基于XS128系统的智能床头灯的设计

徐 航 王立峰 徐振锋 杨俊强 施怡亭 仲相宇

(东北林业大学，黑龙江哈尔滨 150040)

1 引言

随着社会的发展，智能家居已步入人们的生活，而床头灯已是千家万户的必需品，但目前床头灯功能较单一，远远满足不了人们生活的需要。根据有关数据显示，大多数人因生活节奏快，工作压力大而面临难以入睡的问题，因此，一款能够助眠的智能化床头灯应运而生，其不但能够随时应答报时，显示卧室环境，具有智能闹钟的语音温馨提示与赞美和夜晚助眠功能，还内置有防辐射的手机存放处，使人们生活多姿多彩，增添了无限情趣。

2 系统方案的设计

该方案整体结构框架如图1所示，由信号采集、信息处理、执行操作组成，基于单片机对上述三部分进行协调控制，其中信息采集部分包括语音识别模块、人体红外识别模块和监测模块;信息处理包括核心控制模块单片机和语音识别芯片;执行操作部分包括闹钟模块、音乐模块、电子催眠模块和PWM照明模块。床头灯实时采集语音信号、人体热释红外信号、温湿度及监测有害气体，并将信息传递至单片机分析处理，然后由执行操作实现语音交流与控制照明、电子催眠、温湿度显示及有害气体警示。

图1 整体结构框架图Fig.1 The frame of the overall structure

3 相关硬件模块的设计

3.1 核心控制模块的设计

核心控制模块采用飞思卡尔公司的MC9S12XS128单片机。XS128是16位单片机，由16位中央处理单元 (CPU12X)、128KB程序Flash、8KB RAM、8KB数据Flash组成片内存储器。利用内部PLL锁相环可达100M主频，满足了处理信息的时效性。如图2所示，利用串行外设接口SPI模块控制液晶，显示出时间、温度、湿度和调节信息，利用周期中断定时器模块PIT进行相关时间的准确控制，利用模数转换模块ADC通道分别进行温湿度模拟信号的转化，脉冲宽度调制模块输出 PWM波控制灯光的亮暗，读取输入 输出数字I O口高低电平获取语音芯片相关信息。这款芯片通过Freescale CodeWarrior软件编写代码并编译，经过USBDM烧写，从而实现对其他各个功能模块的控制与相互协调，而且还可以对其进行在线调试。

图2 各模块结构框架图Fig.2 The frame of each module structure

3.2 人体红外模块的设计

该模块采用采用德国原装进口LHI778探头和BISS0001信号处理IC制作而成，感应模块在人体进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平，并且可设置光敏控制，白天或光线强时不感应，还可旋转距离电位器，调节其感应距离。并且可设置触发方式:即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出并将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平。人体热释红外模块的相关参数见表1。

表1 人体热释红外模块相关参数Table 1 The related parameters of pyroelectric infrared module

3.3 语音模块的设计

语音识别模块采用LD332X语音识别芯片和W25P40Flash存储芯片，运用主控芯片XS128处理后实现声音控制和人机语音交流的功能。LD332X系列是ICRoute生产的基于非特定人语音识别 (SI-ASR:Speaker-Independent Automatic Speech Recognition)技术的语音识别 声控芯片。该系列芯片上集成了高精度的A D和D A接口，提供了真正的单芯片语音识别解决方案，从而轻松实现语音识别 声控 人机对话功能。为扩充语音识别内容，特增加W25P40flash存储芯片进行扩充外置语音内存。该模块还可修改语音模块的口令触发模式，当口令识别正确之后，才能识别控制语音指令，以便减小模块语音识别的错误率，提高语音识别的准确性。

3.4 防辐射模块

该模块为物理结构，采用银纤维材料包裹住床头灯底座的手机存放处，达到减弱手机辐射的效果。因电磁波在良导体中衰减很快!把由导体表面衰减到表面值的1 e(约36.8)处的厚度称为趋肤厚度(又称透入深度)，用d表示，其中μ和σ分别为屏蔽材料的磁导率和电导率。若电视频率f=100 MHz对铜导体 (σ =5.8 ×107 Ω·m，μ≈μ0=4π ×10－7H m)可求出d=0.00667mm，可见导体的电磁屏蔽效果显著。银纤维是通过特殊技术，将一层纯银永久的结合在纤维表面上所得的高科技产物。这种结构不仅使银纤维具有导电性抗辐射的属性，而且完全无一般化学性产品之毒副作用。

3.5 空气质量监测模块

该模块主要采用温度传感器PT100、湿度传感器SHT11以及空气质量传感器MQ125进行卧室空气信息采集，并经过滤波放大电路进行处理而实现其准确监测空气质量的功能。MQ135广泛应用于各种空气净化装置和小家电产品，且对酒精、香烟、氨气、硫化物等各种污染源都有极高的灵敏度，产品响应时间快、工作稳定、价格便宜、低功耗、长寿命、应用简单。

图3是MQ135(典型值)的灵敏度特性曲线，用传感器电阻和气体浓度之间的关系体现这种灵敏度特性。传感器阻值减少与气体浓度增加之间呈现对数关系。灵敏度特性通过传感器阻值变化率 (在10ppm氢气和在空气中之间)表示。

图3 灵敏度特性Fig.3 Sensitivity characteristics

图4 是MQ125传感器的标准工作电路。传感器阻值 (Rs)变化体现在可调或定值负载 (Rl)上电压的变化。为了得到最好的工作特性，加热器电压(Vh)、工作电压 (Vc)和负载 (Rl)必须符合标准工作条件。

4 相关软件的编写

图4 MQ135电路图Fig.4 The circuit diagram of MQ135

本产品中用到飞思卡尔公司的MC9S12XS128单片机，如图5所示系统整体分为两部分，即语音命令获取、执行和空气质量信息的采集、处理。系统初始化后，主控芯片实时扫描语音信号所接8个普通I O引脚的电平状态，获取对应的语音命令和采集空气质量的相关模拟信号，经过A D转化后与阈值进行比较，并将转化后的数字量处理后显示到液晶屏上。若语音芯片LD3320采集到语音信息并被主控芯片识别后，则进入工作状态:①当接收到“晚安”的话语后，主控芯片识别为夜晚模式，执行催眠措施，并开启夜晚自动开灯功能;②当接收到“早上好”的话语后，播放清新音乐，对人进行赞美;③当识别出情感语音 (如:“好累呀”、“郁闷呀”等)时，主控芯片根据A D转化的平均值粗略判断语气并搜集W25P40Flash存储芯片内对应的话语，进行播放回答并控制彩灯进行对应的闪烁。若判断空气质量的相关参数大于阈值时，播放警示提醒语音，如: “请开窗通风”、 “空气好干呀”、“热死了热死了”等。

图5 整体软件流程图Fig.5 The whole software flow chart

5 具体功能的实现

(1)智能控制及语音交流功能中，当接收到语音芯片识别出“开 (关)灯”、 “来点音乐”等语音后产生脉冲信号，通过主控芯片根据当时模式不同而控制相应I O引脚高低电平信号的变化，从而控制ULN2003达林顿管的通断实现对应设备的开启与关闭。人机语音交流中，通过LD3320芯片识别语音后，播放回复语音，从而实现人机的简单对话和赞美，使人精神愉悦，充满自信。

(2)夜晚自动感应开灯功能中，当单片机识别为夜晚模式后，通过热释人体红外传感器判断是否周围有人，为防止误判夜间人要起床，采用分时扫描的方法，持续有信号后单片机输出占空比由小到大的PWM波才使灯光逐渐变亮，实现夜间床头灯的自动开启与关闭，为人们夜间起床提供了极大的方便。

(3)数字智能闹钟功能，当语音芯片LD3320识别“几点了”的声音信号后，通过单片机读取此时时间，并用扬声器报出时间，实现随时应答报时，以及运用按键和液晶等人机交互装置对时间校准与定时。

(4)室内环境监测功能，使用温度湿度传感器，有害气体敏感元件产生模拟电压信号，通过放大器电路后接到单片机的A D转化引脚，实现8位精度转化后与所设阈值进行比较后判断是否警示，并实时将数据显示到液晶屏上，以便人了解到此时空气质量信息。

(5)防手机辐射功能通过在床头灯底座设置手机存放处，采用防辐射复合材料 (银纤维)进行包裹，人们睡觉时将手机放入底座中以减少辐射，免去了夜晚关机却担心有急事，开机却担心辐射的忧虑。

(6)电子催眠功能采用嗅觉、听觉、视觉三方面结合实现:①音乐模块根据外部设置播放广播或者催眠音乐，从听觉上营造一种舒适的气氛;②单片机输出频率为10KHz的PWM波，通过占空比的不同经过LM324积分电路产生1～5V高低不同的电压，进而控制灯光的亮暗，有规律的灯光亮暗变化可以促进人们睡眠;③主控芯片开启定时中断使控制电风扇的引脚产生20s的高电平，从而开启继电器使工作电压为DC5V功率为4W电机工作将床头灯底座内的香料 (薰衣草)微粒吹到空气中，进而使人们迅速进入睡眠状态，达到预期的效果。

6 结束语

作为一款新型人性化的智能床头灯，技术上利用各个功能模块的结合增加了许多新功能，本需要很复杂操作才能完成的功能，说句话就能实现，从而可以使用户体验更加优越的服务，所以推广应用相信也非常容易。其外形低调华丽，无需多余的装饰就可以体现简约实用的特点，而市面上一个只具有基本功能的床头灯价格不菲，所以与之相比大多数用户必定会选此款功能更齐全的床头灯，所以其经济效益非常不错。整体来看，该设计将创意新颖、功能齐全、人性化等优点集于一身，既符合现在的智能人性化要求，又能满足现在人们的生活要求，是现有床头灯一个飞跃，具有广阔的市场需求和市场前景。

致谢:本文作者特对宋文龙院长及相关老师致诚恳谢意。

［1］迟健男.床头灯兼作光敏电话自控灯 ［J］.家用电器，1997(12):22～23.

［2］张仁潮，刘锦龙.基于AT89S52单片机控制的智能台灯设计 ［J］.南方职业教育学刊，2011(6):54～59.

［3］程文杰，何人可，刘瀚檐.基于单片机89S51的智能照明系统的设计［J］.中国仪器仪表，2011(7):29～31.

［4］高娜，焦会芳.浪漫床头灯 温馨情调夜 ［J］.城色(风尚)，2010(4):38～40.