基于智能语音的便携式开关辅助控件的设计与制作

云南大学信息学院 李耀伟 林于森 王蔚延 梁 越 许馨方

本文提出了一种基于智能语音的便携式开关辅助控件。该产品使用STM32F103C8T6单片机作为主控装置，提供语音交互与按键交互两种方式。语音交互应用 LD3320语音识别模块对语音进行检测识别，并根据语音控制电机的转动，从而控制开关的开启与关闭。按键交互应用ESP8266 WIFI模块将硬件部分与APP连接。该产品实现了智能声控压力输出，可将无形的声转变为有形的手，极大便利人们的生活。

1 产品设计方案

1.1 系统整体设计

智能语音便携式开关辅助控件主要由STM32主控模块、LD3320语音识别模块、ESP8266WIFI模块、压力输出模块四大模块组成。该系统工作时，用户发送语音指令“开灯”“关灯”指令给语音模块，语音模块读取处理信息后送至单片机，单片机进而控制电机转动并带动压力输出，实现开关的开启与闭合。产品的系统组成框图如图1所示。

图1 智能语音开关辅助控件系统组成框图

1.2 STM32主控模块

STM32采用基于ARM架构设计的Coetex-M内核，与传统的51单片机相比，具有高性能、低电压、低功耗、低风险、简单易用等特点。设计本产品使用的STM32F103C8T6属最小系统板，采用LQFP48封装，主频为72M，具有64K-FLASH、20K-RAM、8M晶振、RTC晶振等板载元件，体型小、空间资源占用极少，具有实现产品设计的所有功能。

1.3 LD3320语音识别模块

LD3320是一枚基于非特定人语音识别(SI-ASR)技术的语音识别芯片。该芯片集成了语音识别处理器和一些外部电路，包括ADC、DAC、麦克风接接口、声音输出接口等。该芯片不需要外接任何辅助芯片如FLASH、RAM等，直接集成在现有的产品中，即可实现语音识别/声控/人机对话功能。

它使用的时候有两种用户使用模式，用户可以通过编程，设置两种不同的用户使用模式：触发识别模式与循环识别模式。在本产品中，由于辅助开关的应用场景是日常生活用品，需要不断识别是否有特定的人声指令发出，故主要运用的是循环识别模式。

1.4 ESP8266WIFI 模块

ESP8266是一个完整且自成体系的Wi-Fi网络解决方案，能够搭载软件应用，支持标准的 IEEE802.11 b/g/n协议，完整的TCP/IP协议栈。使用者可以使用该模块为现有的设备添加联网功能，也可以构建独立的网络控制器。

ESP8266具有集成度高、稳定性强、精度高的优点。其工作温度为：-40℃至125℃，可以在温度较高的情况下持续工作，具有很强的工作适应性。由于ESP8266有STA / AP / STA+AP三种工作模式，支持smartconfig功能，因此可以满足不同的使用场景。较其他单片机而言稳定性强，能耗低、能够快速传送数据、价格相对便宜、制作成本低，且芯片配置简单，操作方便，能将串口所获取的数据高效率地转化为无线网络数据信号。

本产品使用Android Studio开发APP并对ESP8266进行配置，从而实现对开关辅助控件的按键交互。

1.5 压力输出模块

压力输出由ULN2003步进电机驱动板驱动步进电机，从而带动“按压棒”产生。该产品采用4相8线步进电机，额定电压为5V，直径为28mm。当其收到一个脉冲信号，它就驱动电机设定的方向转动一个固定的角度。本产品使用5V的设定步进电机收到“关灯”指令后顺时针转动144°，收到“开灯”指令后逆时针转动144°。“按压棒”则由热熔胶焊接至电机转子一侧，在不同指令的驱动下，向不同的方向按压，从而实现开关的开启与关闭。

1.6 产品制作与测试

以STM32作为主控模块，将上述其余模块外接至至相应引脚，完成配置与相应的编程操作，即可实现智能语音压力控制功能。当系统通电后，默认处于“关灯”状态，当对其语音输入“开灯”指令时，指示灯发光，电机逆时针转动，带动“按压棒”向下按压，从而实现开灯操作；当语音输入“关灯”指令时，则指示灯熄灭，电机顺时针转动，带动“按压棒”向上按压，从而实现开灯操作。如图2(a)、(b)所示为“开灯”状态下系统的工作情况，图3(a)、(b)所示为“关灯”状态下系统的工作情况。

图2 (a) “开灯”状态下系统工作情况 (b)开关开启

图3 (a)“关灯”状态下系统工作情况 (b)开关闭合

图4 智能语音便携式开关辅助控件外壳

在各模块制作、连接与测试后，本文也使用3D建模技术为此模块设计产品外壳，并以光敏树脂作为原料，使用3D打印技术进行制作，以进一步将其集成化、产品化，如图4所示是本产品的外壳，其中一面可拆卸，可将模块置于其中，并从小孔中伸出电机转子与“按压棒”以实现按压。

2 产品创新点

（1）该产品一方面可以帮助人们解放双手，有效的节约人们的时间，尤其可以帮助一些残疾人士通过语音指令实现开关的开启与关闭；另一方面，该产品也解决传统声控开关有声即响应的缺陷，特定的语音指令排除噪声对开关的干扰，有效减少电力资源的损耗。

（2）语音识别技术在最近几年取得了新的突破，但在目前的市场上语音识别技术的应用面仍然较窄，本产品是语音识别技术的一项新应用，同时在应用过程中对语音识别技术的发展也能够产生正向推动作用。

结语：随着当代人工智能技术的飞速发展，智能家居的产业规模必将不断扩大。开关作为一种日常生活器件，智能化是其不可阻挡的发展趋势。本产品不仅可以使开关智能化，而且不直接植入开关内部，以模块化的方式外部驱动开关的按压，易于携带、方便灵活，便利人们的生活，也为智能化产品的设计与制作提供了一种新的解决方案。