面向智慧教室的空調(diào)看閃拍手聲控系統(tǒng)設(shè)計

文/賈春燕 金隱華

以實現(xiàn)智慧教室環(huán)境的智能感知、遠程操控等功能的智慧教室控制系統(tǒng)成為了研究的重點。本文面向智慧教室建設(shè)，針對教學(xué)過程中使用各種設(shè)備控制器不便的問題，以教室常用設(shè)備空調(diào)的智能控制方法為研究對象，基于體感交互技術(shù)，設(shè)計一套看閃拍手聲控系統(tǒng)，為智慧教室的建設(shè)和研究提供借鑒。

總體設(shè)計

看閃拍手聲控系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1 所示，其以單片機為控制核心，同時與空調(diào)設(shè)備相連，根據(jù)拍手聲，自動控制空調(diào)，其硬件部分由聲響指示燈（1）、快拍指示燈（2）、靈敏度調(diào)節(jié)旋鈕（3）、嘀聲蜂鳴器（4）、聲音傳感器（5）、傳感器信號放大及整形調(diào)理電路、單片機等部件構(gòu)成。所述聲音傳感器（5）經(jīng)傳感器信號放大及整形調(diào)理電路輸出后接單片機輸入端口，所述快拍指示燈（2）、嘀聲蜂鳴器（4）均接單片機輸出端口；所述聲響指示燈（1）與傳感器信號放大及整形調(diào)理電路的輸出端相連。

圖1 看閃拍手聲控系統(tǒng)總體設(shè)計

傳感器信號放大及整形調(diào)理電路中的傳感器信號放大增益控制電阻包括串聯(lián)一只可調(diào)電阻，以便靈活調(diào)節(jié)聲響傳感靈敏度，安裝結(jié)構(gòu)可以是用起子旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)、也可以是裝在外殼上的靈敏度調(diào)節(jié)旋鈕（3）。嘀聲蜂鳴器（4）可改為語音提示喇叭；或與空調(diào)機上的嘀聲蜂鳴器合為一個。快拍指示燈（2）可與空調(diào)機上的電源指示燈合為一個。

聲響指示燈（1）、快拍指示燈（2）、靈敏度調(diào)節(jié)旋鈕（3）、嘀聲蜂鳴器（4）、聲音傳感器（5）、聲音傳感器信號放大及整形調(diào)理電路、單片機等部件的安裝電路板、外表面板既可單獨另設(shè)，也可與空調(diào)機的控制主板、顯示面板合為一體；單獨另設(shè)，既可是裝在空調(diào)機上的，也可是單獨裝在一個小盒中的、類似于遙控器放在空調(diào)機外面的用發(fā)射紅外光控制空調(diào)機，這種方式，還包括紅外遙控發(fā)射模塊，若干單片機輸出端口接紅外遙控發(fā)射模塊，模擬原空調(diào)機遙控器發(fā)射紅外光控制信號；對裝在空調(diào)機上的結(jié)構(gòu)，單片機控制空調(diào)機主要方式有兩種：用一個單片機輸出端口，接空調(diào)機控制主板上的遙控信號接收輸入端，即空調(diào)機紅外光接收模塊輸出端，或用若干單片機輸出端口接空調(diào)機的控制主板。

實施方法

要實現(xiàn)拍手聲控命令的關(guān)鍵是尋找同環(huán)境聲音的區(qū)分方法。本研究通過引入指示燈發(fā)信號與人互動實現(xiàn)拍手聲控命令，即看閃拍手聲控命令，并結(jié)合空調(diào)操作特點，設(shè)計出適合的拍手聲控命令及環(huán)境聲響引起誤動作的無害處理。

具體實現(xiàn)方法如下：聲音傳感器（或MIC 咪頭）（5）接收環(huán)境聲響，經(jīng)傳感器信號放大及整形調(diào)理電路輸出后接單片機輸入端口，供單片機監(jiān)控判別聲音。這里傳感器信號放大及整形調(diào)理電路常用的IC 型號有BISS0001，但不僅限于此。BISS0001 的12 腳、13 腳接信號放大器的增益控制電阻，該電阻可再串聯(lián)一只可調(diào)電阻，以便靈活調(diào)節(jié)聲響傳感靈敏度，安裝結(jié)構(gòu)可以是用起子旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)、也可以裝在外殼上的靈敏度調(diào)節(jié)旋鈕（3）。聲音傳感靈敏度的高低由所設(shè)聲響指示燈（1）表現(xiàn)，因為聲響指示燈（1）接傳感器信號放大及整形調(diào)理電路輸出端。對高靈敏聲音傳感器（或MIC 咪頭）（5）可用一個普通三極管放大來代替BISS0001。靈敏度低，抗環(huán)境聲響誤動作好，但拍手要響。

快拍指示燈（2）、嘀聲蜂鳴器（4）均接單片機輸出端口。單片機常用的IC型號有宏晶STC 系列，但不僅限于此。

單片機控制空調(diào)機主要方式有三種：1 用若干單片機輸出端口接紅外遙控發(fā)射模塊，模擬原空調(diào)機遙控器發(fā)射紅外光控制空調(diào)機（這種方式原空調(diào)機不作任何改裝。紅外遙控模塊常用HT62104、eV1527 等）；2 用一個單片機輸出端口，接空調(diào)機控制主板上的遙控信號接收輸入端（編碼電平輸入端，為解碼控制），即空調(diào)機紅外光接收模塊（紅外光解調(diào)編碼）輸出端；3 用若干單片機輸出端口接空調(diào)機的控制主板。

具體看閃拍手聲控方法如下：

單片機監(jiān)控聲音傳感器（5），當(dāng)檢測到約1 秒無聲（聲音傳感器（5）所連接的傳感器信號放大及整形調(diào)理電路輸出低電平）時發(fā)出快拍指示燈（2）閃亮一下，讓人看到后立即拍手一下，此時會檢測到拍手的短促聲，再等約1 秒間隙若無聲，則確定為是一次有效拍手。緊接著快拍指示燈（2）再閃亮一下，讓人看到后再立即拍手一下，再等約1 秒間隙若無聲，則確定為是連續(xù)二次有效拍手，認定不是環(huán)境隨機聲響，進入到控制命令識別狀態(tài)。此時快拍指示燈（2）仍再閃亮一下，不拍手（即二次有效拍手），表示調(diào)溫省電方向，溫度顯示同空調(diào)機遙控器操作，嘀聲蜂鳴器（4）發(fā)嘀聲提示命令有效完成；若拍一下手，即連續(xù)三次有效拍手，表示開機或關(guān)機、或調(diào)溫費電方向，溫度顯示同空調(diào)機遙控器操作。進入控制命令狀態(tài)后只要等不到1秒間隙快拍指示燈（2）就會閃亮一下，若不拍手，嘀聲蜂鳴器（4）響起提示命令完成；若再拍一下手，即連續(xù)四次有效拍手，表示進入延時或設(shè)置延時。

凡在快拍指示燈（2）閃亮前拍手或出現(xiàn)了聲音、或在快拍指示燈（2）閃亮后不即時拍手、或拍手聲不短促，都認為是環(huán)境隨機聲響，命令無效，沒有嘀聲蜂鳴器（4）回應(yīng)確認；快拍指示燈（2）不閃亮，重新開始再搜索無聲狀態(tài)，若搜索到了約1 秒無聲，快拍指示燈（2）再次閃亮，可再拍手發(fā)命令，如此不斷地捕捉有效拍手命令。

鑒于看快拍指示燈（2）閃拍手的關(guān)鍵性，所以把指示燈（2）稱為快拍指示燈，常用紅色LED 指示。對于本聲控板裝在空調(diào)機上的，可與空調(diào)機上的電源指示燈合為一個。

拍手規(guī)則可簡述為：紅燈閃即拍手，嘀聲響命令完成。

兩拍是調(diào)溫省電方向，溫度顯示同空調(diào)機遙控器操作。所謂調(diào)溫省電方向，冬天是降溫，夏天是升溫。兩拍后（看到快拍指示燈（2）閃不立即拍手），停到嘀聲蜂鳴器（4）響（或看到下一次快拍指示燈（2）閃）后再不斷拍手進入調(diào)溫，此時不管快拍指示燈（2），看溫度顯示同空調(diào)機遙控器操作。

三拍是開機或關(guān)機，或調(diào)溫費電方向，溫度顯示同空調(diào)機遙控器操作。所謂調(diào)溫費電方向，冬天是升溫，夏天是降溫。三拍后（看到快拍指示燈（2）閃不立即拍手），停到嘀聲蜂鳴器（4）響（或看到下一次快拍指示燈（2）閃）再不斷拍手進入調(diào)溫，此時不管快拍指示燈（2），看溫度顯示同空調(diào)機遙控器操作。三拍后，嘀聲蜂鳴器（4）響不拍了，是開機（原來是關(guān)）或關(guān)機（原來是開）。

四拍是進入延時或設(shè)置延時，嘀聲響不拍手為進入延時，延時到就自動關(guān)機，一般就不再拍手控制，所以此時（無聲響時）快拍指示燈（2）閃亮間隔可加長到3 秒（誤動作更少）；嘀聲響后不斷拍手進入設(shè)置延時，此時不管快拍指示燈（2），只管拍手，次數(shù)多就延時長，時間顯示同空調(diào)機遙控器操作。停頓后設(shè)置完成，命令結(jié)束。

這里的兩拍是調(diào)溫省電方向，實際上是怕環(huán)境聲響容易引起兩拍誤動作，調(diào)溫省電方向一般無害，感到空調(diào)效果不夠了可拍手加強。

關(guān)機前有連續(xù)嘀聲提示，此時有效拍手會取消關(guān)機，也是防環(huán)境聲響突然誤關(guān)機。

本研究看閃拍手聲控命令并不限于以上具體的執(zhí)行功能，構(gòu)成有效拍手命令的規(guī)則為：

有效拍手的連續(xù)二到五次用來規(guī)定常用有效拍手命令；

有效拍手命令可包括命令帶參數(shù)，常用來設(shè)置程度或數(shù)值（例如亮度、溫度、時間），具體規(guī)則是：對N 次有效拍手命令帶參數(shù)，在第N+1 次快拍指示燈2 閃后不拍手，停頓直到嘀聲蜂鳴器（4）（或看到第N+2 次快拍指示燈2 閃）后不斷拍手發(fā)命令參數(shù)（不必看快拍指示燈（2）閃），此時快拍指示燈（2）可變頻閃爍表示參數(shù)在變，停頓后命令結(jié)束。

各N 次拍手命令也可根據(jù)用戶要求制定。

同樣，本系統(tǒng)的硬件在制作生產(chǎn)時，會用與所述功能等效的集成電路IC 制作或生產(chǎn)、邏輯控制電路PLC 制作或生產(chǎn)、及其它分列件構(gòu)成的功能等效電路來替代所述的單片機及聲音傳感器信號放大及整形調(diào)理電路等。

為更好地適應(yīng)聲響環(huán)境，設(shè)置了調(diào)節(jié)靈敏度旋鈕（3）。當(dāng)環(huán)境有較大的噪雜聲，應(yīng)將聲音傳感靈敏度調(diào)低，拍手加重，觀察聲響指示燈1 的反應(yīng)。

聲響指示燈（1）指示傳感到的聲音，所以稱為聲響指示燈，常用白色或藍色LED 指示，讓人了解對聲響的敏感程度，可借此練習(xí)拍手輕重。

可改嘀聲蜂鳴器（4）為直接語音提示喇叭，現(xiàn)在可錄制的語音IC 模塊或定制固定語句的語音IC 模塊已很便宜了。對于本聲控板裝在空調(diào)機上的，可與空調(diào)機上的嘀聲蜂鳴器合為一個。

聲響指示燈、快拍指示燈、靈敏度調(diào)節(jié)旋鈕、嘀聲蜂鳴器、聲音傳感器、傳感器信號放大及整形調(diào)理電路、單片機等部件的安裝電路板、外表面板既可單獨另設(shè)、也可與空調(diào)機的控制主板、顯示面板合為一體。單獨另設(shè)，既可是裝在空調(diào)機上的，也可是單獨裝在一個小盒中的、類似于遙控器放在空調(diào)機外面的用發(fā)射紅外光控制空調(diào)機，紅外光發(fā)射LED 的安裝要注意能照到空調(diào)機顯示面板上的紅外光接收頭，這種方式原空調(diào)機不作任何改裝，集隨地拍手遙控與紅外遙控于一體，在個別特殊需求領(lǐng)域猶顯靈活方便。

本系統(tǒng)結(jié)合了計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)，引入先進的體感交互技術(shù)在教室空調(diào)控制中應(yīng)用，告別了傳統(tǒng)的控制器，讓人以更自然的方式與控制終端進行交互；同理，本系統(tǒng)也可應(yīng)用于教室燈光、電源控制系統(tǒng)中。利用體感交互技術(shù)控制教室燈光、空調(diào)等設(shè)備，使教室更加智慧，可減少對教學(xué)過程的干擾，提高教學(xué)效率，進一步提高系統(tǒng)操作的便利性。