基于語(yǔ)音識(shí)別的電梯輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

林麒麟 包廣清 宋旭輝 張寶強(qiáng) 陶 佳

(蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院 蘭州 730050)

基于語(yǔ)音識(shí)別的電梯輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

林麒麟 包廣清 宋旭輝 張寶強(qiáng) 陶 佳

(蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院 蘭州 730050)

針對(duì)盲人或者行動(dòng)不便的特殊人群能夠更加方便地使用電梯,同時(shí)也為了電梯的使用變得更加人性化、智能化,論文提出一種基于語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的電梯輔助控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)部分主要包括:語(yǔ)音識(shí)別模塊、MCU主控電路、繼電器控制模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊。語(yǔ)音模塊電路采用了語(yǔ)音芯片LD3320,該芯片集成了語(yǔ)音識(shí)別處理器和一些外部電路,并且不需要外接任何的輔助芯片,直接集成在現(xiàn)有的產(chǎn)品中即可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別、人機(jī)對(duì)話功能。MCU主控電路采用STC11系列單片機(jī),具有低功耗,超低價(jià),高速,強(qiáng)抗干擾等特點(diǎn),與語(yǔ)音芯片LD3320通信,接收語(yǔ)音命令,并輸出相應(yīng)控制命令。繼電器模塊,采用SONGLE繼電器,能夠承受28V～250V電壓,能夠?qū)崿F(xiàn)通斷控制。

語(yǔ)音識(shí)別; 電梯; 輔助控制系統(tǒng); 人性化

Class Number TP273

1 引言

隨著人工智能、科技水平的不斷提高發(fā)展,同時(shí)為了更好地滿足人類(lèi)生活安全、智能、便捷的需求,各類(lèi)智能產(chǎn)品及其技術(shù)在人們生活、工廠作業(yè)中得到充分運(yùn)用。其中語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)[1～3]是人工智能的重要體現(xiàn),能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交流、人機(jī)對(duì)話,能夠有效地進(jìn)行信息傳遞,讓機(jī)器聽(tīng)懂人類(lèi)的語(yǔ)言。一般的一個(gè)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)通常包括以下幾個(gè)步驟:首先進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)的采集和預(yù)處理,然后進(jìn)行語(yǔ)音特征的提取,再建立語(yǔ)音訓(xùn)練模型,最后進(jìn)行語(yǔ)音模式的匹配與識(shí)別。隨著語(yǔ)音識(shí)別準(zhǔn)確度的不斷提高,語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)在醫(yī)療陪護(hù)、智能玩具、智能手機(jī)、智能家居[4]中均有應(yīng)用。本文選用了LD3320作為語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的核心芯片,提出了一種基于語(yǔ)音識(shí)別的電梯輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案目的在于讓公共場(chǎng)所的電梯變得更加人性化、智能化,方便盲人或行動(dòng)不便的特殊人群使用。目前電梯多為人工按鈕控制,對(duì)特殊人群缺乏理性考慮與關(guān)懷,本文通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別技術(shù),用語(yǔ)音作為輔助開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯輔助控制。該控制系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分:語(yǔ)音識(shí)別模塊、MCU主控電路、繼電器控制模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊。語(yǔ)音模塊集成了語(yǔ)音識(shí)別處理器和一些外部電路包括AD、DA 轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)接口、聲音輸出接口,并且不需要外接任何的輔助芯片如Flash、RAM 等,直接集成在現(xiàn)有的產(chǎn)品中即可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別、人機(jī)對(duì)話功能[5～6]。MCU主控電路采用STC11系列單片機(jī),具有低功耗、超低價(jià)、高速、強(qiáng)抗干擾等特點(diǎn),它與語(yǔ)音芯片LD3320通信,接收語(yǔ)音命令,并輸出相應(yīng)控制命令。繼電器模塊,采用SONGLE繼電器,能夠承受10A 250VAC、10A 125VAC、10A 30VDC、10A 28VDC四種類(lèi)型電壓,能夠?qū)崿F(xiàn)通斷控制。以上元器件價(jià)格均較便宜,能夠以低成本實(shí)現(xiàn)較好的控制性能。

2 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)該控制系統(tǒng)主要包括:語(yǔ)音識(shí)別模塊、MCU主控電路、繼電器控制模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊。首先通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別模塊識(shí)別語(yǔ)音信息,并將該信息傳遞給MCU主控電路,MCU主控電路分析處理該信息后,分別向繼電器控制模塊發(fā)出控制命令,當(dāng)接收到控制命令后,語(yǔ)音播報(bào)模塊播出相應(yīng)的信息,同時(shí)當(dāng)用戶到達(dá)所需樓層時(shí),播出提示信息。具體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.1 語(yǔ)音模塊

語(yǔ)音識(shí)別模塊采用LD3320語(yǔ)音芯片,該芯片基于非特定人(Speaker-Independent Automatic Speech Recognition,SI-ASR)技術(shù)的語(yǔ)音識(shí)別聲控芯片。ASR技術(shù)是基于關(guān)鍵詞語(yǔ)列表識(shí)別的技術(shù)[7～8]。每次識(shí)別的過(guò)程,就是把用戶說(shuō)出的語(yǔ)音內(nèi)容,通過(guò)頻譜轉(zhuǎn)換為語(yǔ)音特征,和這個(gè)關(guān)鍵詞語(yǔ)列表中的條目進(jìn)行一一匹配,最優(yōu)匹配的一條作為識(shí)別結(jié)果[9]。只需要設(shè)定好要識(shí)別的關(guān)鍵詞語(yǔ)列表,并把這些關(guān)鍵詞語(yǔ)以字符的形式傳送到LD3320內(nèi)部,就可以對(duì)用戶說(shuō)出的關(guān)鍵詞語(yǔ)進(jìn)行識(shí)別。ASR技術(shù)最重要的現(xiàn)實(shí)意義就在于提供了一種脫離按鍵,鍵盤(pán),鼠標(biāo)的基于語(yǔ)音的用戶界面(Voice User Interface,VUI)。該芯片主要特色功能在于:非特定人語(yǔ)音識(shí)別技術(shù),不需要用戶進(jìn)行錄音訓(xùn)練；可動(dòng)態(tài)編輯的識(shí)別關(guān)鍵詞語(yǔ)列表送進(jìn)芯片；不需要任何外接的輔助 Flash 和 RAM,真正降低系統(tǒng)成本；內(nèi)置高精度A/D和 D/A通道；高準(zhǔn)確度和實(shí)用的語(yǔ)音識(shí)別效果。語(yǔ)音模塊采用電路圖設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 語(yǔ)音模塊電路

2.2 主控模塊

圖3 主控模塊電路

本設(shè)計(jì)選用宏晶系列STC11L08XE單片機(jī)作為主控電路芯片,該芯片具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的特點(diǎn),指令代碼完全兼容8051,但速度比其快8～12倍,內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路,可應(yīng)用于高速通信,智能控制,強(qiáng)干擾場(chǎng)合[10]。其復(fù)位電路、時(shí)鐘電路以及外圍引腳電路如圖3所示。

2.3 繼電器模塊

本文采用SONGLE繼電器進(jìn)行通斷控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯的控制。本方案初步設(shè)計(jì)了10路繼電器模塊,分別控制1～10樓的電梯按鈕的通斷。具體控制流程為:首先識(shí)別語(yǔ)音關(guān)鍵詞(如:上2樓,上3樓,…,上10樓),語(yǔ)音模塊識(shí)別后與MCU通信,MCU經(jīng)過(guò)分析處理后,發(fā)出相應(yīng)的控制命令,通過(guò)控制繼電器通與斷,代替電梯按鈕的開(kāi)與關(guān)。其中一路繼電器設(shè)計(jì)電路如圖4所示。

圖4 繼電器模塊電路

2.4 語(yǔ)音播報(bào)模塊

語(yǔ)音播報(bào)模塊是為了使該電梯輔助控制系統(tǒng)更加人性化,同時(shí)也是對(duì)特殊人群的照顧。當(dāng)?shù)竭_(dá)所到達(dá)樓層時(shí),會(huì)播報(bào)出所到達(dá)樓層的相應(yīng)信息。例如:當(dāng)?shù)竭_(dá)5樓時(shí),揚(yáng)聲器會(huì)播出“5樓已到達(dá),請(qǐng)慢走！”。該語(yǔ)音信息可以通過(guò)VoiceReader語(yǔ)音合成軟件制作而成,然后存儲(chǔ)至TF卡,并將該TF卡外接LD3320芯片。當(dāng)?shù)竭_(dá)所需樓層時(shí),就播出該語(yǔ)音信息。LD3320內(nèi)置550mW單聲道揚(yáng)聲器放大器輸出,通常直接將其SPOP和SPON引腳直接外接揚(yáng)聲器即可,如圖5所示。

圖5 語(yǔ)音播報(bào)模塊電路

3 軟件實(shí)現(xiàn)

基于語(yǔ)音識(shí)別的電梯輔助控制系統(tǒng),是一個(gè)可以較好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互便捷性的系統(tǒng),不僅有比較穩(wěn)定的識(shí)別效果,同時(shí)還體現(xiàn)了離線識(shí)別的優(yōu)勢(shì),很好地規(guī)避了其缺點(diǎn),主要的工作流程如圖6所示。

具體的語(yǔ)音識(shí)別步驟為

Step1:首先進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別初始化,并對(duì)相關(guān)寄存器進(jìn)行設(shè)置,程序片段如圖7所示。

Step2:進(jìn)行關(guān)鍵詞設(shè)置,寫(xiě)入識(shí)別條目。每個(gè)識(shí)別條目對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的編號(hào),不同的識(shí)別條目可以有相同的編號(hào),編號(hào)順序無(wú)需連續(xù),部分關(guān)鍵詞如表1所示。

表1 部分關(guān)鍵詞列表

Step3:通過(guò)咪頭進(jìn)行語(yǔ)音信息的采集。

Step4:將采集到的語(yǔ)音信息與已經(jīng)設(shè)置好的關(guān)鍵詞進(jìn)行匹配,查找是否有相應(yīng)的語(yǔ)音信息。

Step5:若識(shí)別成功,則進(jìn)行繼電器控制操作,等待到達(dá)相應(yīng)的樓層,到達(dá)后播出相應(yīng)的提示信息；若識(shí)別失敗,則結(jié)束,并發(fā)出相應(yīng)的語(yǔ)音提醒。

圖6 語(yǔ)言識(shí)別流程圖

Step6:當(dāng)每次語(yǔ)音識(shí)別結(jié)束后,即到達(dá)相應(yīng)的樓層后,相應(yīng)樓層繼電器控制開(kāi)關(guān)恢復(fù)初始狀態(tài),語(yǔ)音模塊等待下一個(gè)語(yǔ)音信息。

圖7 初始化程序片段

4 參數(shù)設(shè)置

在該語(yǔ)音識(shí)別輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中,主要涉及以下幾個(gè)參數(shù)的設(shè)置:

1) 波特率。波特率是針對(duì)串口通信功能的一個(gè)通信速度參數(shù)調(diào)整,參數(shù)值如下:1bps～4800bps；2bps～9600bps；3bps～19200bps；4bps～57600bps；5bps～115200bps。不同序號(hào)對(duì)應(yīng)不同的波特率,通常選9600bps。

2) 音量。音量調(diào)整為喇叭的音量大小調(diào)整參數(shù),具體參數(shù)如下:

參數(shù)范圍:0～15 ；0:最小音量；15:最大音量。音量大小根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定,在該控制系統(tǒng)中設(shè)置為10。

3) 麥克風(fēng)靈敏度。麥克風(fēng)靈敏度即不同識(shí)別距離,識(shí)別距離越遠(yuǎn),表明其靈敏度越高。具體參數(shù)如下:

參數(shù)范圍:1～99；1:最低靈敏度；99:最高靈敏度。靈敏度越高,識(shí)別距離越遠(yuǎn),但誤識(shí)別率容易越高,故靈敏度并不是越高越好。具體參數(shù)表2所示。本控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況選擇靈敏度為75。

表2 靈敏度參數(shù)

5 抗噪處理和測(cè)試分析

該系統(tǒng)噪聲可以主要分為系統(tǒng)內(nèi)部噪聲和麥克風(fēng)輸入噪聲兩部分。針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部噪聲,可以通過(guò)合理規(guī)劃各硬件模塊位置,使其盡量遠(yuǎn)離,避免交叉干擾。同時(shí)將聲音采集模塊用海綿包裹,避免與其他部分直接接觸。此外,由于該模塊是非特定語(yǔ)音識(shí)別模塊,對(duì)任何人的聲音都可進(jìn)行判斷,為了避免誤識(shí)別,可以設(shè)置口令模式,即只有先說(shuō)出口令才能進(jìn)一步識(shí)別。其次,為了更好地識(shí)別效果,要求客戶盡量講普通話,注意發(fā)音技巧。最后,要使電梯環(huán)境盡可能安靜。語(yǔ)音識(shí)別是對(duì)聲音比較敏感的設(shè)備,有噪音和人員對(duì)話時(shí)會(huì)影響識(shí)別距離和識(shí)別精度。

在電梯環(huán)境中進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別測(cè)試,分別采集男、女各10人的語(yǔ)音信息,每人每層采集10次,然后進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別準(zhǔn)確率分析,表3給出了上樓時(shí)語(yǔ)音測(cè)試結(jié)果,下樓時(shí)測(cè)試方法類(lèi)似,此處不再贅述。

表3 語(yǔ)音識(shí)別準(zhǔn)確率分析

由表3可以看出,該設(shè)計(jì)系統(tǒng)提供的設(shè)計(jì)方案準(zhǔn)確識(shí)別率達(dá)到87%,具有較好的語(yǔ)音識(shí)別效果。其次從表1還可以看出,由于男生的濁音比女生重,女生的語(yǔ)音識(shí)別準(zhǔn)確率略高于男生。

6 結(jié)語(yǔ)

本文從智能化、人性化的角度出發(fā),結(jié)合日常生活中盲人或行動(dòng)不便的特殊人群使用電梯不便的現(xiàn)象,提出了一種基于語(yǔ)音識(shí)別的電梯輔助控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案生產(chǎn)成本較低,而且通過(guò)測(cè)試表明該系統(tǒng)識(shí)別效果較好,具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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Design of Elevator Assistant Control System Based on Speech Recognition

LIN Qilin BAO Guangqing SONG Xuhui ZHANG Baoqiang TAO Jia

(College of Electrical Engineering and Information Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050)

In order to humanize the elevator and make it more intelligent, then let the special people such as the blind and the disabled use the elevator more conveniently, this paper designs an assistant control system based on speech recognition. The design part mainly includes speech recognition module, MCU main control circuit, relay control module, voice broadcast module. Speech recognition module uses the voice chip LD3320, the chip integrated speech recognition processor and some external circuits, and it does not require external auxiliary chip, which directly integrated in existing products can be used to realize speech recognition and man-machine conversation function. MCU main control circuit uses STC11 series microcontroller, which has performance of low power consumption, low cost, high speed, strong anti-interference. MCU receives voice commands and outputs the control commands by communicating with LD3320. Relay module uses SONGLE relay, which can achieve on-off control and be able to bear the range of voltage from 28V to 250V.

speech recognition, elevator, assistant control system, humanization

2016年9月9日,

2016年10月28日

甘肅省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目基金(編號(hào):DC2015054)資助。

林麒麟,男,碩士研究生,研究方向:模式識(shí)別與智能控制。包廣清,女,博士,教授,研究方向:電氣自動(dòng)化領(lǐng)域。宋旭輝,男,碩士研究生,研究方向:控制科學(xué)與工程。張寶強(qiáng),男,研究方向:自動(dòng)化。陶佳,女,研究方向:自動(dòng)化。

TP273

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.029