带语音识别的家居无线控制系统

桂林电子科技大学　全刘辉



带语音识别的家居无线控制系统

桂林电子科技大学全刘辉

【摘要】针对人们对家居智能化日益增长的需求，本课题提出一种嵌入式家居控制系统解决方案，使用语音控制器对室内家电进行掌管，同时需要通过无线收发模块进行通信控制。

【关键词】嵌入式；语音控制；无线

0　引言

在当今的日常生活中，智能化是一个离不开的概念，智慧城市、智慧家庭等等概念相继出现，伴随着生活节奏越来越快，人们对家居也向着简单方便实用的需求发展，在传统的家居中，电器必须手动操作，也必须在安装开关的位置操作，这样既麻烦又有安全隐患，已经不符合当下人们对生活的要求。单片机作为一项成熟的技术在现在各领域得到了广泛的应用，以单片机为核心的嵌入式智能化家居系统可以解决远程无线语音操控家庭设备的任务。

1　国内外研究现状

智能家居系统在我国经历了约六年的起步，发展速度较慢，原因主要是没有对智能家居系统足够的重视，导致没有足够的资金投入，没有成熟的技术。但是，我国于2014年提出了智慧城市的概念，家电企业已经围绕智能化建立了很多智能软、硬件开发团队并且建成了全国3107个智能体验中心大力推进“智能家居”的概念，为用户带来了前所未有的智能体验。可以预见，未来我国的智能化家居发展将会呈现一片欣欣向荣的态势。

美国，加拿大，欧洲，澳大利亚等发达国家和地区进入智能家居市场比较早，而且介入此市场的企业越来越多，比如微芯科技、SII等建立了嵌入式因特网同盟用以专门拟定有关的准则，而微软、三星等企业很早就开始进行智能家居系统与终端的开发。

2　系统概述

本设计旨在设计一个嵌入式智能化家居系统的终端，本设计以STC系列的STC89C52RC和STC12C5A60S2为核心，分为主机和从机两部分，主机依靠语音识别装置LD3320对命令语音进行识别传入单片机，经由单片机处理后由无线发送模块NRF24L01将处理好的指令发送出去，从机由无线接收模块NRF24L01接收语音命令转化成的相应信号，然后传入从机的单片机，由单片机输出指令控制相应的电器开关，达到无线语音控制家居的目的。本设计实现后可以使有线通信距离在10米以内，2.4GHzISM频段上由语音控制家居。可以大大的解放人们的双手，实现由“随手关灯”向“随口关灯”的迈进， 相信可以在日常生活及其他领域中发挥巨大的作用。

3　系统各模块电路及接口协议

3.1语音识别模块LD3320

传统的语音识别的大致过程包含两部分：训练阶段和识别阶段。在任何阶段都要对输入的语音提取特征和预处理。训练阶段由用户多次输入可以用于训练的语音，提取训练语音特征然后进行预处理可以得到特性参数，然后用特性参数建模并建立训练语音参考模型库。识别阶段是输入语音的特性矢量参数与参考模型库中的参考模型进行相似度比较，识别语音输出的结果为比对后最相似的输入特性矢量。识别原理如图1所示：

图1　语音识别原理图

根据识别对象的类型，语音识别可以分为两类分别为非特定人语音识别和特定人语音识别，非特定人指识别对象是大多数人，特定人指识别对象是一个特定的人，为了达到较高识别率的目的，需要采集大量语音进行录音并对芯片进行训练。语音识别系统由单片机控制，LD3320芯片和相关电路负责识别语音的工作。

在本设计中，只需要对主控单片机编程，使其读写芯片寄存器就可以控制语音识别模块。首先设置寄存器对芯片进行初始化，然后通过设置寄存器把需要识别的关键词或句子的拼音串传入LD3320芯片中，之后使寄存器控制芯片开始启动一次识别过程，此时麦克风开始采集声音，主控单片机以中断的形式得到识别结果，这样就能从特定的寄存器中读取到结果。

3.2FLASH芯片电路

主机中的FLASH芯片主要用于存储系统语音播放音频文件，芯片型号为W25X32，W25X16系列FLASH芯片可以解决用户的储存问题，有功耗低、引脚少、占用空间小特点，较传统串行FLASH芯片性能更加出色。

3.3无线收发模块NRF24L01电路

本设计使用NRF24L01芯片用于主从机收发数据，NRF24L01是由NORDIC公司推出的具有无线通信功能，采用GFSK调制的微型芯片，实现起来较为简单，抗噪与抗衰减能力较强。由于从机需要无线接收由主机发来的信号，所以从机上的无线接收模块NRF24L01具有接收功能，引脚CE为芯片模式控制线，SPI时钟线在引脚SCK，引脚MISO为芯片控制数据线采用主入从出的模式，引脚CSN为芯片的片选线，引脚MOSI为芯片主出从入的控制数据线，引脚IRQ为中断信号，在无线通信中单片机使用SPI协议与无线模块NRF24L01的IRQ脚进行数据交换。

本设计使用无线收发芯片的Enhanced ShockburstTM收发模式。在此模式下，利用片内先入先出堆栈区，以低速送入微控制器的数据，以1Mbps的高速率发射。在片内高速进行与射频协议有关的所有信号处理，这种方法具有节能，成本低(低速度的微处理器也可以高速射频发射)、抗干扰性较好等特点，同时使系统的平均工作电流降低。在Enhanced ShockBurstTM中，无线通信芯片能够对循环冗余码进行自动处理并且对字头进行处理，在接收数据中，除去字头和循环冗余校验码，在发送数据中，又自动加上。NRF24L01的状态机主要有5种：掉电状态、发射(TX)状态、接收(RX)状态、待机1模式和待机2模式。对芯片的固件编程基本流程如下：(1)使CSN=0，使能芯片，配置芯片参数在掉电模式下进行；(2)如果为发射模式，就需要填充TXFIFO；(3)完成配置以后，确定芯片切换到状态可通过CE和CONFIG，CONFIG中主要是以下两个参数：发射模式：PWR_UP=1；PRIM_RX=0(需要超过10us)、接收模式：PWR_UP=1；PRIM_RX=1；CE=1；(4)IRQ引脚变低的三种情况：TXFIFO发送完成且接收到确认字符、RXFIFO收到数据、达到最大重发次数。外部中断输入引脚连接IRQ，通过中断进程处理。

3.4串行外围设备接口（SPI）协议

Serial Peripheral interface，通常缩写为SPI，即串行外围设备接口，是摩托罗拉(Motorola)公司首先在其MC68H系列上创立的，是一种全双工，高速，同步的通信总线，在芯片管脚只用四根线，为PCB布局节省空间并节约芯片管脚。具有简单易用的特性。

SPI以主-从的形式工作，此形式需存在一个主设备以及至少一个从设备，需要数据输入(SDI)、数据输出(SDO)、片选(CS)、时钟(SCK)4根线。SPI的主要特点有以下三种：

(1)采用主从控制方式。

如果两个SPI设备之间如果需要通信，需经由主机来控制从机，一个主机能够通过时钟并对从机片选来控制多个从机，SPI协议还规定从设备的时钟由主设备通过SCK管脚提供，从设备不能控制和产生时钟，没有时钟则从设备不能正常工作

(2)数据交换。

SPI协议规定一个设备不能仅仅在相互通信中只扮演发送者或接收者的角色，在每个时钟周期里，SPI设备都会发送并且接收一个字节大小的数据，相当于交换该设备一个字节大小的数据，主机必须对从机进行访问才能使从机接收到主机传来的控制信号，所以主机设备必须经由SS/CS 引脚片选从机设备，把需要访问的从机设备选上。

(3)采用同步方式进行数据传输。

时钟脉冲是在设备间进行交换数据的操作时产生并组成时钟信号保证主、从设备之间同步传输。时钟相位和极性控制接收到数据的采样时间并掌控着主、从设备之间的数据交换时间。

4　结论

本设计以单片机为核心，采用语音识别，无线通信的方式实现对家用电器控制，采用STC系列单片机，NRF24L01无线收发芯片和LD3320语音识别模块的设计，整体设计简单精致，电路简单，成本低廉，性能较稳定且符合时下节能的主流概念。经过调整优化后的设计语音识别率95%以上，能够支持模糊音识别。无线收发模块的工作频率在2.4GHZ的ISM频段，收发距离实测在空旷的室外为13米。

参考文献

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全刘辉（1987—），男，桂林电子科技大学硕士研究生，主要研究方向为无线通信。

作者简介：

基金项目：此文为2014年大学生创新创业训练计划项目研究成果“项目名称《基于手机终端控制的嵌入式无线显示系统》（项目编号：201413644005）”。