基于REC-V2的老年电磁炉设计与实现

姜晓雪，陈小菊，唐嘉

（宜宾学院，四川宜宾，644000）

0 概述

随着社会老龄化问题不断严重，年轻人外出工作无法照顾老年人的生活起居，所以老人的生活起居成了社会广泛关注的问题。由这种现象的普遍性得到启发，设计一个对老人适用，又能保证老人生活用电安全的产品。该设计是为视力弱化、动作迟缓和对电磁炉这种有多功能按键的电器有使用障碍的老人定制的产品。这个产品具有智能语音播报、语音控制、语言选择、LED 闪烁提示、防水等功能。

1 系统原理

系统通过NewWay Speech Recognition Studio Summerd对REC-V2 语音识别模块进行程序编写，主要设计思路如下:系统外设初始化，检测外部输入语音信号，根据输入语音信号进行关键词对比，匹配成功时执行相关指令。系统软件主要控制部分包括串口发送子程序、模态跳转子程序、MP3播放子程序。系统任一子程序在通电时均进行一次初始化。本系统采用语音触发功能，用户通过普通话描述出想实现的功能，语音模块再根据采集到的语音信号进行识别词条匹配，识别词条匹配成功后通过扬声器进行播报，进而执行相应的功能。

2 硬件设计

本系统的硬件部分主要包括语音模块、继电器控制模块、电磁炉控制模块和电磁炉主板模块。系统中通过对REC-V2 语音模块对语音信号进行处理和识别，然后模块所识别到的语音指令控制继电器控制模块中对应的各个功能开关。继电器控制模块是和电磁炉控制模块中的功能选择按键连接的。例如当用户发出“炒菜”指令时，REC-V2 模块对语音进行识别，然后通过对应的串口发送指令，从而对继电器控制模块中对应的开关控制，然后选择到电磁炉控制模块中的“炒菜”功能，最后电磁炉主板模块开始执行用户指令。各个功能出于对成本、功耗、性能以及实用性等多方面的考虑，本系统中选用性能卓越、能耗低、实时性好的REC-V2 作为核心处理器，也可以最大程度优化耗电和性能[1]。通过出于对减少电路噪声源，提高系统抗压性和提高系统稳定性的考虑。电源采用总线的分配模式和供电模式，设计有多个电源和多个接地，复位电路采用低电平复位。系统结构框图如图1 所示。

图1 系统结构框图

■2.1 语音模块

REC-V2 语音识别模块是一种高性能的VOICE-UI 产品，能够方便地计出强大的语音识别剧本，实现人机的语音交互[2]，为设备增加人机语音接口，它能够对接入的无源麦克风、立体声、单声道等多种音源进行识别，模块拥有丰富的设计资源，方便设计各种人机交互产品[3]。在本设计中主要通过REC-V2 语音识别模块对电磁炉功能进行控制。此模块主要能实现语音识别功能、语音控制功能、语音播报功能。语音识别主要是通过麦克风采集语音，再通过REC-V2 语音模块进行识别；语音控制是通过功能扩展接口对继电器控制模块进行控制；语音播报是通过扬声器实现播报功能。REC-V2语音识别模块实物图如图2 所示。

图2 REC-V2 实物图

■2.2 继电器控制模块

此模块采用继电器、常开接口最大负载为交流250V/10A、直流30V/10A；采用贴片光耦隔离，驱动能力强，性能稳定，触发电流为5mA；模块工作电压有5V、12V、24V 可供选择；模块每一路都可以通过跳线设置高电平或低电平触发；还有很强的容错设计，即使控制线断开，继电器也不会动作；接口设计人性化，所有接口均可通过接线端子直接连线引出，非常方便；输出端有24 线接口，所有接口都可以直接连线引出，方便使用[4]。本设计采用继电器来控制电磁炉的功能选择，继电器控制模块与REC-V2 语音模块的功能扩展接口连接。通过REC-V2 语音模块发送指令对继电器控制模块中每路继电器的开启与关闭进行控制。八路继电器分别对应了电磁炉功能:炒菜、烧水、升温、降温、定时、停止等。继电器控制模块原理图如图3 所示。

图3 继电器控制模块原理图

■2.3 电磁炉控制模块

电磁炉控制模块是由按键、LED 驱动控制电路、发光二极管、电容等元器件构成。其中TM1628 是一种带键盘扫描接口的LED 驱动控制专用IC，内部集成有MCU、数字接口、数据锁存器、LED 驱动、键盘扫描等电路。其质量可靠、稳定性好、抗干扰能力强，主要适用于家用设备，如热水器、微波炉、电磁炉、洗衣机等；机顶盒；电子秤；智能电表等数码管或LED 显示设备[5]。电磁炉控制模块受继电器模块控制，继电器控制模块中的各个开关对应的是电磁炉控制模块中的相应功能按键。电磁炉控制模块中的功能按键则是直接控制着电磁炉主板模块的工作。电磁炉控制模块原理图如图4 所示。

图4 电磁炉控制模块原理图

■2.4 电磁炉主板模块

电磁炉主板模块主要由加热线圈盘L1300、谐振电容C004、主晶体管IGBT1、续流二极管DV1 等原件构成主回路电路[5]。电磁炉主板模块任务是将300V 左右的直流电转换成高频电流，并通过加热盘感应到锅具，是锅具底部产生涡流而发热。其是通过电磁炉控制模块中的功能选择开关进行控制。在电磁炉控制模块中选定功能后，主板模块将会根据相应的功能模块进行工作。电磁炉主板模块如图5 所示。

图5 电磁炉主板模块原理图

3 软件设计

本系统的软件设计部分是通过NewWay Speech Recog nition Studio Summerd 对REC-V2 语音识别模块进行程序编写。首先初始化模块。然后开始判断系统是否进入语音模式。如果模块没有进入，则可以通过普通模式控制电磁炉；系统已经进入语音模式，则可以语音模式和普通模式并用。当发送缓冲区已经处理完毕后继续对语音播报剧本[6]进行处理，如果语音播报剧本也处理完毕，就对功能模态的数据进行处理，处理完毕后对命令缓冲区进行处理，命令缓冲区中的数据主要是用户端发来的控制指令，执行完毕后返回初始模态中。软件设计程序流程图如图6 所示。

图6 程序流程图

4 系统测试与结果分析

■4.1 人声识别测试

为掌握测试语音识别的效果，选择了两种测试环境分别是嘈杂环境和安静环境。由表中数据可以看出，安静环境下对人声的语音识别率可达到90%以上，嘈杂的环境下的语音识别率也可达80%以上。识别率方面，在嘈杂环境下比在安静环境下的语音识别率有所降低；稳定性方面，在安静环境下系统的稳定性较好，语音说1 遍，最多说2 遍模块就可以做出正确的响应；在嘈杂环境下，系统的稳定性有所下降，个别语音命令需要说3 遍甚至3 遍以上才能被模块准确识别；实时性方面，在安静环境下的语音能保证系统响应的实时性，响应时间一般不超过1～2s，在噪声环境下的响应时间相对长一些。人声识别测试结果如表1 所示。

表1 人声识别测试表

■4.2 串口测试

通过人说出功能，在串口调试软件上观察语音模块是否成功识别人声。成功识别人声时，串口调试软件上就会接收到相应的文字；若未能成功识别人声，则串口调试软件上就不会接收到文字。本系统设计共测试了30 次串口输出功能，开机10 次，炒菜10 次，烧水10 次；关闭电磁炉10 次。其中有两次识别失败，经分析原因为环境嘈杂且信号来源模糊，识别率为93.33%。串口测试结果如图7 所示。

5 结束语

本文讨论了REC-V2的语音识别功能、语音播报功能、语音控制功能和继电器模块控制功能，对各个模块电路及功能实现进行了详细的介绍。当用户说出一条指令时，REC-V2 模块对其进行响应，然后通过扩展功能接口对继电器模块控制，进而控制电磁炉控制板。通过语音指识别模块对多条语音指令进行了测试，能够识别指令并执行相关功能。最终成功完成了基于REC-V2的老年电磁炉的设计。

图7 串口测试结果