帶語音識別的家居無線控制系統

桂林電子科技大學　全劉輝

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帶語音識別的家居無線控制系統

桂林電子科技大學全劉輝

【摘要】針對人們對家居智能化日益增長的需求，本課題提出一種嵌入式家居控制系統解決方案，使用語音控制器對室內家電進行掌管，同時需要通過無線收發模塊進行通信控制。

【關鍵詞】嵌入式；語音控制；無線

0　引言

在當今的日常生活中，智能化是一個離不開的概念，智慧城市、智慧家庭等等概念相繼出現，伴隨著生活節奏越來越快，人們對家居也向著簡單方便實用的需求發展，在傳統的家居中，電器必須手動操作，也必須在安裝開關的位置操作，這樣既麻煩又有安全隱患，已經不符合當下人們對生活的要求。單片機作為一項成熟的技術在現在各領域得到了廣泛的應用，以單片機為核心的嵌入式智能化家居系統可以解決遠程無線語音操控家庭設備的任務。

1　國內外研究現狀

智能家居系統在我國經歷了約六年的起步，發展速度較慢，原因主要是沒有對智能家居系統足夠的重視，導致沒有足夠的資金投入，沒有成熟的技術。但是，我國于2014年提出了智慧城市的概念，家電企業已經圍繞智能化建立了很多智能軟、硬件開發團隊并且建成了全國3107個智能體驗中心大力推進“智能家居”的概念，為用戶帶來了前所未有的智能體驗。可以預見，未來我國的智能化家居發展將會呈現一片欣欣向榮的態勢。

美國，加拿大，歐洲，澳大利亞等發達國家和地區進入智能家居市場比較早，而且介入此市場的企業越來越多，比如微芯科技、SII等建立了嵌入式因特網同盟用以專門擬定有關的準則，而微軟、三星等企業很早就開始進行智能家居系統與終端的開發。

2　系統概述

本設計旨在設計一個嵌入式智能化家居系統的終端，本設計以STC系列的STC89C52RC和STC12C5A60S2為核心，分為主機和從機兩部分，主機依靠語音識別裝置LD3320對命令語音進行識別傳入單片機，經由單片機處理后由無線發送模塊NRF24L01將處理好的指令發送出去，從機由無線接收模塊NRF24L01接收語音命令轉化成的相應信號，然后傳入從機的單片機，由單片機輸出指令控制相應的電器開關，達到無線語音控制家居的目的。本設計實現后可以使有線通信距離在10米以內，2.4GHzISM頻段上由語音控制家居。可以大大的解放人們的雙手，實現由“隨手關燈”向“隨口關燈”的邁進， 相信可以在日常生活及其他領域中發揮巨大的作用。

3　系統各模塊電路及接口協議

3.1語音識別模塊LD3320

傳統的語音識別的大致過程包含兩部分：訓練階段和識別階段。在任何階段都要對輸入的語音提取特征和預處理。訓練階段由用戶多次輸入可以用于訓練的語音，提取訓練語音特征然后進行預處理可以得到特性參數，然后用特性參數建模并建立訓練語音參考模型庫。識別階段是輸入語音的特性矢量參數與參考模型庫中的參考模型進行相似度比較，識別語音輸出的結果為比對后最相似的輸入特性矢量。識別原理如圖1所示：

圖1　語音識別原理圖

根據識別對象的類型，語音識別可以分為兩類分別為非特定人語音識別和特定人語音識別，非特定人指識別對象是大多數人，特定人指識別對象是一個特定的人，為了達到較高識別率的目的，需要采集大量語音進行錄音并對芯片進行訓練。語音識別系統由單片機控制，LD3320芯片和相關電路負責識別語音的工作。

在本設計中，只需要對主控單片機編程，使其讀寫芯片寄存器就可以控制語音識別模塊。首先設置寄存器對芯片進行初始化，然后通過設置寄存器把需要識別的關鍵詞或句子的拼音串傳入LD3320芯片中，之后使寄存器控制芯片開始啟動一次識別過程，此時麥克風開始采集聲音，主控單片機以中斷的形式得到識別結果，這樣就能從特定的寄存器中讀取到結果。

3.2FLASH芯片電路

主機中的FLASH芯片主要用于存儲系統語音播放音頻文件，芯片型號為W25X32，W25X16系列FLASH芯片可以解決用戶的儲存問題，有功耗低、引腳少、占用空間小特點，較傳統串行FLASH芯片性能更加出色。

3.3無線收發模塊NRF24L01電路

本設計使用NRF24L01芯片用于主從機收發數據，NRF24L01是由NORDIC公司推出的具有無線通信功能，采用GFSK調制的微型芯片，實現起來較為簡單，抗噪與抗衰減能力較強。由于從機需要無線接收由主機發來的信號，所以從機上的無線接收模塊NRF24L01具有接收功能，引腳CE為芯片模式控制線，SPI時鐘線在引腳SCK，引腳MISO為芯片控制數據線采用主入從出的模式，引腳CSN為芯片的片選線，引腳MOSI為芯片主出從入的控制數據線，引腳IRQ為中斷信號，在無線通信中單片機使用SPI協議與無線模塊NRF24L01的IRQ腳進行數據交換。

本設計使用無線收發芯片的Enhanced ShockburstTM收發模式。在此模式下，利用片內先入先出堆棧區，以低速送入微控制器的數據，以1Mbps的高速率發射。在片內高速進行與射頻協議有關的所有信號處理，這種方法具有節能，成本低(低速度的微處理器也可以高速射頻發射)、抗干擾性較好等特點，同時使系統的平均工作電流降低。在Enhanced ShockBurstTM中，無線通信芯片能夠對循環冗余碼進行自動處理并且對字頭進行處理，在接收數據中，除去字頭和循環冗余校驗碼，在發送數據中，又自動加上。NRF24L01的狀態機主要有5種：掉電狀態、發射(TX)狀態、接收(RX)狀態、待機1模式和待機2模式。對芯片的固件編程基本流程如下：(1)使CSN=0，使能芯片，配置芯片參數在掉電模式下進行；(2)如果為發射模式，就需要填充TXFIFO；(3)完成配置以后，確定芯片切換到狀態可通過CE和CONFIG，CONFIG中主要是以下兩個參數：發射模式：PWR_UP=1；PRIM_RX=0(需要超過10us)、接收模式：PWR_UP=1；PRIM_RX=1；CE=1；(4)IRQ引腳變低的三種情況：TXFIFO發送完成且接收到確認字符、RXFIFO收到數據、達到最大重發次數。外部中斷輸入引腳連接IRQ，通過中斷進程處理。

3.4串行外圍設備接口（SPI）協議

Serial Peripheral interface，通常縮寫為SPI，即串行外圍設備接口，是摩托羅拉(Motorola)公司首先在其MC68H系列上創立的，是一種全雙工，高速，同步的通信總線，在芯片管腳只用四根線，為PCB布局節省空間并節約芯片管腳。具有簡單易用的特性。

SPI以主-從的形式工作，此形式需存在一個主設備以及至少一個從設備，需要數據輸入(SDI)、數據輸出(SDO)、片選(CS)、時鐘(SCK)4根線。SPI的主要特點有以下三種：

(1)采用主從控制方式。

如果兩個SPI設備之間如果需要通信，需經由主機來控制從機，一個主機能夠通過時鐘并對從機片選來控制多個從機，SPI協議還規定從設備的時鐘由主設備通過SCK管腳提供，從設備不能控制和產生時鐘，沒有時鐘則從設備不能正常工作

(2)數據交換。

SPI協議規定一個設備不能僅僅在相互通信中只扮演發送者或接收者的角色，在每個時鐘周期里，SPI設備都會發送并且接收一個字節大小的數據，相當于交換該設備一個字節大小的數據，主機必須對從機進行訪問才能使從機接收到主機傳來的控制信號，所以主機設備必須經由SS/CS 引腳片選從機設備，把需要訪問的從機設備選上。

(3)采用同步方式進行數據傳輸。

時鐘脈沖是在設備間進行交換數據的操作時產生并組成時鐘信號保證主、從設備之間同步傳輸。時鐘相位和極性控制接收到數據的采樣時間并掌控著主、從設備之間的數據交換時間。

4　結論

本設計以單片機為核心，采用語音識別，無線通信的方式實現對家用電器控制，采用STC系列單片機，NRF24L01無線收發芯片和LD3320語音識別模塊的設計，整體設計簡單精致，電路簡單，成本低廉，性能較穩定且符合時下節能的主流概念。經過調整優化后的設計語音識別率95%以上，能夠支持模糊音識別。無線收發模塊的工作頻率在2.4GHZ的ISM頻段，收發距離實測在空曠的室外為13米。

參考文獻

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全劉輝（1987—），男，桂林電子科技大學碩士研究生，主要研究方向為無線通信。

作者簡介：

基金項目：此文為2014年大學生創新創業訓練計劃項目研究成果“項目名稱《基于手機終端控制的嵌入式無線顯示系統》（項目編號：201413644005）”。