基于语音控制的多功能教学时间显示装置

骆文栋，郎庆阳，赵 亮，兰元一，周京威，张子晗，冯华超

(辽宁科技学院 机械工程学院，辽宁省 本溪市 117004)

时间信息是教学过程中必不可少的重要因素，教师需要在教学过程中依靠时间信息来掌控整体教学进度，学生需要在学习过程中依靠时间信息来进行规划安排，在日常测验与考试，答辩，四六级等特定考试过程中，时间信息的准确和便捷性就更加重要了。

在目前常见的在教室或者实验室使用的教学时间显示装置，大部分都是指针式的时钟，有极少数采用了通用的电子日历〔1〕。这些装置不是为教学服务定制的，往往具有时间不准确、显示不清晰、时间信息不全、缺少定时及考试计时功能、缺少交互功能、无法进行功能定制(二次开发)等问题，在日常教学应用中并不方便。

大部分的教学时间显示装置都是悬挂在高处的，对其进行时间调整或功能设置等操作并不是十分方便。如果运用无线遥控方式进行调整设置的话，则存在连接操作和额外添加遥控器等问题，日常管理相对麻烦。

针对以上问题，文章设计了一种专门为教学服务，具有语音交互控制功能的可以定制开发的多功能教学时间显示装置。

1 总体方案

该装置的核心功能是教学时间显示、服务功能和语音交互。围绕核心功能进行功能方案细化，如图1所示。

图1 多功能教学时间显示装置功能方案

根据教学实际需要，该装置突出小时和分钟的显示，省略秒信息的显示，设置教学周显示。同时，测量并显示室内温湿度。装置设计有倒计时和定时提醒功能，使用者可以灵活设定时间，为特定教学任务和环节、随堂测验等教学内容提供定时服务。对于期末考试、项目答辩和特殊考试(四、六级考试、计算机考试等)等一类的具有明确固定时间要求的工作任务，装置提供专项计时及提醒服务。提供以时间为基础的定制功能服务和扩展功能。以上各类功能所需要的交互控制由语音交互功能实现，除了最基础的语音播报功能〔2〕，使用者还可以通过语音实现功能选择、时间设定等控制功能。

2 功能结构设计

多功能教学时间显示装置的机械结构相对简单，主要为壳体和面板。其具体功能实现包括电源、控制器、显示、时钟、语音及温湿度等模块，如图2所示。

图2 多功能教学时间显示装置功能结构方案

电源模块采用稳定的开关电源为装置整体供电，考虑到显示部分的需求，采用12 V开关电源结合5 V降压模块进行供电。

控制器需要考虑足够的IO口和串行口，并且易于开发，故选择了一块以ATmega2560单片机为核心的微控制器开发板Arduino MEGA2560，它有54个数字I/O端口，4组硬件UART，使用16 MHz晶振。其具有256 KB的FLSH和4 KB的EEPROM，可以满足复杂程序和一定量数据的存储〔3〕。

时间显示装置常见的显示方法是采用液晶显示器或数码管显示器，考虑到教室面积距离和清晰度等因素，最终确定采用数码管显示器。数码管显示驱动主要有动态显示和静态显示两种方式，由于装置没有秒信息显示，所以不用频繁刷新，故选择静态显示方式，以获得清晰的显示效果。数码管采用74HC595芯片为核心的静态驱动电路，采用串联输入并联输出，稳定性高。

在实际应用中，仅靠单片机内部程序计时来实现时钟功能，由于精度不高，是不推荐使用的。更为常用的方法是采用专门的时钟模块来提供准确的时间信息。装置中采用的是DS3231实时时钟模块。DS3231内部集成微机电系统(MEMS)谐振器，相比石英晶振时钟，降低机械失效风险，解决温度漂移的问题。可以用纽扣电池供电，断开主电源时仍可保持精确计时。可提供秒、分、时、星期、日期、月和年信息。提供两个可设置的日历闹钟和一个1 Hz输出。在-45°C至+85°C温度范围内，计时精度保持在±5 ppm。

温湿度模块采用DHT11数字温湿度传感器，它包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。

语音识别模块采用基于LD3320语音识别单元的模块，UART串口通讯，具有循环检测、口令模式、按钮模式和串口唤醒等四种工作模式，可以连续识别，可以自定义词条，安静时具有95%的识别率。

语音播报模块采用MP3串口语音播放器，通过UART串口实现指令收发，通过TF卡存储MP3格式的声音文件，最大支持32 GB内容。

3 系统调试试验

装置主程序框图如图3所示，在工作中由固定唤醒词进行唤醒，并获取语音命令，执行语音命令后回到主循环。

图3 多功能教学时间显示装置主程序框图

在调试试验中，以普通期末考试(时间90分钟)为例，进行功能实现。功能流程如表1所示。

表1 多功能教学时间显示装置功能方案

应答声音和提示声音通过存储在语音播报模块的带有编号的mp3文件实现。语音识别模块的目标声音信息是通过串行口进行设置的语句拼音信息，设置过程界面如图4所示。

图4 语音识别模块目标声音信息设置界面

当语音识别模块收到语音命令后，向控制器传送对应数值代码，控制器进行对应功能处理，并发送代码命令到语音播报模块。

4 总结

文章所设计的多功能教学时间显示装置经过试验，能够较好地实现预期功能，具有较强实用性。下一步的工作是进一步优化，并在实际使用过程中不断丰富功能，未来，加入人工智能技术将会极大地提升装置的服务能力。