基于单片机的室内灯光语音控制系统设计

杨钰 黄攀 吉中原 湖南科技学院

引言：目前，大多数室内灯光的开/关控制仍然是采用传统的有线开关来实现，这不仅增加了家装成本，而且受开关安装位置的限制，在夜晚或者光线较暗的地方，很难立刻找到开关位置，给使用者带来不便。随着人们生活水平的不断提高，通过语音识别来控制的家居系统也越来越受到人们的青睐。

本文基于LD3320语音识别芯片，以STC89C52单片机为主控制器，设计了一款室内灯光的语音控制系统。该系统可对盏室内（可扩展）灯进行选择、开启、亮度调节和关闭等功能。系统分为语音识别模块和单片机主控模块。语音识别模块识别到指定的语音信号后，将结果输出给单片机主控模块，从而实现对灯泡的相应操作。

1 系统硬件结构

如图1所示，系统主要由语音识别模块、主控模块和灯光电路组成。

图1 灯光语音控制系统原理框图

语音识别模块由LD3320芯片、主控MCU和外围电路组成，主要负责对接收到的语音信号进行识别，并输出识别结果。LD3320芯片是采用基于非特定人语音识别技术的语音识别/声控芯片，它不需要外接任何的辅助Flash 和 RAM, 也无需用户事先进行训练和录音, 就能可以实现语音识别功能。并且其关键词列表可以根据用户需求任意编辑。主控MCU选用STC11L08XE，为LD3320预设关键词列表和处理语音识别结果，图2为语音识别系统原理框图。

图2 语音识别模块原理框图

主控模块由STC89C52单片机及其外围电路（时钟、复位电路等）构成。主要负责根据语音识别结果输出相应控制信号，使灯光电路进行相应动作。

语音识别模块与主控模块之间通过串口进行通信。

图3 灯光电路

灯光电路包含3盏LED灯（分别标识为客厅、卧室、厨房），本设计中采用LED与三极管的串联电路来实现，实际应用时，也可用继电器代替三极管进行设计。

2 系统软件设计

本设计中，语音识别采用循环识别模式，程序采用两级口令对3组灯光进行控制。当用户喊出一级口令时，选中3盏灯中的一盏，本设计中采用了与灯泡对应的一组指示灯以验证试验效果。当用户喊出二级口令时，选中的灯将进行开灯、亮度调节和关灯操作。使用口令模式可以大大减少周围环境噪声所导致的模块误识别。关键词列表如表1所示。

表1 语音识别关键词列表

程序流程图如图4 所示。系统上电以后, 由语音识别模块的MCU向LD3320 写入关键词识别列表, 然后LD3320开始循环识别语音信号。根据表1 中列出的关键词, LD3320 首先将采集到的语音信号与一级口令进行匹配, 匹配通过后开始定时, 同时继续采集语音信号， 在规定时间内采集到二级口令后, 则将其继续与关键词列表中的口令进行匹配, 如匹配结果符合,则将识别结果传输给主控模块单片机, 主控模块单片机执行相应指令后将相应控制信号，对灯泡进行相应操作。如不匹配则放弃当前采集结果, 重新采集触发口令。

图4 系统程序流程图

3 系统测试

根据上述设计原理制作的电路实物如图5所示（系统上电指示灯亮）。

图5 系统实物图

图6 一级口令选择灯泡实测图

图6～图8为在室内实验环境下, 对1盏灯进行开/关操作的实测图，图6为语音输入一级口令“客厅灯”，1秒后，客厅灯指示灯点亮，表明输入一级口令后，相应灯泡被选中。图7为语音输入一级口令“客厅灯”后，5秒内，继续输入二级口令“开灯”，客厅灯点亮，5秒后，客厅指示灯熄灭。图8为客厅灯亮起时，语音输入一级口令“客厅灯”后，5秒内，继续输入二级口令“关灯”，客厅灯熄灭，5秒后，客厅指示灯熄灭。

图7 “开灯”口令实测图

图8 “关灯”口令实测图

图9为在室内实验环境下, 对厨房灯进行亮度调节的实测图，将3盏灯都打开，初始时灯光亮度相同，当语音输入“厨房灯”，待指示灯亮起后5秒内，语音输入“亮度增加”，则厨房灯变亮，由图9可以看出，厨房灯明显比另外2盏灯亮。需要说明的是，本设计对灯光亮度仅设置了3个档位，当灯光亮度已达最亮时，重复上述操作，灯泡亮度无变化。

图9 厨房灯亮度调节实测图

为了更好的检测语音识别效果, 测试中选择3个不同音色的人，分别在室内安静环境，室内嘈杂环境（噪声水平符合国家室内噪声标准），室外环境3种不同的实验环境下进行测验, 每个情境测试50遍。测试结果表明：安静的室内环境种，口令的识别正确率最高，达到95%以上；室内嘈杂环境和室外环境中，麦克风与人的距离对识别结果的影响很大，口令的识别正确率从65%～90%不等。

4 结束语

本文采用以STC89C52单片机和LD3320语音识别模块，设计了一款室内灯光的语音控制系统，实现了对多盏LED灯进行开启、亮度调节和关闭等功能。该系统的功能还有很大的改进空间，如加入无线通讯模块，加大语音控制的距离；加入显示模块，加强用户使用体验等，这将在今后的工作重点中进行完善。