基于REC-V2的老年電磁爐設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姜曉雪，陳小菊，唐嘉

（宜賓學(xué)院，四川宜賓，644000）

0 概述

隨著社會(huì)老齡化問(wèn)題不斷嚴(yán)重，年輕人外出工作無(wú)法照顧老年人的生活起居，所以老人的生活起居成了社會(huì)廣泛關(guān)注的問(wèn)題。由這種現(xiàn)象的普遍性得到啟發(fā)，設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)老人適用，又能保證老人生活用電安全的產(chǎn)品。該設(shè)計(jì)是為視力弱化、動(dòng)作遲緩和對(duì)電磁爐這種有多功能按鍵的電器有使用障礙的老人定制的產(chǎn)品。這個(gè)產(chǎn)品具有智能語(yǔ)音播報(bào)、語(yǔ)音控制、語(yǔ)言選擇、LED 閃爍提示、防水等功能。

1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)通過(guò)NewWay Speech Recognition Studio Summerd對(duì)REC-V2 語(yǔ)音識(shí)別模塊進(jìn)行程序編寫(xiě)，主要設(shè)計(jì)思路如下:系統(tǒng)外設(shè)初始化，檢測(cè)外部輸入語(yǔ)音信號(hào)，根據(jù)輸入語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行關(guān)鍵詞對(duì)比，匹配成功時(shí)執(zhí)行相關(guān)指令。系統(tǒng)軟件主要控制部分包括串口發(fā)送子程序、模態(tài)跳轉(zhuǎn)子程序、MP3播放子程序。系統(tǒng)任一子程序在通電時(shí)均進(jìn)行一次初始化。本系統(tǒng)采用語(yǔ)音觸發(fā)功能，用戶通過(guò)普通話描述出想實(shí)現(xiàn)的功能，語(yǔ)音模塊再根據(jù)采集到的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行識(shí)別詞條匹配，識(shí)別詞條匹配成功后通過(guò)揚(yáng)聲器進(jìn)行播報(bào)，進(jìn)而執(zhí)行相應(yīng)的功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件部分主要包括語(yǔ)音模塊、繼電器控制模塊、電磁爐控制模塊和電磁爐主板模塊。系統(tǒng)中通過(guò)對(duì)REC-V2 語(yǔ)音模塊對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行處理和識(shí)別，然后模塊所識(shí)別到的語(yǔ)音指令控制繼電器控制模塊中對(duì)應(yīng)的各個(gè)功能開(kāi)關(guān)。繼電器控制模塊是和電磁爐控制模塊中的功能選擇按鍵連接的。例如當(dāng)用戶發(fā)出“炒菜”指令時(shí)，REC-V2 模塊對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行識(shí)別，然后通過(guò)對(duì)應(yīng)的串口發(fā)送指令，從而對(duì)繼電器控制模塊中對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)控制，然后選擇到電磁爐控制模塊中的“炒菜”功能，最后電磁爐主板模塊開(kāi)始執(zhí)行用戶指令。各個(gè)功能出于對(duì)成本、功耗、性能以及實(shí)用性等多方面的考慮，本系統(tǒng)中選用性能卓越、能耗低、實(shí)時(shí)性好的REC-V2 作為核心處理器，也可以最大程度優(yōu)化耗電和性能[1]。通過(guò)出于對(duì)減少電路噪聲源，提高系統(tǒng)抗壓性和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的考慮。電源采用總線的分配模式和供電模式，設(shè)計(jì)有多個(gè)電源和多個(gè)接地，復(fù)位電路采用低電平復(fù)位。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

■2.1 語(yǔ)音模塊

REC-V2 語(yǔ)音識(shí)別模塊是一種高性能的VOICE-UI 產(chǎn)品，能夠方便地計(jì)出強(qiáng)大的語(yǔ)音識(shí)別劇本，實(shí)現(xiàn)人機(jī)的語(yǔ)音交互[2]，為設(shè)備增加人機(jī)語(yǔ)音接口，它能夠?qū)尤氲臒o(wú)源麥克風(fēng)、立體聲、單聲道等多種音源進(jìn)行識(shí)別，模塊擁有豐富的設(shè)計(jì)資源，方便設(shè)計(jì)各種人機(jī)交互產(chǎn)品[3]。在本設(shè)計(jì)中主要通過(guò)REC-V2 語(yǔ)音識(shí)別模塊對(duì)電磁爐功能進(jìn)行控制。此模塊主要能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別功能、語(yǔ)音控制功能、語(yǔ)音播報(bào)功能。語(yǔ)音識(shí)別主要是通過(guò)麥克風(fēng)采集語(yǔ)音，再通過(guò)REC-V2 語(yǔ)音模塊進(jìn)行識(shí)別；語(yǔ)音控制是通過(guò)功能擴(kuò)展接口對(duì)繼電器控制模塊進(jìn)行控制；語(yǔ)音播報(bào)是通過(guò)揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)播報(bào)功能。REC-V2語(yǔ)音識(shí)別模塊實(shí)物圖如圖2 所示。

圖2 REC-V2 實(shí)物圖

■2.2 繼電器控制模塊

此模塊采用繼電器、常開(kāi)接口最大負(fù)載為交流250V/10A、直流30V/10A；采用貼片光耦隔離，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定，觸發(fā)電流為5mA；模塊工作電壓有5V、12V、24V 可供選擇；模塊每一路都可以通過(guò)跳線設(shè)置高電平或低電平觸發(fā)；還有很強(qiáng)的容錯(cuò)設(shè)計(jì)，即使控制線斷開(kāi)，繼電器也不會(huì)動(dòng)作；接口設(shè)計(jì)人性化，所有接口均可通過(guò)接線端子直接連線引出，非常方便；輸出端有24 線接口，所有接口都可以直接連線引出，方便使用[4]。本設(shè)計(jì)采用繼電器來(lái)控制電磁爐的功能選擇，繼電器控制模塊與REC-V2 語(yǔ)音模塊的功能擴(kuò)展接口連接。通過(guò)REC-V2 語(yǔ)音模塊發(fā)送指令對(duì)繼電器控制模塊中每路繼電器的開(kāi)啟與關(guān)閉進(jìn)行控制。八路繼電器分別對(duì)應(yīng)了電磁爐功能:炒菜、燒水、升溫、降溫、定時(shí)、停止等。繼電器控制模塊原理圖如圖3 所示。

圖3 繼電器控制模塊原理圖

■2.3 電磁爐控制模塊

電磁爐控制模塊是由按鍵、LED 驅(qū)動(dòng)控制電路、發(fā)光二極管、電容等元器件構(gòu)成。其中TM1628 是一種帶鍵盤(pán)掃描接口的LED 驅(qū)動(dòng)控制專(zhuān)用IC，內(nèi)部集成有MCU、數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器、LED 驅(qū)動(dòng)、鍵盤(pán)掃描等電路。其質(zhì)量可靠、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)，主要適用于家用設(shè)備，如熱水器、微波爐、電磁爐、洗衣機(jī)等；機(jī)頂盒；電子秤；智能電表等數(shù)碼管或LED 顯示設(shè)備[5]。電磁爐控制模塊受繼電器模塊控制，繼電器控制模塊中的各個(gè)開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的是電磁爐控制模塊中的相應(yīng)功能按鍵。電磁爐控制模塊中的功能按鍵則是直接控制著電磁爐主板模塊的工作。電磁爐控制模塊原理圖如圖4 所示。

圖4 電磁爐控制模塊原理圖

■2.4 電磁爐主板模塊

電磁爐主板模塊主要由加熱線圈盤(pán)L1300、諧振電容C004、主晶體管IGBT1、續(xù)流二極管DV1 等原件構(gòu)成主回路電路[5]。電磁爐主板模塊任務(wù)是將300V 左右的直流電轉(zhuǎn)換成高頻電流，并通過(guò)加熱盤(pán)感應(yīng)到鍋具，是鍋具底部產(chǎn)生渦流而發(fā)熱。其是通過(guò)電磁爐控制模塊中的功能選擇開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。在電磁爐控制模塊中選定功能后，主板模塊將會(huì)根據(jù)相應(yīng)的功能模塊進(jìn)行工作。電磁爐主板模塊如圖5 所示。

圖5 電磁爐主板模塊原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分是通過(guò)NewWay Speech Recog nition Studio Summerd 對(duì)REC-V2 語(yǔ)音識(shí)別模塊進(jìn)行程序編寫(xiě)。首先初始化模塊。然后開(kāi)始判斷系統(tǒng)是否進(jìn)入語(yǔ)音模式。如果模塊沒(méi)有進(jìn)入，則可以通過(guò)普通模式控制電磁爐；系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入語(yǔ)音模式，則可以語(yǔ)音模式和普通模式并用。當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)已經(jīng)處理完畢后繼續(xù)對(duì)語(yǔ)音播報(bào)劇本[6]進(jìn)行處理，如果語(yǔ)音播報(bào)劇本也處理完畢，就對(duì)功能模態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理完畢后對(duì)命令緩沖區(qū)進(jìn)行處理，命令緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)主要是用戶端發(fā)來(lái)的控制指令，執(zhí)行完畢后返回初始模態(tài)中。軟件設(shè)計(jì)程序流程圖如圖6 所示。

圖6 程序流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

■4.1 人聲識(shí)別測(cè)試

為掌握測(cè)試語(yǔ)音識(shí)別的效果，選擇了兩種測(cè)試環(huán)境分別是嘈雜環(huán)境和安靜環(huán)境。由表中數(shù)據(jù)可以看出，安靜環(huán)境下對(duì)人聲的語(yǔ)音識(shí)別率可達(dá)到90%以上，嘈雜的環(huán)境下的語(yǔ)音識(shí)別率也可達(dá)80%以上。識(shí)別率方面，在嘈雜環(huán)境下比在安靜環(huán)境下的語(yǔ)音識(shí)別率有所降低；穩(wěn)定性方面，在安靜環(huán)境下系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好，語(yǔ)音說(shuō)1 遍，最多說(shuō)2 遍模塊就可以做出正確的響應(yīng)；在嘈雜環(huán)境下，系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所下降，個(gè)別語(yǔ)音命令需要說(shuō)3 遍甚至3 遍以上才能被模塊準(zhǔn)確識(shí)別；實(shí)時(shí)性方面，在安靜環(huán)境下的語(yǔ)音能保證系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性，響應(yīng)時(shí)間一般不超過(guò)1～2s，在噪聲環(huán)境下的響應(yīng)時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)一些。人聲識(shí)別測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 人聲識(shí)別測(cè)試表

■4.2 串口測(cè)試

通過(guò)人說(shuō)出功能，在串口調(diào)試軟件上觀察語(yǔ)音模塊是否成功識(shí)別人聲。成功識(shí)別人聲時(shí)，串口調(diào)試軟件上就會(huì)接收到相應(yīng)的文字；若未能成功識(shí)別人聲，則串口調(diào)試軟件上就不會(huì)接收到文字。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)共測(cè)試了30 次串口輸出功能，開(kāi)機(jī)10 次，炒菜10 次，燒水10 次；關(guān)閉電磁爐10 次。其中有兩次識(shí)別失敗，經(jīng)分析原因?yàn)榄h(huán)境嘈雜且信號(hào)來(lái)源模糊，識(shí)別率為93.33%。串口測(cè)試結(jié)果如圖7 所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文討論了REC-V2的語(yǔ)音識(shí)別功能、語(yǔ)音播報(bào)功能、語(yǔ)音控制功能和繼電器模塊控制功能，對(duì)各個(gè)模塊電路及功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。當(dāng)用戶說(shuō)出一條指令時(shí)，REC-V2 模塊對(duì)其進(jìn)行響應(yīng)，然后通過(guò)擴(kuò)展功能接口對(duì)繼電器模塊控制，進(jìn)而控制電磁爐控制板。通過(guò)語(yǔ)音指識(shí)別模塊對(duì)多條語(yǔ)音指令進(jìn)行了測(cè)試，能夠識(shí)別指令并執(zhí)行相關(guān)功能。最終成功完成了基于REC-V2的老年電磁爐的設(shè)計(jì)。

圖7 串口測(cè)試結(jié)果