基于BLE4.0姿态解算的无线语音鼠标设计

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(大连交通大学 电气信息学院，大连 116028)

基于BLE4.0姿态解算的无线语音鼠标设计

时继潮，李新红,王雅涵，吕闪

(大连交通大学 电气信息学院，大连 116028)

设计了一款残疾人专用智能无线语音鼠标，让双手不灵活的残疾人灵活地操纵电脑成为现实。本设计发送端采用BLE4.0技术负责头部姿态解算、语音识别、向电脑发送操作指令等功能。无需任何接收装置，只需与电脑自带的蓝牙设备配对后便可通过相应的蓝牙协议对电脑直接进行操控。

语音鼠标；BLE4.0；蓝牙协议

引 言

随着网络信息的不断发展，电脑成了每家都不可或缺的应用工具，现在大部分人都会用鼠标灵活地操纵电脑，但在一些双手不灵活的残疾人眼里，灵活地操纵电脑却是一件极其不容易的事情。他们大多数都用脚代替手来完成对电脑的操纵，但即便这样，应用电脑时仍然存在很多不便，因此研究一款适用于双手不灵活的残疾人专用的鼠标势在必行。

本文针对市场上现有鼠标存在的种种不足，应用BLE4.0通信技术，加入语音识别，设计出一款适用于残疾人群的智能无线鼠标。此鼠标打开开关后，就会自动检索电脑蓝牙设备进行配对，配对成功后，使用者将其戴在头上，只需轻轻摇动头部，就可以控制电脑上的指针进行各方位移动。使用者发出语音指令后，便可对电脑进行任意操作，灵活方便，可以满足残疾人士灵活使用鼠标的需求。

1 语音鼠标的整体结构与工作原理

不管是有线鼠标还是无线鼠标，传统的鼠标都需要有一个USB接收器插到电脑上才能使用，这对于具有有限数量USB接口的电脑来说就是一个潜在的隐患，一旦需要使用多个USB接口时就会出现接口不足的问题。因此，本文借助现在比较流行的蓝牙通信技术，研制了一款基于蓝牙通信的语音鼠标，不但不需要占用电脑有限的接收资源，还可以用语音进行控制，满足残疾人士灵活使用鼠标的需求。

鼠标主控部分主要由蓝牙芯片CC2540进行控制，主控和电脑之间通过低功耗的蓝牙4.0协议进行通信。接收到语音指令后，主控芯片CC2540对接收的语音信息和采集到的头部姿态信息进行识别处理，将处理后的信息传送给电脑，从而在电脑上实现相应操作[1]。系统的整体结构图如图1所示。

图1 语音鼠标系统整体结构

2 蓝牙4.0协议

2.1 蓝牙4.0技术的背景

随着第三次技术革命的不断成熟，无线技术的应用也越来越广泛，现在应用最多的就是WiFi这一无线技术。但随着应用的不断深入，很多弊端也不断显现出来，比如耗电量比较大，对供电电压的稳定性要求比较高，与路由终端的网络连接易出现故障等。因此，一种不依赖于网络连接的技术就显得尤为重要，随之就出现了新一代蓝牙技术——蓝牙4.0技术[2]。

2.2 蓝牙4.0技术的特点

蓝牙4.0技术的最大特点就是低功耗，其极低的待机和运行功耗可以使一粒纽扣电池工作4年甚至更久的时间。其次，还有稳定性强、发送数据周期短的特性，其最大数据发送周期少于6 ms。蓝牙4.0技术将传统蓝牙技术、高速技术和低耗能技术集于一体，除了上述特点外，还有传输效率高、保密性好、组网灵活等优势[3]。

3 语音鼠标硬件设计

系统的硬件部分主要包括控制器模块、语音识别模块、姿态解算模块、无线信号模块及电源模块5部分。

控制器模块以TI公司的CC2540蓝牙芯片为核心，其具有低功耗、高性能、易开发等优势；语音识别模块，采用非特定语音识别芯片LD3320，用户在使用前不需要对其进行任何操作和练习，直接说话就可以进行识别；姿态解算模块使用MPU6050陀螺仪，其具有非常小的过冲，对于6轴数据的采集具有非常准确的积分值；无线信号模块主要由主控芯片CC2540控制，是主控制器与电脑进行通信的重要通道；因为系统具有低功耗的特点，因此电源模块采用纽扣电池进行供电，经电路中多重滤波整合后，其为整个系统提供了持续稳定的电源输出[4]。系统硬件电路图如图2所示。

图2 语音鼠标整体硬件电路

4 语音鼠标软件设计

系统上电启动后，首先对整个系统进行初始化，然后主控制器会与电脑进行配对，当使用者作出移动动作时，姿态解算模块会对使用者的这一头部动作进行姿态解算；当使用者发出语音指令后，LD3320语音芯片会对发出的语音信号进行识别处理，将解算到的动作信息与识别的语音信号传输给CC2540主控芯片，其将接收的这一信息进行相应滤波处理后，通过BLE4.0将信息传输给电脑终端，从而实现相应操作[5]。

图3 语音鼠标系统软件流程图

语音鼠标的软件流程图如图3所示。可以看出，系统是一个闭环系统，这就保证了对采集数据的实时更新，更能保证电脑光标的灵活移动，使鼠标更加灵活、稳定。

结 语

[1] 李志军,时继潮,石磊. LPC1227的智能无线体感鼠标设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用,2015,17(4):60-63.

[2] 时继潮,李新红,吴阳明,等. 蓝牙4.2协议的一主多从防丢器APP设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用,2017,17(7):44-46.

[3] 吕松栋,黎卓芳. 蓝牙4.0低功耗技术及其认证要求[J].现代电信科技,2011,41(10):17-20.

[4] 徐金苟. 蓝牙4.0底层核心技术协议研究与实现[D]. 上海：上海交通大学,2012.

[5] Alibakhshikenari M,Limiti E,Naser-Moghadasi M,et al. A new wideband planar antenna with band-notch functionality at GPS,Bluetooth and WiFi bands for integration in portable wireless systems[J]. AEU-International Journal of Electronics and Communications,2017(72):79-85.

时继潮(硕士研究生)，主要研究方向为嵌入式系统、无线通信等。

WirelessSpeechMouseDesignBasedonBLE4.0AttitudeAlgorithm

ShiJichao,LiXinhong,WangYahan,LvShan

(College of Electrical and Information,Dalian University of Traffic,Dalian 116028,China)

In the paper,a handicap intelligent wireless voice mouse is designed,which helps the disabled whose hands are not flexible can manipulate the computer.The sending end of the design adopts BLE4.0 technology to realize the functions such as the head posture solution,speech recognition,and sending operation instructions to the computer.Without any receiving device,you only need to pair with the bluetooth device that comes with the computer,and you can control the computer directly through the bluetooth protocol.

speech mouse;BLE4.0;bluetooth protocol

TP272

A

2017-08-18)