1、智能空调语音控制系统开发 李新成 员玉良 张健 丛鑫芝 王东伟 青岛农业大学机电工程学院 摘 要： 随着社会经济不断的发展和人们生活水平的提高, 人们对家居功能的多样化和使用的便捷性要求也在不断地提高。基于这一背景本设计利用语音识别芯片对语音进行录入、识别, 进而实现人机交互。系统采用非特定人语音识别技术, 通过语音芯片 LD3320 准确的识别出人发出的语音控制指令, 并将其转换成数字信号传送给主控制系统。主控系统的控制器采用 STC89C52RC 单片机, 单片机接收来自语音模块的信号后, 对其进行处理, 生成控制信息发送给红外线发射模块, 再由红外线发射器将控制信息发射给智能空调。试验表
2、明, 本语音控制系统能够达到预期目的, 具有较好的应用前景。关键词： 智能家居; 语音识别; 单片机; LD3320; 作者简介：李新成 (1976-) , 男, 汉族, 山东沂水人, 讲师, 博士, 主要从事信息检测与智能控制研究。E-mail:xincheng_作者简介：王东伟 (1981-) , 男, 汉族, 山东泰安人, 副教授, 主要从事新型农业装备设计研究, E-mail:W收稿日期：2017-07-25基金：国家重点研发计划 (2016YFD0702103) Development of Speech Control System for Intelligent Air-cond
3、itionerLI Xincheng YUN Yuliang ZHANG Jian CONG Xinzhi WANG Dongwei College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University; Abstract： With the continuous development of society and the gradual improvement of peoples living standards, people have a higher demand for their ow
4、n living environment level, the requirement on functional diversity and convenience of household equipment is also constantly improved.Based on this background, this design uses the existing speech recognition chip to identify the speech input, so as to realize human-computer communication.And then
5、the speech chip non-specific speech recognition technology is adopted to accurately identify the speech command issued by the speech chip LD3320, the speech command will be converted into digital signal transmitted to the main control system.The controller of the main control system adopts the STC89
6、 C52 RC, which receives the signal from the speech module and processes it.Furthermore, it sends the control information to the infrared transmitting module, and transmits the control information to the intelligent air-conditioner by the infrared transmitter.The experimental result shows that the sp
7、eech control system can achieve the desired purpose and has a good application prospect.Keyword： smart home; speech recognition; single chip microcomputer; LD3320; Received： 2017-07-25智能家居的研究最初开始于 1970 年左右的一些西方发达国家。1984 年, 第一个智能家居住宅在美国建成, 此后一些欧美国家也先后提出了不同的智能家居发展方向, 并制定了行业标准, 使得智能家居的影响逐渐扩大1-3。随着社会的发展
8、和人们生活水平不断的提高, 市场对智能家居的需求也越来越大, 同时也加速了国内外智能家居的发展。目前, 语音控制, 已成为智能家居中一项十分重要的技术。1997 年, 美国的 IBM 公司研究出了汉语 Via Speech 语音识别系统, 该系统的语音识别率接近 95%4。近年来, 国内以清华大学为代表的科研机构研发的非特定人语音识别芯片, 其识别率达到 96%以上4, 处于国内领先地位5,6。虽然智能家居控制系统的研究在高速发展的科学技术中已经取得了许多成果, 但在智能家电领域的应用较少7-12。为此, 本文研究开发了一种基于语音控制的智能空调系统。1 语音识别原理语音识别是指通过麦克风把声
9、音收集进来, 进行信号分析处理和转换, 将人类的语音信号转换成计算机可识别的数字信号, 从而实现对语音的识别8。本设计采用的语音识别芯片为 LD3320。LD3320 是一款应用了非特定语音识别技术的声音采集和声控的芯片, 芯片上集成了高精度的 A/D 和 D/A 接口, 不需要外接辅助的 FLASH 和 RAM, 即可以实现语音识别、声控、人机对话功能, 提供了真正的单芯片语音识别解决方案。同时, 芯片上还具有一些麦克风接口、声音输出接口等语音识别处理器和一些外部电路。而且, 用户可根据自身需求对关键词进行相应的定义, 把要识别的关键词以数字信号的形式发送给语音识别芯片, 即可进行语音识别1
10、2。语音识别原理如图 1 所示。图 1 语音识别的实现原理框图 Fig.1 Implementation of speech recognition 下载原图2 系统硬件设计2.1 主控芯片 STC89C52RC主控系统的控制器采用 STC89C52RC 单片机, 最小系统如图 2 所示。单片机接收来自语音模块的信号后, 对其进行处理, 生成控制信息发送给红外线发射模块, 再由红外线发射器将控制信息发射给智能空调。图 2 STC89C52RC 最小系统 Fig.2 The simplest system of STC89C52RC 下载原图2.2 语音芯片 LD3320语音芯片 LD3320
11、准确的识别出人发出的语音控制指令, 并将其转换成数字信号传送给主控制系统。其外部引脚接线电路图如图 3 所示。2.3 语音模块接口语音模块接口电路如图 4 所示, P2 接口第 2 引脚连接外部电源 VCC, 电压为3.3V;引脚 5 为电源负极;引脚 3 与单片机 STC89C52RC 的引脚 P3.0 相连, 语音芯片通过此引脚将信息传送给主控制芯片;引脚 4 与单片机 STC89C52RC 的引脚P3.1 相连, 语音芯片通过此引脚接收主控制芯片传来的信息。2.4 红外遥控模块功能需求本系统主要满足用户通过语音对家用电器设备进行语音调控。现以空调为例进行语音控制系统设计。本系统的功能主要
12、分成 4 个部分:开关功能、模式调节、温度调节、风向调节。表 1 描述了空调各功能模块的模式。2.5 编码/解码芯片系统采用的编码/解码芯片是 PT2262/2272, 芯片 PT2262 能使数据和引脚地址编码形成串行码, 能提供 521 和 411 地址码, 因此很大程度上降低了出现错码和乱码的可能性。芯片 PT2262/2272 管脚功能表如表 2、表 3 所示。图 3 LD3320 外部接线电路 Fig.3 External wiring circuit of LD3320 下载原图图 4 语音模块接口电路 Fig.4 Interface circuit of speech modul
13、e 下载原图2.6 编码格式及定义红外编码的规则是由地址码、数据码和同步码共同构成 1 个完整的信号脉冲, 再由 2 个脉冲组成 1 位信号波形。PT2262 芯片总共 18 个引脚, 地址引脚是 A0-A11 共 12 个, 可以接高电平、低电平和悬空。其中短脉冲宽度为 A, 长脉冲宽度为 3A, 。编码信号的格式是:2 个短脉冲表示 1 个低电平“0”, 2 个长脉冲表示 1 个高电平“1”, 1 个短脉冲和 1 个长脉冲表示悬空“f”。具体波形如图 5 所示。表 1 智能空调各功能模块模式 Table 1 The mode of each function module of intel
14、ligent air conditioning 下载原表 表 2 编码芯片 PT2262 管脚功能表 Table 2 The pin function of coding chip PT2262 下载原表 表 3 解码芯片 PT2272 管脚功能表 Table 3 The pin function of decoding chip PT2272 下载原表 图 5 红外编码波形图 Fig.5 Infrared coded waveform diagram 下载原图控制空调时, 编码器使用 A0A3 来定义地址编码, 其地址编码和对应的控制模式如表 4 所示。PT2262 和 PT2272 芯片的
15、信号编码需要一一对应。因此编码器的每一种接法必须与解码器的编码一样, 只有两者编码相同, 解码器才能接收脉冲并进行解码。除此之外, 两者的振荡电阻的阻值还需要一致, 同时为了保证接收电路的正常使用, 其解码电路振荡频率必须要比编码电路的振荡频率大 37 倍。2.7 收发模块电路设计信息发射模块是由编码器 PT2262 和发射器构成, 编码器主要功能是对数据进行编码调制, 将数据信号转换成可利用红外线传输的脉冲信号然后将脉冲信号发送给发射器。发射器的作用就是发射红外线, 利用红外线将转换成的脉冲信号发射给接收器。电路如图 6 所示。表 4 控制模式及地址编码 Table 4 The contro
16、l mode and address coding 下载原表 信息接收模块由接收器和解码器构成, 接收器的红外探头负责接收发射器发送的红外线, 然后将其中包含的脉冲信号传送给解码器。解码器收到信号后, 对信号进行分析解码, 将其转换成数字信号传送给电气设备。其接收电路如图 7所示。3 系统软件设计3.1 系统控制主流程图系统主要控制流程如下:首先是对语音的采集录入, 通过麦克风来录入语音控制信息。然后将采集到的控制信息传送给语音识别模块, 语音识别模块内置非特定人语音芯片 LD3320, 通过单片机 STC10L08XE 驱动芯片 LD3320 将语音控制信息转换成数据信息, 再将控制信息传送
17、给主控制系统。主控制系统的主要芯片是 STC89C52RC, 单片机 STC89C52RC 接收来自语音模块的信息并将信息进行分析处理, 再将处理后的信息发送给红外遥控模块。红外遥控模块由单片机STC89C52RC、编码器、解码器、发射器和接收器组成。由编码器和发射器对数字信号进行编码发送, 接收器和解码器负责接收解码, 再将控制信息给单片机, 由单片机实现最终控制。系统控制流程如图 8 所示。图 6 编码电路图 Fig.6 Infrared coding circuit 下载原图图 7 接收电路图 Fig.7 Infrared receiving circuit 下载原图3.2 软件程序设计
18、系统程序设计可以分为 3 部分。第 1 部分是语音模块的语音识别程序, 用来识别关键词 (即指语音指令) 将识别结果转换为数字信号。第 2 部分为控制程序, 此程序根据语音模块发送来的控制信息变成控制指令发送给发射模块。第 3 部分是红外线遥控模块的发射程序, 发射程序即是通过编码器对数字信号进行编码, 将数字信号转换成可以用红外线发送的脉冲信号, 最后将脉冲信号发射给接收器。语音控制程序流程如图 9 所示。图 8 系统控制主流程图 Fig.8 Main flow chart of system control 下载原图图 9 语音控制程序流程图 Fig.9 Speech control fl
19、ow chart 下载原图4 结论本文设计开发的智能空调语音控制系统采用非特定人语音识别芯片 LD3320 进行语音信号的识别和转换, 然后由编码器和红外发射模块将数据传送给单片机控制模块, 单片机接收信息后对数据进行处理, 进而对智能空调设备进行直接操控。试验表明, 设计的智能空调语音控制系统能够达到预期目的, 从而为智能家居语音控制系统的开发提供了参考。参考文献1朱敏玲, 李宁.智能家居发展现状及未来浅析J.电视技术, 2015, 39 (4) :82-85 2侯海涛.国内外智能家居发展现状J.建材发展导向, 2004, 2 (5) :92-93 3Roy A, Das S K, Basu
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