巧借離線語音模塊做個Arduino“聲控門”

牟曉東

在很多的開源硬件編程創(chuàng)客作品中都會用到“語音識別”控制功能，比如通過“小度小度”等喚醒詞來實(shí)現(xiàn)語音命令的喚醒與傳送，目前大部分的語音識別功能都離不開網(wǎng)絡(luò)支持（像百度智能云）。其實(shí)，我們還可以通過離線語音模塊（比如好好搭搭的ASR-THREE）來實(shí)現(xiàn)語音識別，優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度非常快，而且支持中英文甚至是方言語音命令的訓(xùn)練學(xué)習(xí)與應(yīng)用。如果想要設(shè)計制作一個Arduino“聲控門”，用戶通過發(fā)出“請開門！”、“請關(guān)門！”的語音指令來控制舵機(jī)進(jìn)行開關(guān)門的動作，如何來實(shí)現(xiàn)呢？

1.實(shí)驗(yàn)裝置及連接

實(shí)驗(yàn)裝置包括Arduino UNO開發(fā)板一塊，ASR-THREE離線語音模塊一個，SG90舵機(jī)一個，紅色、綠色LED燈各一支，小型面包板一個，各種顏色的杜邦線若干。

首先，通過紅色和黑色兩根杜邦線，將Arduino的5V和GND端分別連接至面包板的側(cè)邊（標(biāo)注有“+”紅色和“-”藍(lán)色長線）;接著，將ASR-THREE離線語音模塊的V（電源正極）和G（接地端）連接至面包板的電源正極和負(fù)極，再將S（Signal）信號端連接至Arduino的3號引腳;然后，將SG90舵機(jī)的電源正極和接地端同樣也連接至面包板的電源正極和負(fù)極，再將信號端連接至Arduino的10號引腳;最后，將紅色和綠色LED燈的負(fù)極（“短腿”）均插入面包板的負(fù)極，正極（“長腿”）則分別通過杜邦線連接至Arduino的13號和12號引腳（如圖1）。

2.訓(xùn)練ASR-THREE離線語音模塊“學(xué)習(xí)命令詞”

默認(rèn)情況下，ASR-THREE離線語音模塊提供了50多條包括“學(xué)習(xí)命令”、“喚醒詞”和“命令詞”在內(nèi)的語音指令，每條語音指令均對應(yīng)一個十進(jìn)制的ID號，比如命令詞“打開燈光”的ID號是70、“減小音量”的ID號是104等等。由于在設(shè)計制作的Arduino“聲控門”項(xiàng)目中需要的語音命令詞是“請開門！”和“請關(guān)門！”，因此需要進(jìn)行自定義訓(xùn)練ASR-THREE離線語音模塊進(jìn)行“學(xué)習(xí)”，方法如下：

將Arduino的數(shù)據(jù)線連接至電腦的USB接口，很快就有“歡迎使用語音識別助手！”的語音提示;接著，對著離線語音模塊的麥克風(fēng)說出任意一條喚醒詞——比如“智能管家”，離線語音模塊回答“我在呢！”;再說：“學(xué)習(xí)命令詞”，回答：“學(xué)習(xí)狀態(tài)中，保持安靜，請按提示學(xué)習(xí)命令詞，請說出第一條要學(xué)習(xí)的指令”，再說：“請開門！”，回答：“學(xué)習(xí)成功，請?jiān)僬f一次”;按照提示，最終完成該語音指令命令詞的訓(xùn)練學(xué)習(xí)。同樣的操作，再訓(xùn)練完成對“請關(guān)門！”語音指令的學(xué)習(xí)，對應(yīng)的ID號分別是53和54（如圖2）。

3.方法一：在Arduino IDE中進(jìn)行代碼編程

（1）導(dǎo)入庫與setup（）函數(shù)初始化操作

為了進(jìn)行串口數(shù)據(jù)傳輸及控制舵機(jī)的操作，需要先通過“#include ”和“#include ”兩個語句導(dǎo)入對應(yīng)的庫;接著，通過SoftwareSerial類的構(gòu)造函數(shù)來指定軟串口的RX和TX引腳分別是3和6：“SoftwareSerial mySerial（3，6）”;再分別將紅色、綠色LED的引腳號進(jìn)行定義：“int RedLED = 13”、“int GreenLED = 12”;然后，通過“Servo myservo”語句來創(chuàng)建舵機(jī)對象，并且建立變量pos來初始化舵機(jī)的角度值為0：“int pos = 0”。

在setup（）函數(shù)中，先設(shè)置串口通訊的波特率為115200：“mySerial.begin（115200）”;再將兩支LED燈的工作模式設(shè)置為輸出：“pinMode（RedLED，OUTPUT）”、“pinMode（GreenLED，OUTPUT）”;最后，聲明舵機(jī)的數(shù)據(jù)線連接在Arduino的10號引腳：“myservo.attach（10）”（如圖3）。

（2）編寫open_door（）和close_door（）函數(shù)

先來編寫open_door（）“開門”函數(shù)：當(dāng)收到“請開門！”語音指令時，首先控制紅色LED燈亮：“digitalWrite（RedLED，HIGH）”;然后，通過一個for（）循環(huán)結(jié)構(gòu)（“for（pos=0;pos<=90;pos+=1）”）來實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度由0°逐漸遞增為90°：“myservo.write（pos）”，并且在每次旋轉(zhuǎn)增加1°后進(jìn)行20毫秒的延時：“delay（20）”;最后，控制紅色LED燈熄滅、綠色LED燈發(fā)光：“digitalWrite（RedLED，LOW）”、“digitalWrite（GreenLED，HIGH）”。

接著，編寫close_door（）“關(guān)門”函數(shù)，與open_door（）函數(shù)非常類似，比如for（）循環(huán)控制舵機(jī)由90°旋轉(zhuǎn)恢復(fù)至0°（“for（pos=90;pos>=0;pos-=1）”）、控制紅色和綠色LED燈的亮或滅，等等（如圖4）。

（3）編寫loop（）主函數(shù)及Arduino“聲控門”的測試

loop（）主函數(shù)非常簡單，通過if（）語句來判斷串口是否有新數(shù)據(jù)產(chǎn)生：“if （mySerial.available（） > 0）”;如果有新數(shù)據(jù)產(chǎn)生，說明收到了某條語音指令，通過switch多分支結(jié)構(gòu)（“switch （mySerial.read（））”）來對語音指令的對應(yīng)ID號進(jìn)行判斷——如果ID號是53，說明收到的語音指令是“請開門！”，則執(zhí)行open_door（）函數(shù);如果ID號是54，說明收到的語音指令是“請關(guān)門！”，則執(zhí)行close_door（）函數(shù)。

將程序保存為Sound_Door.ino，上傳至Arduino進(jìn)行測試。先通過“智能管家”喚醒詞進(jìn)行喚醒，再發(fā)出“請開門！”語音指令，紅色LED燈亮、舵機(jī)由0°旋轉(zhuǎn)至90°、紅色LED燈熄滅、綠色LED燈發(fā)光;接著再發(fā)出“請關(guān)門！”語音指令，綠色LED熄滅、紅色LED燈發(fā)光、舵機(jī)由90°旋轉(zhuǎn)至0°、紅色LED燈熄滅;反復(fù)測試，均能實(shí)現(xiàn)語音指令控制舵機(jī)正反轉(zhuǎn)開關(guān)門的功能（如圖5）。

4.方法二：在Mind+中進(jìn)行圖形化編程

啟動Mind+，首先點(diǎn)擊“擴(kuò)展”按鈕進(jìn)行主控板中“Arduino Uno”、執(zhí)行器中“舵機(jī)模塊”和用戶庫中“離線語音識別模塊”的添加;點(diǎn)擊“返回”按鈕后開始圖形化的編程：

同樣也是先編寫“開門”和“關(guān)門”兩個函數(shù)，包括紅色和綠色LED燈的開關(guān)及舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制;然后再進(jìn)行主程序的編寫，包括語音識別的初始化和串口波特率的設(shè)置，同樣也是在循環(huán)結(jié)構(gòu)中先進(jìn)行語音識別是否有數(shù)據(jù)可讀的判斷，然后通過變量Order_ID來存儲語音識別的讀取數(shù)據(jù)并判斷其數(shù)值——如果是53，則調(diào)用執(zhí)行“開門”函數(shù);如果是54，則調(diào)用執(zhí)行“關(guān)門”函數(shù)（如圖6）。

將程序保存為Arduino“聲控門”.sb3，點(diǎn)擊“連接設(shè)備”后再進(jìn)行程序的上傳測試，效果與使用Arduino IDE進(jìn)行代碼編程的測試一致。