基于LD3320語音識別和NRF2401無線通信的家居節能照明開關

北京聯合大學 李曉晗 李 峰 高鵬宇 逯瑜嬌 張翠霞

基于LD3320語音識別和NRF2401無線通信的家居節能照明開關

北京聯合大學 李曉晗 李 峰 高鵬宇 逯瑜嬌 張翠霞

在未來家居生活中，節能環保、智能可控制的家居開關將擔負著重要的角色，語音識別及自動控制也是未來對信息識別處理的發展方向。本項目將LD3320語音識別模塊、NRF2401無線模塊、光照紅外傳感器連接到嵌入式開發板STM32F103，傳感器采集到室內光照強度和人體信號后通過NRF2401無線模塊發送到控制器，控制器直接控制家庭中的照明燈，并在需要人為干預控制時使用LD3320語音識別模塊將語音指令通過無線發送到控制器，控制器根據接收到的指令控制照明燈，實現節能環保、智能方便的家居照明開關控制。

語音識別；傳感器；開發板；控制器

1.簡要介紹

1.1 研究意義

語音識別就是計算機通過識別把語音信號轉變為相應文本的技術，是人工智能控制和機器語言學習應用的一個重要方向，并發展成為一個具有前景廣闊、應用廣泛的新興高技術產業。

本系統研究開發的是一個既能自主控制調節、又能人為控制且能通過2.4G無線方式通訊的智能家居照明節能開關。當有人進入房間時，傳感器能檢測到有人進入房間，然后打開照明燈開關，并且能夠根據室內光照強度來調節其照明燈亮度；而當人們離開時又能夠自動關閉照明燈。當人們在室內活動時，也可以根據人們自己的意愿，通過語音識別無線遙控器控制調節照明燈開關及照明燈亮度。

1.2 研究的主要內容

當熱釋電紅外傳感器系統檢測到人后接通開關，整個系統被激活，電流通過光敏傳感器，光敏傳感器感受到不同強的的光照后生成電信號傳到單片機，單片機接收電信號并處理，最后控制照明燈點亮并調整亮度。在整個系統被激活后，語音識別模塊開始工作。給予語音模塊特定的聲音指令后，語音模塊將聲音轉化成特定指令，并通過2.4G無線通信網絡傳輸給執行指令模塊，如照明燈的開關和亮度調節、插排的開關和窗簾的開關。由于2.4G無線通信網絡全球通用，為避免信號干擾，需把無線通訊模塊NRF2401設置同一個ID地址。通過特定指令如“小杰”啟動語音識別模塊的識別功能，然后待法令人說出具體指令讓語音識別模塊進行識別。

1.3 設計創新點

①自動控制。節能照明開關能夠在人們進入房間時，傳感器能識別到人們進入房間并開始采集室內環境亮度信息，然后自動開啟照明燈并調節其亮度，使室內環境亮度符合人們的需求；同時在人們離開房間時，照明燈會自動關閉，達到節能環保的目的。

②人為可干預控制。在人們進入房間時，節能照明開關會自動開啟照明燈并調節其亮度，如果人們感覺亮度不能滿足需求，可以通過語音控制調整是否開啟照明燈和調節其亮度。

③無線傳輸信號。傳感器與控制器之間、語音識別模塊與控制器之間均使用了2.4G無線通信NRF2401模塊，不僅減少了室內的布線帶來的不安全與不方便，而且還使得傳感器模塊與語音識別模塊可以移動，方便人們根據自己的習慣調節位置

1.4 應用前景預測

本系統開發的可語音控制的無線家居節能照明開關可以被廣泛用于智能家居系統，實現了人們對家居照明環境的無線自動控制和人為控制兩種模式控制要求，給有殘障人士的家庭帶去了福音。可以將該系統加入互聯網，通過手機終端app來實現對家具電器的遠程控制，該app也可記錄用戶的使用習慣，智能調控家具電器，實現互聯網家具智能系統的搭建。

此外，本系統開發的產品也可用于高校實驗室，用于通信課程及智能硬件等相關課程的實驗教學，并進行二次研發，進一步拓寬該項目的應用范圍。

2.元器件簡介與設計

2.1 傳感器

光傳感器是目前產量最多、應用最廣的傳感器之一，它在自動控制和非電量電測技術中占有非常重要的地位。最簡單的光敏傳感器是光敏電阻，其特點：①應用時反向偏置連接；②沒光照射，呈現極高阻值；③有光照射時，電阻減小；④可作光控開關。光敏傳感器模塊工作電壓為+5V，具有數字量電平信號和模擬量電平信號輸出，在使用過程中，可以根據需要，選擇數字量電平信號或模擬量電平信號。光敏傳感器中最簡單的電子器件是光敏電阻，它能感應光線的明暗變化，輸出微弱的電信號，通過簡單電子線路放大處理，可以控制LED燈具的自動開關。因此在自動控制、家用電器中得到廣泛的應用，對于遠程的照明燈具，例如：在電視機中作亮度自動調節，照相機種作自動曝光；另外，在路燈、航標等自動控制電路、卷帶自停裝置及防盜報警裝置中等。

同理，人體紅外傳感器也是這個原理，只不過輸出的不再是模擬量，而是數字量，當檢測到室內有人時為高電平，反之則為低電平。本項目應用光敏傳感器和人體紅外傳感器如下圖2.1、圖2.2所示。

圖2.1 光敏傳感器

圖2.2 人體紅外傳感器

2.2 語音模塊簡介及設計

語音識別過程中需要解決這樣幾個關鍵性問題：①非特定人語音識別；②抗環境噪聲能力；③連續語音識別；④語音間的高混淆。本項目中的語音識別就是要能對家庭中每個人的語音指令進行識別，且對外界環境噪聲干擾有一定的抵抗力，不能受其影響而錯誤識別并執行。

2．2．1 無線通訊模塊NRF2401

該模塊提供了系統的驅動程序文件nRF2401.c和配置文件nRF2401.h，包括模塊的初始化、配置、數據發送、數據接收等函數。無線通訊模塊NRF2401在使用其發送或接收數據前，都需要對其進行“接收”“發送”模式選擇和初始化，而一旦選擇了模式并初始化后，在系統中就只能進行接收或發送工作，單工模式工作，不能實現模塊間相互交流。為了使其為半雙工模式工作，我們采取了在主函數內進行模式選擇與初始化，這樣在接收到數據后就將模塊初始化為發送模式，這樣就能夠實現半雙工模式工作，也能夠使得各模塊之間都能進行數據交流。無線通訊模塊NRF2401硬件示意圖如下圖2.3所示，本項目所采用的無線通訊模塊NFR2401如下圖2.4所示。

圖2.3 硬件模塊示意圖

圖2.4 無線通訊模塊NFR2401

2．2．2 LD3320語音識別模塊

語音識別ASR技術，是基于關鍵詞語列表識別的技術，只需要設定好要識別的關鍵詞語列表，并把這些關鍵詞語以字符的形式傳送到LD3320內部，就可以對用戶說出的關鍵詞語進行識別，不需要用戶做其他錄音訓練。每次識別的過程，就是用戶說出的語音內容，通過頻譜轉換為語音特征，再和這個關鍵詞語列表中的條目進行一一匹配，最優匹配的一條將作為識別結果。本項目采用的LD3320語音識別模塊如圖2.5所示。

圖2.5 語音識別模塊

3.系統主要流程

3.1 各分立模塊的工作流程

①光敏電阻：隨著光照強度的改變光敏電阻阻值發生變化，當通過恒定電流時，輸出電壓會隨著阻值變化而線性變化，即輸出電壓隨環境光照強度變化而線性變化，通過ADC采集電壓值即可得知相對環境亮度，進而控制智能燈亮度；

②人體紅外傳感器：人體紅外傳感器對人體識別輸出為數字量，即輸出值只有通和斷（0和1），可以近似看做開關，在程序啟動時即檢測環境人體紅外信號，當有人通過是會輸出1，無人時為0；

③無線通信模塊：NRF2401無線通信模塊，主要運用2.4G開放頻段通信，模塊為半雙工模式，可以滿足模塊之間的相互通信；

④語音識別模塊：語音識別是基于ASR技術的非特定人語音識別，語音識別模塊我們選用的是LD3320芯片，程序框圖如圖3.1所示。

圖3.1 遙控器程序框圖

3.2 中央控制器的工作流程

中央控制器選用的模塊為STM32F103單片機，能夠實現快速采集傳感器變化并計算出控制輸出量實現對被控對象的控制，在控制器部分主要是實現對被控對象控制，首先對環境進行監測并自動調整只能LED的開關和亮度，然后接受語音識別遙控器發送的語音指令信號，當接收的相應的語音指令后執行相關動作，實現語音控制與自動控制雙控制的目的。主要的系統程序框圖如圖3.2所示：

圖3.2 系統程序框圖

4.系統后期待完善及開發價值

本系統較簡單的添加了人體感應、光照、窗簾的開關以及開關插排的相關設計，通過人為與自動相結合，能夠較好的完成預期的效果。在紅外感應監測方面，可能會出現感應不敏感，這與選擇的傳感器以及環境的影響有一定關系。隨著智能家居的迅猛發展，越來越多的家居開始引進智能化系統和設備。智能化系統涵蓋的內容也從單純的方式向多種方式相結合的方向發展。但較之于歐美發達國家，我國的我國智能家居系統起步稍晚，所以市場主流的產品（系統）還無法很好地解決產品本身與市場需求的矛盾，使得智能家居市場的僵冰還沒有被完全打破，所以很大程度上阻礙了智能家居產業的發展。在如今家居智能發展前景如此好的情況下，就我們這個項目來說，還好很多可以繼續開發添加的物理量，如溫度、警報系統等。其實我們家中的能耗主要分為三個方面：一是照明，二是制冷或是制熱，三是一向不被重視的待機能耗。一般的家庭，燈具往往都是滿負荷運轉，只要一開燈，就會按照電壓所對應的功率在運轉。通過傳感器實時監測室內的亮度，即可配合自然光照調整燈具的功率，自然起到節能的效果。在實際生活中，加上互聯網的廣泛普及，完全可以應用到家中的電器設備中，添加語音模塊，方便開啟和關閉，充分體現了當今社會對于高科技和便捷的追求。不僅如此，比如家庭影音系統、制冷或供暖的空調系統，都是可以在我們這個簡單的家居照明系統上進行添加和完善的。在21世紀智能是一個非常火熱的詞語，隨著移動互聯網的強勢崛起，21世紀以后所有的產品都要和智能聯系到一起，否則都不好意思出現在用戶面前。然后事實卻是大部分打著智能旗號的產品都是一個幌子而已，根本都不能實現用戶所想所需的智能體驗。特別是在智能家居領域，很多時候并不是說能夠進行簡單的智能控制就是智能家居了。我們所需要的智能應該是一種切實解決我們的實際需求并且使用方便快捷的人性化體驗，因此，判斷到底智能不智能，只有通過自己的實際體驗才能知道，沒有體驗過的智能家居很難讓用戶產生信任。用戶在選擇智能裝修的時候，一定要去其體驗中心實地考察體驗，只有適合自己的才是好產品。在殘疾人、老人家里安裝上煙感、火災隱情報警系統都是非常人性化的設計，我們覺得作為未來的科技研發者，應該多從特殊群體的角度去設計，考慮安全、實用、便捷等多方面因素。

鳴謝：該項目的研究成果基于北京聯合大學“啟明星”大學生科技創新項目經費資助，項目編號201611417030。

指導教師：張翠霞（通訊作者）。