基于语音识别技术的智能灯光控制系统＊

陈靖文，陈 蕾，张永康，朱顺凯，白伟学，邓淏文

（1.苏州城市学院电子信息工程系，江苏 苏州 215104；2.苏州大学电子信息学院，江苏 苏州 215006）

2014 年以来，各大厂商已开始密集布局智能家居，尽管从产业来看，业内还没有特别成功的案例显现，这预示着行业发展仍处于探索阶段，但越来越多的厂商开始介入和参与已使外界意识到智能家居未来发展前景广阔，在智能家居中占据首位的语音识别技术正蓬勃发展。2018 年科大讯飞提出了深度全序列卷积神经网络（DFCNN），阿里提出了LFR-DFSMN。2019年，百度提出了流式多级的截断注意力模型SMLTA，越来越多的厂商开始推动智能语音识别的发展。

追求更加实用性、易用性、安全性、人性化的设备是时代进步的需求和标志，使居住环境更加方便、舒适、环保是本文所要达到的目标。本文设计了基于单片机的语音识别智能台灯控制系统，在此系统中实现了语音识别、亮度调节、自动开关、远程控制等功能。外出无需再担心灯光是否关闭，更加便捷地提供了睡前灯光声控关闭功能和半夜起床时的照明。实现了非接触式的灯光智能控制，具有一定的实用价值[1]。

1 硬件结构设计

1.1 系统组成结构

智能灯光控制系统主要由以下几部分组成：单片机模块、语音识别模块、红外人体感应模块、光敏与A/D 转换模块、按键模块、液晶显示模块及Wi-Fi 模块。系统的硬件结构如图1 所示。

图1 硬件结构图

1.2 主控模块

本文采用STC89C52RC 作为主控芯片，实现数据采集和控制。STC89C52RC 在指令系统和引脚上与MCS-51 系列的单片机完全兼容，它采用Flash 存贮器技术，降低了制造成本，将多功能8 位CPU 和闪存组合在单个芯片中，其程序的电可擦写特性，使得开发与试验更加容易，具有灵活性高、功能强且价格低廉等特点。

1.3 语音识别模块

本设计中语音识别模块的芯片选用LD3320。它是一颗真正的单芯片，由ICRoute 公司设计生产，具有非特定人语音识别技术、高准确度和实用的语音识别效果，可动态编辑且最高有50 条识别关键词语列表；内含PLL 频率合成器、A/D 和D/A 转换器、麦克风输入和MP3 输出接口等部分；支持并行接口或SPI 接口，支持休眠模式，具有MP3 播放功能[2]。

LD3320 芯片的MICN（P）为麦克风输入接收口，考虑到家里环境相对安静，外界麦克风采用远距离拾音咪头，实现无论在家中何处都能语音控制智能灯。再将其MD 口置为1，就可以通过4 个控制信号（WRB、RDB、CS、A0）、8 路数据线（P0～P7）及1 个中断返回信号（INTB）和MCU 主控进行并行通信。

在完成单片机和语音芯片的通用初始化后，就可以进行语音识别工作了。运行ASR 的流程如下：首先，进行ASR 初始化，初始化ASR 一些参数，这些参数主要包括设置语音检测的灵敏度、起始语音的时间和背景噪音时间；接着添加关键词语到LD3320 芯片中，将“管家”“打开灯光”“关闭灯光”“降低亮度”“升高亮度”这些词的拼音录入为关键词语；把例如“关闭”“降低”“管（关）”等这些有谐音或表达不全的词语列入垃圾词汇，以降低识别出错率；最后，打开MIC输入，启动AD 采样，激活DSP，启动ASR 运算模块，开始语音识别。每次识别的过程，就是把用户说出的语音内容，通过频谱转换为语音特征，和这个关键词语列表中的条目进行一一匹配，最优匹配的一条作为识别结果。识别流程结束后，单片机通过并行口通信获得识别结果，随后单片机对LED 台灯进行相应的控制。语音模块电路图如图2 所示。

图2 语音模块电路图

1.4 红外人体感应模块

本文选用了BISS0001 模块。BISS0001 是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。

1.5 光敏感应与A/D 转换模块

通过光敏电阻模块实现光敏感应自动调节亮度的功能的测量信号值，然后将其模拟量通过PCF8591 转换为数字量来实现。PCF8591 是8 位AD/DA 转换芯片，设定基准电压为5.1 V 时，其分辨率可以达到0.02 V。PCF8591 与外界的通信靠SDA、SDL 这2 条线通过IIC协议进行双向传输。

单片机通过向总线发送地址字节来选择该模块，发送控制字节选择该模块进行AD 转换。光敏电阻产生的模拟量通过AIN0 口输入给PCF8591，经过芯片的ADC 后，再将数字量通过SDA 输出给单片机，最后单片机根据接收到的数字量作出相应的改变来。因此硬件系统中，把光敏电阻放在台灯板上方，以此来避免光敏电阻受台灯的光线影响而影响其亮度的调节。光敏感应与A/D 转换模块仿真图如图3 所示。

图3 光敏电阻与A/D 转换电路图

1.6 Wi-Fi 模块

Wi-Fi 模块本文采用了ESP8266 芯片，ESP8266支持STA 模式、AP 模式和STA/AP 混合模式这3 种应用模式。其具有超功耗低、成本低廉、使用便捷、功能强大等众多优点。仅需这一个模块，就可通过互联网将所有物联网设备连接在一起。本文使用AT+CWJAP=“Wi=Fi 名称”“Wi=Fi 密码”便可以把小灯连接到当前环境指定的路由器来进行操作。

2 软件设计

主程序流程图如图4 所示。首先初始化整个系统，若有手动控制与远程控制，则可通过其打开或关闭小灯。若无手动控制与远程控制，则系统自动检测语音识别系统是否有语音指令发出。若没有检测到指令灯光处于熄灭状态，若检测到语音指令，进入下一步人体红外检测，人体红外检测模块未检测到人体信号则保持灯光熄灭，若检测到其信号则打开灯光。光亮程度的调节采用以下3 种方式：①按键控制，按键调节灯光的亮度；②光亮的自检测，根据光敏电阻控制灯光电压大小并自动调整其亮度；③远程控制通过发送的指令来调节亮度。

图4 主程序流程图

语音识别模块流程图如图5 所示。首先系统初始化后处于调整状态，控制系统检测语音模块是否发出可识别的一级指令（管家），若没有检测到语音指令，则一直处于系统调整状态；若检测到语音指令，则控制指示灯亮，采集语音信号，再检测是否存在二级语音指令（打开灯光、关闭灯光、降低亮度、升高亮度）。若检测到该信号，则将信号传输给语音识别模块进行预先设定的词条搜索并识别生成指令，并发送至单片机，使其控制灯光的状态；若未检测到该信号或者在进行语音指令搜索时，没有搜索到相关的指令，也就是识别不成功时，系统将会认定当前语音识别不成功，则再次返回系统调整状态，此时需要再次进行语音采集和识别，直到识别到最为合适的命令作为最后结果传输给单片机[3]。

图5 语音模块流程图

3 实验结果分析

本文所设计的基于语音识别技术的LED 台灯实现了家居行业的现代化和智能化。运用单片机技术来实现声控开关、智能调节亮度、人体感应、远程控制等一系列功能。

经过后期的调试与改进，具体功能如下：①语音识别控制开关。可以在夜晚说出口令，自动打开台灯，避免在黑暗环境下难以寻找开关，提供了便利，保障了人们的安全。②红外人体感应开关。能够感知人体，当人们忘记关灯或出现紧急情况长时间离开时，台灯会自动熄灭，以此来减少资源的浪费，比传统台灯省电。③自动感应亮度调节和手动亮度调节。自动感应亮度的功能可以就使用者所处的环境给以合适的光亮，防止光线问题影响使用者的视力，而手动调节是为了满足使用者在某些条件下的光亮要求以达到合适亮度。总而言之，这2 种调节方式均可以保护使用者的视力。④台灯设有1602 液晶显示屏，1602 显示屏可以显示亮度指数信息，操作者可根据需求更改亮度。⑤可以通过远程控制较好控制台灯的亮灭，当人不在家时也可以对台灯进行实时控制。

4 结语

通过本次实验，本文给出一种基于STC89C52RC、LD3320、BISS0001 和PCF8591 的智能灯光控制系统，不仅能够通过语音识别，而且也能利用环境光强对小灯进行智能控制。该系统操作方便、准确率较高、成本低廉，具有一定的实用价值。