一種通用學習型電視機語音控制系統的設計

蔣清鋒 趙偉亮 朱滬生

（上海理工大學醫療器械與食品學院實驗中心，中國 上海200093）

0 引言

據據中國殘聯統計，至2010年末中國有殘疾人8502萬，其中肢體殘疾為2472萬，占殘疾人總數的29.07%[1]，此外據《中國老齡事業發展報告（2013）》，截至2012年底，我國老年人口數量達到1.94億，比2011年增加891萬，占總人口的14.3%，因此眾多的肢體殘障人士及老年人對于能夠給他們生活帶來便捷的工具設備有著廣泛的需求。電視機作為普通的日常家電，對于豐富他們的精神生活有著重要的作用，但由于很多肢體重度殘疾患者及老年人因無法自己進行操作只能請求他人，因此無形中也增加了護理人員的負擔。隨著科技的進步，目前已有不少關于智能語音電視機的研究[2-3]，應該說在技術上能夠滿足這些殘疾人和老年人的需求，但另一方面這些新型電視機價格相對較高，而老年及殘障人士往往在經濟上并不寬裕，一般不太樂意去購買，而市場上眾多的電視機語音遙控器也是針對特定品牌的，并不具有通用性。

本文在總結現有語音控制技術的基礎上，結合萬能遙控器的設計原理[4-5]，設計出一款低成本、通用、具備學習功能的語音電視機遙控器，以滿足老年及殘障人士的需求，從而提高這些人群的生活質量。

1 系統框架設計

該學習型電視機無線語音控制系統，包括便攜式語音識別控制端，無線信號傳輸系統，遙控器學習控制端，紅外信號傳輸系統，整個系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

系統的工作模式包含學習模式、訓練模式和控制模式三種。

學習模式下用戶使用原有電視機遙控器，依次按下遙控器按鍵，遙控器的紅外信號通過紅外信號傳輸系統通過本系統遙控器控制端中的紅外信號接收模塊錄入到數據儲存模塊，即錄入遙控器按鍵的命令。

訓練模式下用戶根據語音識別控制端的提示音，發出控制命令，經語音識別模塊識別處理儲存在便攜式語音識別控制端的數據存儲模塊，即錄入遙控器按鍵的控制命令。

控制模式下用戶通過向便攜式語音識別控制端發出控制命令，通過控制端內部的語音識別模塊對控制命令進行處理，無線傳輸模塊接入無線信號傳輸網絡，遙控器學習控制端的無線接收模塊將接收到的經識別的控制命令接入紅外信號傳輸模塊，經紅外信號傳輸系統實現對電視機的控制，并且通過遙控器學習控制端的無線傳輸模塊接入無線信號傳輸網絡，將控制狀態傳遞給便攜式語音識別的控制端中無線信號接收模塊，再通過麥克風模塊實現控制狀態的語音反饋。

需要指出的是，便攜式語音識別控制端，包括語音信號處理模塊，數據存儲模塊，麥克風模塊以及無線信號傳輸接收模塊，終端既可以佩戴在用戶身上，也可放置在用戶居家環境中；而遙控器學習控制端，包括無線信號傳輸接收模塊、數據存儲模塊、紅外信號接收發射模塊，終端應放在靠近電視機正前方。

2 系統硬件電路設計

根據系統整體結構圖，將系統分成兩個部分，便攜式語音識別控制端和遙控器學習控制端。語音識別控制端的硬件電路主要包括語音微控制器（MCU）電路、數據存儲電路以及無線通信模塊電路；遙控器學習控制端的硬件電路主要包括微控制器（MCU）、紅外信號接收發射電路、無線通信模塊電路以及數碼管顯示電路等。在具體電路設計之前，必須根據系統處理器、無線通信頻率、信號要求強度、紅外載波頻率等來進行芯片選型。

2.1 便攜式語音識別控制端硬件設計

便攜式語音識別控制端采用語音芯片作為語音信號處理，語音識別的控制器；電可擦可編程只讀存儲器（EEPROM）作為語音信號數據的存儲和讀取模塊；麥克風和揚聲器分別作為語音信號的錄入和提示模塊；無線射頻收發芯片作為便攜式語音識別控制端與遙控器學習控制端的無線通信模塊。

語音芯片及無線射頻收發芯片選擇：

為了使語音芯片能處理所有本設計需要滿足的功能，本課題的語音芯片必須有較高的工作頻率，較多的I/O引腳以及模數轉換功能，故選用美國sensory的高質量語音芯片產品RSC4128，該芯片應用亦較廣泛[6-7]。

為了保證控制命令能通過無線信號的形式在便攜式語音識別控制端與遙控器學習控制端之間傳輸，本課題的無線射頻收發芯片需要穩定的傳輸頻段，較強的信號強度，較遠的傳輸距離，故選用由Nordic公司出品的單芯片無線收發芯片nRF2401[8-10]，工作于2.4GHz～2.5GHz的全球免申請頻率。

2.2 遙控器學習控制端硬件設計

遙控器學習控制端采用微控制器（MCU）作為控制模塊；采用無線射頻收發芯片作為遙控器學習控制端與便攜式語音識別控制模塊之間的無線傳輸模塊；采用紅外接收頭作為遙控器按鍵紅外信號的接收模塊；采用紅外發射頭作為按鍵紅外信號的發射模塊；采用數碼管和驅動芯片作為顯示模塊。

為了微處理器處理所有本設計需要滿足的功能，本課題的微控制器必須有較高的工作頻率，較多的中斷控制器和I/O引腳，因此，本課題選用美國TI公司生產的MSP430F149芯片作為系統的處理器。

3 系統控制軟件設計

與系統硬件電路對應，控制軟件的設計也分為相應的兩部分，即便攜式語音識別控制端軟件設計和遙控器學習控制端軟件設計。

3.1 便攜式語音識別控制端軟件設計

根據系統要求和原理圖的設計，便攜式語音識別控制端的軟件設計包括相關芯片的端口初始化，語音命令的錄入識別，無線信號的傳輸，無線反饋信號的驗證等等，程序框圖如圖2所示。

圖2 語音識別控制端程序設計框圖

圖3 遙控器學習控制端程序設計框圖

3.2 遙控器學習控制端軟件設計

根據系統要求和原理圖的設計，遙控器學習控制端的軟件設計包括相關芯片的端口初始化，遙控器按鍵紅外信號的接收和發射，數碼管顯示，無線信號的傳輸，無線反饋信號的驗證，如圖3所示。

4 系統測試

4.1 便攜式軟件識別控制端軟硬件測試

便攜式語音識別控制端的電路原理圖主要由語音識別芯片模塊、電源模塊、無線收發芯片模塊、代碼和數據存儲模塊、揚聲器模塊和麥克風模塊組成。測試功能如下：

a）用戶語音命令的錄入、讀取、識別的準確性；

b）電源模塊的功耗；

c）無線收發芯片模塊的無線通信功能；

d）代碼和數據存儲模塊的數據丟失問題；e）揚聲器和麥克風的發聲和語音錄入功能。

按照上述要求測試，結果顯示：語音命令錄入和讀取正常，識別準確率在90%左右；電源模塊的功耗在0.1W.H左右；無線收發芯片的數據通信距離在300m左右；代碼和數據存儲模塊不會出現數據丟失問題；揚聲器和麥克風正常。

4.2 遙控器學習控制端軟硬件測試

遙控器學習控制端采用微控制器（MCU）作為控制模塊；采用無線射頻收發芯片作為遙控器學習控制端與便攜式語音識別控制模塊之間的無線傳輸模塊；采用紅外接收頭作為遙控器按鍵紅外信號的接收模塊；采用紅外發射頭作為按鍵紅外信號的發射模塊；采用數碼管和驅動芯片作為顯示模塊。測試功能如下：

a）微控制器（MCU）模塊運轉情況；

b）無線收發芯片模塊的無線通信功能；

c）紅外接收頭對遙控器按鍵紅外信號的接收功能；

d）紅外發射頭作為按鍵紅外信號的發射功能；

e）數碼管的顯示功能。

按照上述要求測試，結果顯示：微控制器在8MHz外圍晶振的驅動下運轉正常；無線收發芯片的數據通信距離在300m左右；紅外接收頭可以對按鍵紅外信號進行解碼；紅外發射頭可以還原發射按鍵紅外信號；數碼管在驅動芯片的驅動下顯示正常。

5 總結和展望

系統經各項測試后各項指標能滿足使用要求，對于市場上各種品牌的電視機均能實現萬能控制，而且操作簡便，因此對于老年及肢體殘障人士具有良好的實用性。同時通過一定的改造，可以將此系統擴展至整個家居環境中的大部分電器，例如空調、電燈，甚至還可以加入嵌入式系統，將整個系統基于智能手機設計成控制軟件，實現語音觸控家居環境無障礙全方位控制，因此該系統具有良好的應用前景。

［1］中國殘聯(2012)25號文件[Z].

［2］李楊.基于智能語音識別的云電視系統設計[J].中國高新技術企業,2012：10-13.

［3］羅少鋒,陳銳.基于多點觸控及語音傳輸的智能電視遙控器[J].電視技術,2012,36(16)：33-34,83.

［4］江英才,曾璐.一種基于單片機的通用電視遙控器設計[J].科技廣場,2010,11：86-88.

［5］王永華,周衛,詹宜巨,等.一種通用學習型紅外遙控器設計與實現[J].廣東自動化與信息工程,2005,2：18-19.

［6］盧艷,黃云龍.一種語音識別聲控車模的設計[J].微計算機信息,2010,26(9-1)：200-202.

［7］李瑞峰,李麟.基于RSC4128的家用機器人語音人機交互系統的設計[J].制造業自動化,2007,29(10)：30-34.

［8］劉輝.基于nRF2401模塊的無線溫濕度采集系統設計與研究[J].無線互聯科技,2012：56-57.

［9］高振斌,王仁智,盧飛,等.基于無線通信技術的超短波電臺訓練模擬器[J].河北工業大學學報,2012,41(4)：19-22.

［10］汪義旺,張波,曹豐文,等.基于無線通信技術的FFU風機群控系統[J].計算機測量與控制,2012,20(7)：1858-1860.