基于语音识别技术的智能灯光控制系统_陈靖文.pdf

科技与创新Science and Technology&Innovation602023 年 第 04 期文章编号：2095-6835（2023）04-0060-03基于语音识别技术的智能灯光控制系统陈靖文1，陈 蕾2，张永康1，朱顺凯1，白伟学1，邓淏文1（1.苏州城市学院电子信息工程系，江苏 苏州 215104；2.苏州大学电子信息学院，江苏 苏州 215006）摘要：随着近年来科技的迅猛发展，智能家居俨然已成为了人们生活中必不可少的一部分。设计了一款基于语音识别系统的智能灯光控制系统。采用STC89C52RC作为主控芯片，外接语音识别模块LD3320、红外人体感应模块 BISS0001、A/D 转换器 PCF8591 及 Wi-Fi 模块 ESP8266，在传统灯光的基础上增加人体感应自动开关、语音识别、远程控制、亮度自动调节等功能。该系统语音识别迅速准确，使用简单且成本低廉，有着较为广阔的应用前景。关键词：嵌入式系统；语音识别；灯光控制；智能家居中图分类号：TP273文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.04.0172014 年以来，各大厂商已开始密集布局智能家居，尽管从产业来看，业内还没有特别成功的案例显现，这预示着行业发展仍处于探索阶段，但越来越多的厂商开始介入和参与已使外界意识到智能家居未来发展前景广阔，在智能家居中占据首位的语音识别技术正蓬勃发展。2018 年科大讯飞提出了深度全序列卷积神经网络（DFCNN），阿里提出了 LFR-DFSMN。2019年，百度提出了流式多级的截断注意力模型 SMLTA，越来越多的厂商开始推动智能语音识别的发展。追求更加实用性、易用性、安全性、人性化的设备是时代进步的需求和标志，使居住环境更加方便、舒适、环保是本文所要达到的目标。本文设计了基于单片机的语音识别智能台灯控制系统，在此系统中实现了语音识别、亮度调节、自动开关、远程控制等功能。外出无需再担心灯光是否关闭，更加便捷地提供了睡前灯光声控关闭功能和半夜起床时的照明。实现了非接触式的灯光智能控制，具有一定的实用价值1。1硬件结构设计1.1系统组成结构智能灯光控制系统主要由以下几部分组成：单片机模块、语音识别模块、红外人体感应模块、光敏与A/D 转换模块、按键模块、液晶显示模块及 Wi-Fi 模块。系统的硬件结构如图 1 所示。1.2主控模块本文采用 STC89C52RC 作为主控芯片，实现数据采集和控制。STC89C52RC 在指令系统和引脚上与MCS-51 系列的单片机完全兼容，它采用 Flash 存贮器技术，降低了制造成本，将多功能 8 位 CPU 和闪存组合在单个芯片中，其程序的电可擦写特性，使得开发与试验更加容易，具有灵活性高、功能强且价格低廉等特点。单片机红外感应模块语音识别模块液晶显示器Wi-Fi 模块光敏电阻A/D转换器LED 灯按键图 1硬件结构图1.3语音识别模块本设计中语音识别模块的芯片选用 LD3320。它是一颗真正的单芯片，由 ICRoute 公司设计生产，具有非特定人语音识别技术、高准确度和实用的语音识别效果，可动态编辑且最高有 50 条识别关键词语列表；内含 PLL 频率合成器、A/D 和 D/A 转换器、麦克风输入和 MP3 输出接口等部分；支持并行接口或 SPI 接口，支持休眠模式，具有 MP3 播放功能2。LD3320 芯片的 MICN（P）为麦克风输入接收口，考虑到家里环境相对安静，外界麦克风采用远距离拾基金项目2021 年江苏省大学生创新创业训练项目（编号：202113983016Y）Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 04 期61音咪头，实现无论在家中何处都能语音控制智能灯。再将其MD口置为1，就可以通过4个控制信号（WRB、RDB、CS、A0）、8 路数据线（P0P7）及 1 个中断返回信号（INTB）和 MCU 主控进行并行通信。在完成单片机和语音芯片的通用初始化后，就可以进行语音识别工作了。运行 ASR 的流程如下：首先，进行 ASR 初始化，初始化 ASR 一些参数，这些参数主要包括设置语音检测的灵敏度、起始语音的时间和背景噪音时间；接着添加关键词语到 LD3320 芯片中，将“管家”“打开灯光”“关闭灯光”“降低亮度”“升高亮度”这些词的拼音录入为关键词语；把例如“关闭”“降低”“管（关）”等这些有谐音或表达不全的词语列入垃圾词汇，以降低识别出错率；最后，打开 MIC输入，启动 AD 采样，激活 DSP，启动 ASR 运算模块，开始语音识别。每次识别的过程，就是把用户说出的语音内容，通过频谱转换为语音特征，和这个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。识别流程结束后，单片机通过并行口通信获得识别结果，随后单片机对 LED 台灯进行相应的控制。语音模块电路图如图 2 所示。图 2语音模块电路图1.4红外人体感应模块本文选用了 BISS0001 模块。BISS0001 是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。1.5光敏感应与 A/D 转换模块通过光敏电阻模块实现光敏感应自动调节亮度的功能的测量信号值，然后将其模拟量通过 PCF8591 转换为数字量来实现。PCF8591是8位AD/DA转换芯片，设定基准电压为 5.1 V 时，其分辨率可以达到 0.02 V。PCF8591 与外界的通信靠 SDA、SDL 这 2 条线通过 IIC协议进行双向传输。单片机通过向总线发送地址字节来选择该模块，发送控制字节选择该模块进行 AD 转换。光敏电阻产生的模拟量通过 AIN0 口输入给 PCF8591，经过芯片的 ADC 后，再将数字量通过 SDA 输出给单片机，最后单片机根据接收到的数字量作出相应的改变来。因此硬件系统中，把光敏电阻放在台灯板上方，以此来避免光敏电阻受台灯的光线影响而影响其亮度的调节。光敏感应与 A/D 转换模块仿真图如图 3 所示。图 3光敏电阻与 A/D 转换电路图1.6Wi-Fi 模块Wi-Fi 模块本文采用了 ESP8266 芯片，ESP8266支持 STA 模式、AP 模式和 STA/AP 混合模式这 3 种应用模式。其具有超功耗低、成本低廉、使用便捷、功能强大等众多优点。仅需这一个模块，就可通过互联网 将 所 有 物 联 网 设 备 连 接 在 一 起。本 文 使 用AT+CWJAP=“Wi=Fi 名称”“Wi=Fi 密码”便可以把小灯连接到当前环境指定的路由器来进行操作。2软件设计主程序流程图如图 4 所示。首先初始化整个系统，若有手动控制与远程控制，则可通过其打开或关闭小灯。若无手动控制与远程控制，则系统自动检测语音3.3 V3.3 V3.3 V3.3 V3.3 V3.3 V3.3 V科技与创新Science and Technology&Innovation622023 年 第 04 期识别系统是否有语音指令发出。若没有检测到指令灯光处于熄灭状态，若检测到语音指令，进入下一步人体红外检测，人体红外检测模块未检测到人体信号则保持灯光熄灭，若检测到其信号则打开灯光。光亮程度的调节采用以下 3 种方式：按键控制，按键调节灯光的亮度；光亮的自检测，根据光敏电阻控制灯光电压大小并自动调整其亮度；远程控制通过发送的指令来调节亮度。图 4主程序流程图语音识别模块流程图如图 5 所示。首先系统初始化后处于调整状态，控制系统检测语音模块是否发出可识别的一级指令（管家），若没有检测到语音指令，则一直处于系统调整状态；若检测到语音指令，则控制指示灯亮，采集语音信号，再检测是否存在二级语音指令（打开灯光、关闭灯光、降低亮度、升高亮度）。若检测到该信号，则将信号传输给语音识别模块进行预先设定的词条搜索并识别生成指令，并发送至单片机，使其控制灯光的状态；若未检测到该信号或者在进行语音指令搜索时，没有搜索到相关的指令，也就是识别不成功时，系统将会认定当前语音识别不成功，则再次返回系统调整状态，此时需要再次进行语音采集和识别，直到识别到最为合适的命令作为最后结果传输给单片机3。3实验结果分析本文所设计的基于语音识别技术的 LED 台灯实现了家居行业的现代化和智能化。运用单片机技术来实现声控开关、智能调节亮度、人体感应、远程控制等一系列功能。经过后期的调试与改进，具体功能如下：语音识别控制开关。可以在夜晚说出口令，自动打开台灯，避免在黑暗环境下难以寻找开关，提供了便利，保障了人们的安全。红外人体感应开关。能够感知人体，当人们忘记关灯或出现紧急情况长时间离开时，台灯会自动熄灭，以此来减少资源的浪费，比传统台灯省电。自动感应亮度调节和手动亮度调节。自动感应亮度的功能可以就使用者所处的环境给以合适的光亮，防止光线问题影响使用者的视力，而手动调节是为了满足使用者在某些条件下的光亮要求以达到合适亮度。总而言之，这 2 种调节方式均可以保护使用者的视力。台灯设有 1602 液晶显示屏，1602 显示屏可以显示亮度指数信息，操作者可根据需求更改亮度。可以通过远程控制较好控制台灯的亮灭，当人不在家时也可以对台灯进行实时控制。开始初始化系统调整一级指令是否触发否是提示灯亮二级指令是否触发是否语音处理生成指令发送指令控制 LED 灯结束图 5语音模块流程图4结语通过本次实验，本文给出一种基于 STC89C52RC、LD3320、BISS0001 和 PCF8591 的智能灯光控制系统，不仅能够通过语音识别，而且也能利用环境光强对小灯进行智能控制。该系统操作方便、准确率较高、成本低廉，具有一定的实用价值。参考文献：1陆远远，马斌，夏建草，等.基于语音识别技术的智能台灯J.中小企业管理与科技（下旬刊），2016（8）：175-176.（下转第 68 页）灯开：科技与创新Science and Technology&Innovation682023 年 第 04 期请时，都应首先考虑本级直接向下级供应，其次才是调配保障。区域保障中心和陆军保障中心需要实时、准确地掌握下级资源点的器材库存分布及部队器材消耗规律，在适当的时机对所属区域内的器材实施调剂，做到未雨绸缪，而不是一定要等到有器材需求申请且本级供应不上器材时才考虑器材调剂。4总结陆军装备维修器材“云保障”系统的构建，对器材业务管理、库房管理、决策支持、业务监控及物流配送等各个业务子系统功能都进行了模块化设计，能够在未来信息化战场下对器材全域化精确保障提供有效支撑，为陆军装备维修器材保障转型指出了可行的道路。同时以此为基础而提出的陆军装备维修器材区域保障模式不仅依据新形势下陆军装备维修器材任务特点，提出了保障模式构建的基本依据、构建原则及保障模式构建的总体结构框架，还进一步确定了基于网络化和区域化的联合保障模式化的组织结构和相应职能，对相关业务处理模块进行了系统整合，提出了具体构建模式的实施策略，以尽可能小的投入，最大限度地转换为装备器材保障效益，生成战斗力，最终成为陆军装备保障的重要基础。参考文献：1吴龙涛.陆军主战装备可修复器材供应模式与库存配置问题研究 D.北京：陆军装甲兵学院，2018.2滕尚儒，何成铭，丛彬.陆军装备维修器材供应保障模式综述 J.产业与科技论坛，2020，19（15）：78-81.3兰程，张建萍，赵金超.新体制下舰船装备维修器材保障问题研究J.海军装备维修，2018（3）：44-46.4艾冰翊，张大鹏.部队全域机动车辆器材保障模式研究J.物流技术，2020，39（4）：125-128.5尹国明，张仕新，樊志伟，等.合成旅实战化装备保障能力问题与对策研究J.国防科技，2021，42（4）：138-142.6刘文开