基于AI语音识别芯片的水电站检修小灯设计与实现

宗和刚，沈唯羽，安美惠，王 伟，赵频嫣，张永懿

（华能澜沧江水电股份有限公司乌弄龙·里底水电厂，云南 迪庆 674606）

0 引言

随着人工智能技术的不断发展，智能化产品在日常生活中得到越来越广泛的应用。比如：智能家居、智能音乐播放器、智能电视、智能玩具等等，都是生活中比较常见的智能化产品[1]。而这些智能化产品有一个共同特点就是都能通过智能语音系统进行交互[2]。构成智能语音系统的主要元件是语音芯片，由于语音芯片市场需求的不断扩大，应用场景的不断扩充，带来了AI语音芯片的快速发展[3]。

1 设计背景

在电力行业中，为了预防触电，对带电盘柜的检修，安全措施一般都是需要将柜内的电源断开，包括柜内照明电路的电源。此时，盘柜内的亮度不够，检修人员在柜内作业极其不便，还有可能导致误碰、误操作与检修无关的设备，后果不堪设想。

为了解决这个问题，目前常用的有两种方式，第一种是使用便携手电筒，一个人打光，一个人检修，需要至少两人配合工作；第二种方式是在检修人员的安全帽上安装一个头灯，检修人员检修时，需要先手动按下头灯按钮打开头灯，当需要改变亮度时，还要用手去按动头灯上的按钮进行调整，使用完头灯之后，需要手动按下头灯上的按钮关闭头灯，这个过程都需要手动操作，有些时候两只手都在检修设备，就需要停下手中的工作去开关和调整头灯，极不方便。

鉴于此计划设计一款便携式的智能小灯，小灯通过智能语音芯片进行控制，工作人员通过简单的指令（比如：开灯、关灯、变暗一点、变亮一点）来控制小灯的开关和亮度，解放双手，给检修工作的安全性和方便性带来保障。

2 设计原理

检修小灯的电路结构如图1所示，主要由3部分组成：①电源电路；②语音采集电路；③LED显示电路。电源电路为语音采集电路及检修小灯供电，语音采集电路根据采集到的语音指令，驱动LED显示电路进行开关操作和亮度调整。

图1 检修小灯电路结构图

2.1 电源电路

电源电路负责为检修小灯提供稳定可靠的电力支持。一般可采用锂电池或可充电电池作为电源，通过电源管理电路实现对电池电压的监测和管理，以确保电源的稳定供应。

本次设计主要使用的是SY3501芯片，它是一款专为移动电源设计的单芯片IC解决方案，是高度集成了充电管理模块、LED电量显示模块、同步升压放电管理模块的移动电源管理芯片，极大的简化了外围电路与元器件数量。针对大容量单芯或多芯并联锂电池(锂离子或锂聚合物) 的移动电源应用，提供最简单易用的低成本解决方案。适用于低功耗项目供电，体积小巧布局紧凑，可以很容易地嵌入设计中。电源电路又可以细分为4个模块，如图2所示：①外部供电模块；②锂电池充放电模块；③LED电量指示模块；④同步升压放电管理模块。

图2 电源电路原理图

（1）外部电源模块：它包含型号为TypeC-6P的元件USB1，电阻R1和电容C2，USB1的引脚1和6是接地端，短接在一起，引脚2和5短接后串联电阻R1和电容C2后返回引脚1，引脚3和4悬空不接，外部供电时通过引脚5和1进行输入，然后输出给移动电源芯片SY3501供电。

（2）锂电池充放电模块：它包括型号为单节18650电池座的元件U3和电容C4；电池的正极出来，接电容C4，最后接地；正常使用的时候，在电池座内安装上锂电池，安装时要特别注意电池的正负极，接反了可能会损坏元器件。

（3）LED电量指示模块：这里设置了两只LED灯，一只绿灯，一只红灯。LED_R是红灯，和U2的引脚5连接，LED_G是绿灯，和U2的引脚6连接。绿灯闪烁代表正在充电；绿灯常亮代表充电完成；红灯常亮代表正在放电；红灯闪烁代表电量不足。

（4）同步升压放电管理模块：它包括型号为SY3501的移动电源芯片U2，电阻R2，电容C3和电感L1。U2的引脚1出来分两路，一路串联电阻R2和电容C3后接地；一路串联电感L1后接到单节18650电池座的正极；锂电池采用单节18650电池进行供电，单节电池容量高达1 500 mA·h，可供灯珠长时间使用。U2的引脚2为接地端与USB1的引脚1相连，引脚3接单节18650电池座的正极，引脚4与USB1的引脚5相连，当外部电源通过USB1输入时，U2也就得电了。U2的引脚5和引脚6分别接到LED电量指示模块的LED_R端和LED_G端，U2的引脚7悬空不接，U2的引脚8为同步升压输出端，输出+5 V的电压，给语音采集电路供电。

2.2 语音采集电路

语音采集电路是实现语音指令控制的核心部分。该电路需要一个麦克风用于接收用户的语音指令，并将语音信号转换成数字信号。接着，数字信号会经过信号处理模块，进行特征提取和语音识别，识别出用户的指令。最后，根据识别结果产生相应的控制信号，以控制小灯的开关和亮度。

语音采集电路原理如图3所示，采用宏芯达型号为HXD016S的语音控制芯片U1，它支持多条语音指令，包括但不限于：调亮一点、亮一点、调暗一点，暗一点、开灯、打开电灯、回来了、关灯、关闭电灯、睡觉了、出去了等。它的外围电路包括元件：电容C5、C6、C7、电阻R4、开关KEY1以及驻极体话筒U6。U1的引脚1/5/6/7/8/11/12/16是悬空的，引脚2出来分两路，一路通过电阻R4与开关KEY1相连，最后接到电源芯片U2的引脚8，由引脚8向外提供+5 V电源，另一路，通过电容C7之后接到GND端，U1的引脚3通过电容C6之后接到GND端，U1的引脚4接到LED显示电路的B端，U1的引脚9和10分别接到LED显示电路的G端和R端，U1的引脚13串联驻极体话筒U6然后接到GND端，U1的引脚14直接接到GND端，U1的引脚15通过串联C5之后接到GND端。控制LED显示电路时，在18650电池座内安装上电池，打开开关KEY1给语音控制芯片U1供电，然后，对着驻极体话筒U6说话，即可控制LED显示的亮度以及LED的开关。

图3 语音采集电路

2.3 LED显示电路

LED显示电路负责控制LED灯的亮度和开关状态。通过控制LED的电流大小，可以实现LED的亮度调节。而通过控制LED的开关，可以实现灯的开启和关闭。

LED显示电路如图4所示，主要包括5个LED灯：LED3、LED4、LED5、LED6、LED7和一个串联电阻R3。LED灯源采用的是高亮白色5050贴片LED灯，该光强可以达到5 500-6 000 Mcd（纯白光，暖光的稍微小一点），工作电压和普通的LED一样，只需要3.2~3.4 V，电流也一样，为60 mA。每个LED灯的R端和R端相连之后接到语音控制芯片U1的引脚10，G端和G端相连之后接到语音控制芯片U1的引脚9，B端和B端相连之后接到语音控制芯片U1的引脚4。LED3～LED7的阴极全部连接在一起，然后通过电阻R3接到GND端。

3 性能评估

对该检修小灯的性能进行评估。这个小灯的最大创新点在于采用了语音控制技术，可以通过简单的语音指令来控制灯的开关和亮度。这种技术需要使用语音识别和语音合成技术，能够实现自然语言的语音交互[4]。另外，小灯采用了LED灯作为光源，具有低功耗、长寿命、高亮度等特点，可以提供明亮的照明效果。此外，还采用了PWM技术控制LED的亮度，能够实现精准的亮度调节。

整个电路采用了数字集成电路和模拟集成电路相结合的方式，能够实现快速、准确的语音识别和语音合成，同时还能够保证电路的稳定性和可靠性。

通过实验测试，证实了语音指令控制的准确性和稳定性。用户可以通过简单的语音指令，灵活地控制小灯的开关和亮度，实现了双手的解放。同时，该智能小灯的电源管理模块能够有效延长电池的使用寿命，提高产品的续航时间。基于语音指令控制的智能小灯为检修工作提供了一种全新的解决方案，不仅提高了工作效率，还提升了工作的安全性。该技术还具有广泛的应用前景，在户外探险、露营等场景中也能发挥重要作用。

4 结语

本文成功设计并实现了一种基于语音指令控制的智能小灯，通过简单的语音指令可以实现灯的开关和亮度调节。该智能小灯的设计为检修工作带来了便捷和安全性，也展示了语音识别技术在智能化产品中的巨大潜力。随着技术的不断进步，基于语音指令的智能产品将在更多领域得到广泛应用。