1、基于 Cortex-M4 平台的智能台灯控制系统 张士银 黄晓英 刘佳 黄汉卿 湖北民族学院 摘 要： 本研究适应智能家居市场的需求, 设计并完成了一套可以实现手动调光、无线或语音开关灯和亮度自适应的智能台灯系统。该系统包括 LED 驱动、控制器、蓝牙无线通信、语音识别和照度传感 5 个部分, 并基于 TI 芯片 Cortex-M4 实现了智能台灯的无线通信和语音识别等功能。关键词： Cortex-M4; LED 驱动; 蓝牙通信; 语音识别; 收稿日期：2017-07-07Received： 2017-07-07智能台灯控制系统主要是采用无线通信技术、语音识别技术、I2C 通信技术来控制台灯
2、灯珠的明亮程度达到灯光自适应的效果。传统家庭灯光照明采用的是物理按键开关, 以及恒定电压提供恒定亮度。在消费者追求方便简洁的生活里, 这种到固定的地方开灯关灯已不能适应现代消费者的消费需求。因此, 在消费者需求多元化的背景下, 本文的智能台灯控制系统研究并实现了灯光的自适应和不同场景下的冷暖应用模式。在研究设计中使用基于非特定人语音识别技术的 LD3320 芯片进行语音识别。Cortex-M4 是 TI 公司新一代的微处理器芯片, 具有完善的指令和硬件支持系统, 与其他的单片机相比它具有更强的复杂功能处理的能力。在整个系统的实际应用中, Cortex-M4 实现了如下几个功能:与照度传感器进行
3、通信获取数据;控制灯光亮暗的不同挡位;识别语音指令;接收蓝牙指令信息, 实现整个系统的协调工作。1 总体设计本系统主要包括以下几个部分:以 CortexM4 为核心的主控制器、LED 驱动电路、蓝牙无线传输模块、光照信号采集模块、语音识别系统、手机客户端。各个部分各司其职、协调工作构成一个完整的系统, 系统结构图如图 1 所示。图 1 系统结构 下载原图手机客户端的应用采用的是 SPP 串口软件, 光照信号端使用照度传感器采集环境光照信息, 中心控制端采用 Cortex-M4 作为主控制器进行数据处理工作, 数据传输端使用串口蓝牙模块与手机客户端进行通信, 实现人与灯的交互, 此外, 还可以使
4、用语音输入的方式控制台灯。2 控制系统硬件设计2.1 Cortex-M4 主控制器Cortex-M4 主控制器采用 TI 公司 TivaC 系列 MCU, 它率先使用 65 纳米闪存工艺。Cortex-M4 主控制器采用了速率达 80MHz 的 ARM 浮点内核, 包含了高达 256KB闪存及 32KBSRAM。Cortex-M4 支持片上连接与选择通信, 包括USB、UART、I2C、SSI/SPI 以及 CAN 等。Cortex-M4 的指令集是 32 位的 Thumb2指令集, 采用了哈佛结构拥有独立的指令总线和数据总线, 可以让取指令与数据访问并行执行, 从而提升了性能。Cortex-
5、M4 实现了更快速、更大容量、更低功耗的应用为开发奠定了基础。本系统提出的基于 Cortex-M4 平台的智能台灯控制系统, 使用 ARMCortex-M4 MCU 作为主控制器与外围功能模块进行有线连接。2.2 LED 驱动电路设计在智能台灯控制系统中, LED 驱动电路用来控制 LED 灯珠的明亮程度。驱动电路受 Cortex-M4 的 I/O 口输出 PWM 信号的控制, 并按 PWM 的占空比的不同输出不同电压, 使台灯产生不同亮度。当 PWM 信号为高电平时关闭电压输出, 当PWM 信号为底电平时开启电压输出, 以此来达到改变电压调节灯光亮度的目的, LED 驱动电路如图 2 所示。
6、图 2 LED 驱动电路 下载原图本设计采用的是降压变换器, 输入到 LED 的电压 Vo小于输入电压 VIN, 并且他们极性相同。在降压变换中, 当 MOS 管 S 导通时, 电流流经电感 L 的电流 IL增大;当 MOS 管 S 关断时, 电流通过二极管 D 续流, 电感电流 IL 减小。因此, 加入改变占空比的方法控制开关的通断, 可以计算出输出电压, 在电流连续的情况下得到电压与占空比关系如下:其中 Ts表示开关周期, T on表示高电平时间, D 表示占空比, 可见, V o200lux, 太阳逐渐落山的过程中环境照度值逐渐下降, 直到黑夜来临照度值降为 0。依据以上数据, 设置频率
7、为 1MHz 时不同占空比情况下的照度值为灯光亮度的档位, 实现灯光自适应, 适应不同环境下灯光照明的需要, 不同占空比对应的照度值如表 2 所示。表 1 不同时间的照度值 (秋冬季晴天) 下载原表 表 2 不同占空比对应的照度值 (频率为 1MHz) 下载原表 2.4 灯光自适应灯光自适应是根据周围环境的光照值判断光照情况, 然后根据光照情况查确定Cortex-M4 控制器输出的 PWM 的占空比进而控制电压输出达到调节灯光的目的。在自然状态下光照采集、CortexM4 控制器、LED 驱动同时工作, 根据光照值自动调节灯光亮度达到灯光自适应。2.5 语音识别系统语音识别系统采用了 LD33
8、20 芯片, 他是一片基于非特定人声语音识别技术的声控芯片, 是一种真正的单芯片语音识别解决方案。同时, LD3320 芯片内置高精度 A/D 和 D/A 通道不需要外接 AD 芯片, 只需要把麦克风接在芯片的 AD 引角上, 即可处理外界的音频。在每次识别的过程中, 就是把用户说出的语音内容, 通过频谱转换成语音特征和关键词语列表中的条目进行一一匹配, 最优匹配的一条作为识别结果。在编程中直接将关键词写入芯片的寄存器, 将芯片的 I/O 引脚与控制器相连实现语音控制。2.6 蓝牙传输模块蓝牙传输模块采用 HC-05 蓝牙模块。蓝牙模块与智能手机配对成功后无需了解任何蓝牙协议即可当全双工串口使
9、用。同时支持 UART 串口协议可直接与单片机的 UART 接口相连实现通信。具有成本低、体积小、收发灵敏等特点, 易于实现无线传输。2.7 灯光模式灯光模式包括冷光灯和暖光灯两种模式。为适应不同应用场景, 安装冷暖两种LED 灯珠, 使用继电器作为中继开关。当语音控制或无线控制接收到冷暖灯调节的指令后由 Cortex-M4 控制器处理相应指令, 控制继电器开合进而开启冷暖两种灯光模式。3 软件设计在软件设计上, 使用 CCS6.0 版本的集成开发环境。整个程序包括系统使能配置, I2C 数据采集, 灯光自适应算法以及语音、无线开关条件判断。在手机客户端SPP 蓝牙串口软件方面对用户交互界面进
10、行了优化, 使得人机交互更方便, 更具人性化。在 SPP 蓝牙串口软件上设置了开关按钮和冷暖灯光模式是选择, 程序流程图如图 3 所示。图 3 程序流程 下载原图4 结束语整个智能台灯控制系统, 实现了从自然环境采集信息进行自适应调光, 语音、无线开关。涉及从硬件电路设计, 到无线网络通信等多项实用技术。借用硬件电路设计以及移动手机端完善控制系统, 快速实现整个系统的互联互通。而且这个调控系统设计简易, 易于在各个平台之间移植, 比如, 除了移动手机端还可以将网络连接进电脑端, 甚至在后面的升级换代过程中我们可以将网络通信方式升级为 WIFI 通信, 以提升网络通信的安全性。同时在人与灯的交互模式上增添更多功能, 比如:灯光颜色模式、定时开关等。参考文献1黄天宏.LED 照明技术的研究和设计实例D.长沙:湖南大学, 2009. 2杨光.智能照明控制系统及其应用J.福建建设科技, 2007, (2) :4950. 3李宗.智能家居中灯光控制系统的研究D.上海:上海交通大学, 2008. 4张曙光.智能照明系统及其工程应用J.建筑电气, 2004, 23 (z1) :122124.
