基于智能語音的便攜式開關(guān)輔助控件的設(shè)計(jì)與制作

云南大學(xué)信息學(xué)院 李耀偉 林于森 王蔚延 梁 越 許馨方

本文提出了一種基于智能語音的便攜式開關(guān)輔助控件。該產(chǎn)品使用STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控裝置，提供語音交互與按鍵交互兩種方式。語音交互應(yīng)用 LD3320語音識別模塊對語音進(jìn)行檢測識別，并根據(jù)語音控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制開關(guān)的開啟與關(guān)閉。按鍵交互應(yīng)用ESP8266 WIFI模塊將硬件部分與APP連接。該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了智能聲控壓力輸出，可將無形的聲轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蔚氖郑瑯O大便利人們的生活。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

智能語音便攜式開關(guān)輔助控件主要由STM32主控模塊、LD3320語音識別模塊、ESP8266WIFI模塊、壓力輸出模塊四大模塊組成。該系統(tǒng)工作時(shí)，用戶發(fā)送語音指令“開燈”“關(guān)燈”指令給語音模塊，語音模塊讀取處理信息后送至單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)壓力輸出，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的開啟與閉合。產(chǎn)品的系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 智能語音開關(guān)輔助控件系統(tǒng)組成框圖

1.2 STM32主控模塊

STM32采用基于ARM架構(gòu)設(shè)計(jì)的Coetex-M內(nèi)核，與傳統(tǒng)的51單片機(jī)相比，具有高性能、低電壓、低功耗、低風(fēng)險(xiǎn)、簡單易用等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)本產(chǎn)品使用的STM32F103C8T6屬最小系統(tǒng)板，采用LQFP48封裝，主頻為72M，具有64K-FLASH、20K-RAM、8M晶振、RTC晶振等板載元件，體型小、空間資源占用極少，具有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的所有功能。

1.3 LD3320語音識別模塊

LD3320是一枚基于非特定人語音識別(SI-ASR)技術(shù)的語音識別芯片。該芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路，包括ADC、DAC、麥克風(fēng)接接口、聲音輸出接口等。該芯片不需要外接任何輔助芯片如FLASH、RAM等，直接集成在現(xiàn)有的產(chǎn)品中，即可實(shí)現(xiàn)語音識別/聲控/人機(jī)對話功能。

它使用的時(shí)候有兩種用戶使用模式，用戶可以通過編程，設(shè)置兩種不同的用戶使用模式：觸發(fā)識別模式與循環(huán)識別模式。在本產(chǎn)品中，由于輔助開關(guān)的應(yīng)用場景是日常生活用品，需要不斷識別是否有特定的人聲指令發(fā)出，故主要運(yùn)用的是循環(huán)識別模式。

1.4 ESP8266WIFI 模塊

ESP8266是一個(gè)完整且自成體系的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠搭載軟件應(yīng)用，支持標(biāo)準(zhǔn)的 IEEE802.11 b/g/n協(xié)議，完整的TCP/IP協(xié)議棧。使用者可以使用該模塊為現(xiàn)有的設(shè)備添加聯(lián)網(wǎng)功能，也可以構(gòu)建獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)控制器。

ESP8266具有集成度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、精度高的優(yōu)點(diǎn)。其工作溫度為：-40℃至125℃，可以在溫度較高的情況下持續(xù)工作，具有很強(qiáng)的工作適應(yīng)性。由于ESP8266有STA / AP / STA+AP三種工作模式，支持smartconfig功能，因此可以滿足不同的使用場景。較其他單片機(jī)而言穩(wěn)定性強(qiáng)，能耗低、能夠快速傳送數(shù)據(jù)、價(jià)格相對便宜、制作成本低，且芯片配置簡單，操作方便，能將串口所獲取的數(shù)據(jù)高效率地轉(zhuǎn)化為無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信號。

本產(chǎn)品使用Android Studio開發(fā)APP并對ESP8266進(jìn)行配置，從而實(shí)現(xiàn)對開關(guān)輔助控件的按鍵交互。

1.5 壓力輸出模塊

壓力輸出由ULN2003步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，從而帶動(dòng)“按壓棒”產(chǎn)生。該產(chǎn)品采用4相8線步進(jìn)電機(jī)，額定電壓為5V，直徑為28mm。當(dāng)其收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。本產(chǎn)品使用5V的設(shè)定步進(jìn)電機(jī)收到“關(guān)燈”指令后順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)144°，收到“開燈”指令后逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)144°。“按壓棒”則由熱熔膠焊接至電機(jī)轉(zhuǎn)子一側(cè)，在不同指令的驅(qū)動(dòng)下，向不同的方向按壓，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)的開啟與關(guān)閉。

1.6 產(chǎn)品制作與測試

以STM32作為主控模塊，將上述其余模塊外接至至相應(yīng)引腳，完成配置與相應(yīng)的編程操作，即可實(shí)現(xiàn)智能語音壓力控制功能。當(dāng)系統(tǒng)通電后，默認(rèn)處于“關(guān)燈”狀態(tài)，當(dāng)對其語音輸入“開燈”指令時(shí)，指示燈發(fā)光，電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)“按壓棒”向下按壓，從而實(shí)現(xiàn)開燈操作；當(dāng)語音輸入“關(guān)燈”指令時(shí)，則指示燈熄滅，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)“按壓棒”向上按壓，從而實(shí)現(xiàn)開燈操作。如圖2(a)、(b)所示為“開燈”狀態(tài)下系統(tǒng)的工作情況，圖3(a)、(b)所示為“關(guān)燈”狀態(tài)下系統(tǒng)的工作情況。

圖2 (a) “開燈”狀態(tài)下系統(tǒng)工作情況 (b)開關(guān)開啟

圖3 (a)“關(guān)燈”狀態(tài)下系統(tǒng)工作情況 (b)開關(guān)閉合

圖4 智能語音便攜式開關(guān)輔助控件外殼

在各模塊制作、連接與測試后，本文也使用3D建模技術(shù)為此模塊設(shè)計(jì)產(chǎn)品外殼，并以光敏樹脂作為原料，使用3D打印技術(shù)進(jìn)行制作，以進(jìn)一步將其集成化、產(chǎn)品化，如圖4所示是本產(chǎn)品的外殼，其中一面可拆卸，可將模塊置于其中，并從小孔中伸出電機(jī)轉(zhuǎn)子與“按壓棒”以實(shí)現(xiàn)按壓。

2 產(chǎn)品創(chuàng)新點(diǎn)

（1）該產(chǎn)品一方面可以幫助人們解放雙手，有效的節(jié)約人們的時(shí)間，尤其可以幫助一些殘疾人士通過語音指令實(shí)現(xiàn)開關(guān)的開啟與關(guān)閉；另一方面，該產(chǎn)品也解決傳統(tǒng)聲控開關(guān)有聲即響應(yīng)的缺陷，特定的語音指令排除噪聲對開關(guān)的干擾，有效減少電力資源的損耗。

（2）語音識別技術(shù)在最近幾年取得了新的突破，但在目前的市場上語音識別技術(shù)的應(yīng)用面仍然較窄，本產(chǎn)品是語音識別技術(shù)的一項(xiàng)新應(yīng)用，同時(shí)在應(yīng)用過程中對語音識別技術(shù)的發(fā)展也能夠產(chǎn)生正向推動(dòng)作用。

結(jié)語：隨著當(dāng)代人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，智能家居的產(chǎn)業(yè)規(guī)模必將不斷擴(kuò)大。開關(guān)作為一種日常生活器件，智能化是其不可阻擋的發(fā)展趨勢。本產(chǎn)品不僅可以使開關(guān)智能化，而且不直接植入開關(guān)內(nèi)部，以模塊化的方式外部驅(qū)動(dòng)開關(guān)的按壓，易于攜帶、方便靈活，便利人們的生活，也為智能化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制作提供了一種新的解決方案。