面向智慧教室的空调看闪拍手声控系统设计

文/贾春燕 金隐华

以实现智慧教室环境的智能感知、远程操控等功能的智慧教室控制系统成为了研究的重点。本文面向智慧教室建设，针对教学过程中使用各种设备控制器不便的问题，以教室常用设备空调的智能控制方法为研究对象，基于体感交互技术，设计一套看闪拍手声控系统，为智慧教室的建设和研究提供借鉴。

总体设计

看闪拍手声控系统总体设计如图1 所示，其以单片机为控制核心，同时与空调设备相连，根据拍手声，自动控制空调，其硬件部分由声响指示灯（1）、快拍指示灯（2）、灵敏度调节旋钮（3）、嘀声蜂鸣器（4）、声音传感器（5）、传感器信号放大及整形调理电路、单片机等部件构成。所述声音传感器（5）经传感器信号放大及整形调理电路输出后接单片机输入端口，所述快拍指示灯（2）、嘀声蜂鸣器（4）均接单片机输出端口；所述声响指示灯（1）与传感器信号放大及整形调理电路的输出端相连。

图1 看闪拍手声控系统总体设计

传感器信号放大及整形调理电路中的传感器信号放大增益控制电阻包括串联一只可调电阻，以便灵活调节声响传感灵敏度，安装结构可以是用起子旋转调节、也可以是装在外壳上的灵敏度调节旋钮（3）。嘀声蜂鸣器（4）可改为语音提示喇叭；或与空调机上的嘀声蜂鸣器合为一个。快拍指示灯（2）可与空调机上的电源指示灯合为一个。

声响指示灯（1）、快拍指示灯（2）、灵敏度调节旋钮（3）、嘀声蜂鸣器（4）、声音传感器（5）、声音传感器信号放大及整形调理电路、单片机等部件的安装电路板、外表面板既可单独另设，也可与空调机的控制主板、显示面板合为一体；单独另设，既可是装在空调机上的，也可是单独装在一个小盒中的、类似于遥控器放在空调机外面的用发射红外光控制空调机，这种方式，还包括红外遥控发射模块，若干单片机输出端口接红外遥控发射模块，模拟原空调机遥控器发射红外光控制信号；对装在空调机上的结构，单片机控制空调机主要方式有两种：用一个单片机输出端口，接空调机控制主板上的遥控信号接收输入端，即空调机红外光接收模块输出端，或用若干单片机输出端口接空调机的控制主板。

实施方法

要实现拍手声控命令的关键是寻找同环境声音的区分方法。本研究通过引入指示灯发信号与人互动实现拍手声控命令，即看闪拍手声控命令，并结合空调操作特点，设计出适合的拍手声控命令及环境声响引起误动作的无害处理。

具体实现方法如下：声音传感器（或MIC 咪头）（5）接收环境声响，经传感器信号放大及整形调理电路输出后接单片机输入端口，供单片机监控判别声音。这里传感器信号放大及整形调理电路常用的IC 型号有BISS0001，但不仅限于此。BISS0001 的12 脚、13 脚接信号放大器的增益控制电阻，该电阻可再串联一只可调电阻，以便灵活调节声响传感灵敏度，安装结构可以是用起子旋转调节、也可以装在外壳上的灵敏度调节旋钮（3）。声音传感灵敏度的高低由所设声响指示灯（1）表现，因为声响指示灯（1）接传感器信号放大及整形调理电路输出端。对高灵敏声音传感器（或MIC 咪头）（5）可用一个普通三极管放大来代替BISS0001。灵敏度低，抗环境声响误动作好，但拍手要响。

快拍指示灯（2）、嘀声蜂鸣器（4）均接单片机输出端口。单片机常用的IC型号有宏晶STC 系列，但不仅限于此。

单片机控制空调机主要方式有三种：1 用若干单片机输出端口接红外遥控发射模块，模拟原空调机遥控器发射红外光控制空调机（这种方式原空调机不作任何改装。红外遥控模块常用HT62104、eV1527 等）；2 用一个单片机输出端口，接空调机控制主板上的遥控信号接收输入端（编码电平输入端，为解码控制），即空调机红外光接收模块（红外光解调编码）输出端；3 用若干单片机输出端口接空调机的控制主板。

具体看闪拍手声控方法如下：

单片机监控声音传感器（5），当检测到约1 秒无声（声音传感器（5）所连接的传感器信号放大及整形调理电路输出低电平）时发出快拍指示灯（2）闪亮一下，让人看到后立即拍手一下，此时会检测到拍手的短促声，再等约1 秒间隙若无声，则确定为是一次有效拍手。紧接着快拍指示灯（2）再闪亮一下，让人看到后再立即拍手一下，再等约1 秒间隙若无声，则确定为是连续二次有效拍手，认定不是环境随机声响，进入到控制命令识别状态。此时快拍指示灯（2）仍再闪亮一下，不拍手（即二次有效拍手），表示调温省电方向，温度显示同空调机遥控器操作，嘀声蜂鸣器（4）发嘀声提示命令有效完成；若拍一下手，即连续三次有效拍手，表示开机或关机、或调温费电方向，温度显示同空调机遥控器操作。进入控制命令状态后只要等不到1秒间隙快拍指示灯（2）就会闪亮一下，若不拍手，嘀声蜂鸣器（4）响起提示命令完成；若再拍一下手，即连续四次有效拍手，表示进入延时或设置延时。

凡在快拍指示灯（2）闪亮前拍手或出现了声音、或在快拍指示灯（2）闪亮后不即时拍手、或拍手声不短促，都认为是环境随机声响，命令无效，没有嘀声蜂鸣器（4）回应确认；快拍指示灯（2）不闪亮，重新开始再搜索无声状态，若搜索到了约1 秒无声，快拍指示灯（2）再次闪亮，可再拍手发命令，如此不断地捕捉有效拍手命令。

鉴于看快拍指示灯（2）闪拍手的关键性，所以把指示灯（2）称为快拍指示灯，常用红色LED 指示。对于本声控板装在空调机上的，可与空调机上的电源指示灯合为一个。

拍手规则可简述为：红灯闪即拍手，嘀声响命令完成。

两拍是调温省电方向，温度显示同空调机遥控器操作。所谓调温省电方向，冬天是降温，夏天是升温。两拍后（看到快拍指示灯（2）闪不立即拍手），停到嘀声蜂鸣器（4）响（或看到下一次快拍指示灯（2）闪）后再不断拍手进入调温，此时不管快拍指示灯（2），看温度显示同空调机遥控器操作。

三拍是开机或关机，或调温费电方向，温度显示同空调机遥控器操作。所谓调温费电方向，冬天是升温，夏天是降温。三拍后（看到快拍指示灯（2）闪不立即拍手），停到嘀声蜂鸣器（4）响（或看到下一次快拍指示灯（2）闪）再不断拍手进入调温，此时不管快拍指示灯（2），看温度显示同空调机遥控器操作。三拍后，嘀声蜂鸣器（4）响不拍了，是开机（原来是关）或关机（原来是开）。

四拍是进入延时或设置延时，嘀声响不拍手为进入延时，延时到就自动关机，一般就不再拍手控制，所以此时（无声响时）快拍指示灯（2）闪亮间隔可加长到3 秒（误动作更少）；嘀声响后不断拍手进入设置延时，此时不管快拍指示灯（2），只管拍手，次数多就延时长，时间显示同空调机遥控器操作。停顿后设置完成，命令结束。

这里的两拍是调温省电方向，实际上是怕环境声响容易引起两拍误动作，调温省电方向一般无害，感到空调效果不够了可拍手加强。

关机前有连续嘀声提示，此时有效拍手会取消关机，也是防环境声响突然误关机。

本研究看闪拍手声控命令并不限于以上具体的执行功能，构成有效拍手命令的规则为：

有效拍手的连续二到五次用来规定常用有效拍手命令；

有效拍手命令可包括命令带参数，常用来设置程度或数值（例如亮度、温度、时间），具体规则是：对N 次有效拍手命令带参数，在第N+1 次快拍指示灯2 闪后不拍手，停顿直到嘀声蜂鸣器（4）（或看到第N+2 次快拍指示灯2 闪）后不断拍手发命令参数（不必看快拍指示灯（2）闪），此时快拍指示灯（2）可变频闪烁表示参数在变，停顿后命令结束。

各N 次拍手命令也可根据用户要求制定。

同样，本系统的硬件在制作生产时，会用与所述功能等效的集成电路IC 制作或生产、逻辑控制电路PLC 制作或生产、及其它分列件构成的功能等效电路来替代所述的单片机及声音传感器信号放大及整形调理电路等。

为更好地适应声响环境，设置了调节灵敏度旋钮（3）。当环境有较大的噪杂声，应将声音传感灵敏度调低，拍手加重，观察声响指示灯1 的反应。

声响指示灯（1）指示传感到的声音，所以称为声响指示灯，常用白色或蓝色LED 指示，让人了解对声响的敏感程度，可借此练习拍手轻重。

可改嘀声蜂鸣器（4）为直接语音提示喇叭，现在可录制的语音IC 模块或定制固定语句的语音IC 模块已很便宜了。对于本声控板装在空调机上的，可与空调机上的嘀声蜂鸣器合为一个。

声响指示灯、快拍指示灯、灵敏度调节旋钮、嘀声蜂鸣器、声音传感器、传感器信号放大及整形调理电路、单片机等部件的安装电路板、外表面板既可单独另设、也可与空调机的控制主板、显示面板合为一体。单独另设，既可是装在空调机上的，也可是单独装在一个小盒中的、类似于遥控器放在空调机外面的用发射红外光控制空调机，红外光发射LED 的安装要注意能照到空调机显示面板上的红外光接收头，这种方式原空调机不作任何改装，集随地拍手遥控与红外遥控于一体，在个别特殊需求领域犹显灵活方便。

本系统结合了计算机技术、传感器技术、通信技术，引入先进的体感交互技术在教室空调控制中应用，告别了传统的控制器，让人以更自然的方式与控制终端进行交互；同理，本系统也可应用于教室灯光、电源控制系统中。利用体感交互技术控制教室灯光、空调等设备，使教室更加智慧，可减少对教学过程的干扰，提高教学效率，进一步提高系统操作的便利性。