營造一種舒適的氣氛;②單片機輸出頻率為10KHz的PWM波，通過占空比的不同經過LM324積分電路產生1～5V高低不同的電壓，進而控制燈光的亮暗，有規律的燈光亮暗變化可以促進人們睡眠;③主控芯片開啟定時中斷使控制電風扇的引腳產生20s的高電平，從而開啟繼電器使工作電壓為DC5V功率為4W電機工作將床頭燈底座內的香料 (薰衣草)微粒吹到空氣中，進而使人們迅速進入睡眠狀態，達到預期的效果。

6 結束語

作為一款新型人性化的智能床頭燈，技術上利用各個功能模塊的結合增加了許多新功能，本需要很復雜操作才能完成的功能，說句話就能實現，從而可以使用戶體驗更加優越的服務，所以推廣應用相信也非常容易。其外形低調華麗，無需多余的裝飾就可以體現簡約實用的特點，而市面上一個只具有基本功能的床頭燈價格不菲，所以與之相比大多數用戶必定會選此款功能更齊全的床頭燈，所以其經濟效益非常不錯。整體來看，該設計將創意新穎、功能齊全、人性化等優點集于一身，既符合現在的智能人性化要求，又能滿足現在人們的生活要求，是現有床頭燈一個飛躍，具有廣闊的市場需求和市場前景。

致謝:本文作者特對宋文龍院長及相關老師致誠懇謝意。

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