基于XS128系統(tǒng)的智能床頭燈的設(shè)計

徐 航 王立峰 徐振鋒 楊俊強 施怡亭 仲相宇

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150040)

1 引言

隨著社會的發(fā)展，智能家居已步入人們的生活，而床頭燈已是千家萬戶的必需品，但目前床頭燈功能較單一，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了人們生活的需要。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，大多數(shù)人因生活節(jié)奏快，工作壓力大而面臨難以入睡的問題，因此，一款能夠助眠的智能化床頭燈應(yīng)運而生，其不但能夠隨時應(yīng)答報時，顯示臥室環(huán)境，具有智能鬧鐘的語音溫馨提示與贊美和夜晚助眠功能，還內(nèi)置有防輻射的手機存放處，使人們生活多姿多彩，增添了無限情趣。

2 系統(tǒng)方案的設(shè)計

該方案整體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示，由信號采集、信息處理、執(zhí)行操作組成，基于單片機對上述三部分進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，其中信息采集部分包括語音識別模塊、人體紅外識別模塊和監(jiān)測模塊;信息處理包括核心控制模塊單片機和語音識別芯片;執(zhí)行操作部分包括鬧鐘模塊、音樂模塊、電子催眠模塊和PWM照明模塊。床頭燈實時采集語音信號、人體熱釋紅外信號、溫濕度及監(jiān)測有害氣體，并將信息傳遞至單片機分析處理，然后由執(zhí)行操作實現(xiàn)語音交流與控制照明、電子催眠、溫濕度顯示及有害氣體警示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)框架圖Fig.1 The frame of the overall structure

3 相關(guān)硬件模塊的設(shè)計

3.1 核心控制模塊的設(shè)計

核心控制模塊采用飛思卡爾公司的MC9S12XS128單片機。XS128是16位單片機，由16位中央處理單元 (CPU12X)、128KB程序Flash、8KB RAM、8KB數(shù)據(jù)Flash組成片內(nèi)存儲器。利用內(nèi)部PLL鎖相環(huán)可達(dá)100M主頻，滿足了處理信息的時效性。如圖2所示，利用串行外設(shè)接口SPI模塊控制液晶，顯示出時間、溫度、濕度和調(diào)節(jié)信息，利用周期中斷定時器模塊PIT進(jìn)行相關(guān)時間的準(zhǔn)確控制，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC通道分別進(jìn)行溫濕度模擬信號的轉(zhuǎn)化，脈沖寬度調(diào)制模塊輸出 PWM波控制燈光的亮暗，讀取輸入 輸出數(shù)字I O口高低電平獲取語音芯片相關(guān)信息。這款芯片通過Freescale CodeWarrior軟件編寫代碼并編譯，經(jīng)過USBDM燒寫，從而實現(xiàn)對其他各個功能模塊的控制與相互協(xié)調(diào)，而且還可以對其進(jìn)行在線調(diào)試。

圖2 各模塊結(jié)構(gòu)框架圖Fig.2 The frame of each module structure

3.2 人體紅外模塊的設(shè)計

該模塊采用采用德國原裝進(jìn)口LHI778探頭和BISS0001信號處理IC制作而成，感應(yīng)模塊在人體進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平，人離開感應(yīng)范圍則自動延時關(guān)閉高電平，輸出低電平，并且可設(shè)置光敏控制，白天或光線強時不感應(yīng)，還可旋轉(zhuǎn)距離電位器，調(diào)節(jié)其感應(yīng)距離。并且可設(shè)置觸發(fā)方式:即感應(yīng)輸出高電平后，在延時時間段內(nèi)，如果有人體在其感應(yīng)范圍活動，其輸出并將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變?yōu)榈碗娖?。人體熱釋紅外模塊的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 人體熱釋紅外模塊相關(guān)參數(shù)Table 1 The related parameters of pyroelectric infrared module

3.3 語音模塊的設(shè)計

語音識別模塊采用LD332X語音識別芯片和W25P40Flash存儲芯片，運用主控芯片XS128處理后實現(xiàn)聲音控制和人機語音交流的功能。LD332X系列是ICRoute生產(chǎn)的基于非特定人語音識別 (SI-ASR:Speaker-Independent Automatic Speech Recognition)技術(shù)的語音識別 聲控芯片。該系列芯片上集成了高精度的A D和D A接口，提供了真正的單芯片語音識別解決方案，從而輕松實現(xiàn)語音識別 聲控 人機對話功能。為擴充語音識別內(nèi)容，特增加W25P40flash存儲芯片進(jìn)行擴充外置語音內(nèi)存。該模塊還可修改語音模塊的口令觸發(fā)模式，當(dāng)口令識別正確之后，才能識別控制語音指令，以便減小模塊語音識別的錯誤率，提高語音識別的準(zhǔn)確性。

3.4 防輻射模塊

該模塊為物理結(jié)構(gòu)，采用銀纖維材料包裹住床頭燈底座的手機存放處，達(dá)到減弱手機輻射的效果。因電磁波在良導(dǎo)體中衰減很快!把由導(dǎo)體表面衰減到表面值的1 e(約36.8)處的厚度稱為趨膚厚度(又稱透入深度)，用d表示，其中μ和σ分別為屏蔽材料的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率。若電視頻率f=100 MHz對銅導(dǎo)體 (σ =5.8 ×107 Ω·m，μ≈μ0=4π ×10－7H m)可求出d=0.00667mm，可見導(dǎo)體的電磁屏蔽效果顯著。銀纖維是通過特殊技術(shù)，將一層純銀永久的結(jié)合在纖維表面上所得的高科技產(chǎn)物。這種結(jié)構(gòu)不僅使銀纖維具有導(dǎo)電性抗輻射的屬性，而且完全無一般化學(xué)性產(chǎn)品之毒副作用。

3.5 空氣質(zhì)量監(jiān)測模塊

該模塊主要采用溫度傳感器PT100、濕度傳感器SHT11以及空氣質(zhì)量傳感器MQ125進(jìn)行臥室空氣信息采集，并經(jīng)過濾波放大電路進(jìn)行處理而實現(xiàn)其準(zhǔn)確監(jiān)測空氣質(zhì)量的功能。MQ135廣泛應(yīng)用于各種空氣凈化裝置和小家電產(chǎn)品，且對酒精、香煙、氨氣、硫化物等各種污染源都有極高的靈敏度，產(chǎn)品響應(yīng)時間快、工作穩(wěn)定、價格便宜、低功耗、長壽命、應(yīng)用簡單。

圖3是MQ135(典型值)的靈敏度特性曲線，用傳感器電阻和氣體濃度之間的關(guān)系體現(xiàn)這種靈敏度特性。傳感器阻值減少與氣體濃度增加之間呈現(xiàn)對數(shù)關(guān)系。靈敏度特性通過傳感器阻值變化率 (在10ppm氫氣和在空氣中之間)表示。

圖3 靈敏度特性Fig.3 Sensitivity characteristics

圖4 是MQ125傳感器的標(biāo)準(zhǔn)工作電路。傳感器阻值 (Rs)變化體現(xiàn)在可調(diào)或定值負(fù)載 (Rl)上電壓的變化。為了得到最好的工作特性，加熱器電壓(Vh)、工作電壓 (Vc)和負(fù)載 (Rl)必須符合標(biāo)準(zhǔn)工作條件。

4 相關(guān)軟件的編寫

圖4 MQ135電路圖Fig.4 The circuit diagram of MQ135

本產(chǎn)品中用到飛思卡爾公司的MC9S12XS128單片機，如圖5所示系統(tǒng)整體分為兩部分，即語音命令獲取、執(zhí)行和空氣質(zhì)量信息的采集、處理。系統(tǒng)初始化后，主控芯片實時掃描語音信號所接8個普通I O引腳的電平狀態(tài)，獲取對應(yīng)的語音命令和采集空氣質(zhì)量的相關(guān)模擬信號，經(jīng)過A D轉(zhuǎn)化后與閾值進(jìn)行比較，并將轉(zhuǎn)化后的數(shù)字量處理后顯示到液晶屏上。若語音芯片LD3320采集到語音信息并被主控芯片識別后，則進(jìn)入工作狀態(tài):①當(dāng)接收到“晚安”的話語后，主控芯片識別為夜晚模式，執(zhí)行催眠措施，并開啟夜晚自動開燈功能;②當(dāng)接收到“早上好”的話語后，播放清新音樂，對人進(jìn)行贊美;③當(dāng)識別出情感語音 (如:“好累呀”、“郁悶呀”等)時，主控芯片根據(jù)A D轉(zhuǎn)化的平均值粗略判斷語氣并搜集W25P40Flash存儲芯片內(nèi)對應(yīng)的話語，進(jìn)行播放回答并控制彩燈進(jìn)行對應(yīng)的閃爍。若判斷空氣質(zhì)量的相關(guān)參數(shù)大于閾值時，播放警示提醒語音，如: “請開窗通風(fēng)”、 “空氣好干呀”、“熱死了熱死了”等。

圖5 整體軟件流程圖Fig.5 The whole software flow chart

5 具體功能的實現(xiàn)

(1)智能控制及語音交流功能中，當(dāng)接收到語音芯片識別出“開 (關(guān))燈”、 “來點音樂”等語音后產(chǎn)生脈沖信號，通過主控芯片根據(jù)當(dāng)時模式不同而控制相應(yīng)I O引腳高低電平信號的變化，從而控制ULN2003達(dá)林頓管的通斷實現(xiàn)對應(yīng)設(shè)備的開啟與關(guān)閉。人機語音交流中，通過LD3320芯片識別語音后，播放回復(fù)語音，從而實現(xiàn)人機的簡單對話和贊美，使人精神愉悅，充滿自信。

(2)夜晚自動感應(yīng)開燈功能中，當(dāng)單片機識別為夜晚模式后，通過熱釋人體紅外傳感器判斷是否周圍有人，為防止誤判夜間人要起床，采用分時掃描的方法，持續(xù)有信號后單片機輸出占空比由小到大的PWM波才使燈光逐漸變亮，實現(xiàn)夜間床頭燈的自動開啟與關(guān)閉，為人們夜間起床提供了極大的方便。

(3)數(shù)字智能鬧鐘功能，當(dāng)語音芯片LD3320識別“幾點了”的聲音信號后，通過單片機讀取此時時間，并用揚聲器報出時間，實現(xiàn)隨時應(yīng)答報時，以及運用按鍵和液晶等人機交互裝置對時間校準(zhǔn)與定時。

(4)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測功能，使用溫度濕度傳感器，有害氣體敏感元件產(chǎn)生模擬電壓信號，通過放大器電路后接到單片機的A D轉(zhuǎn)化引腳，實現(xiàn)8位精度轉(zhuǎn)化后與所設(shè)閾值進(jìn)行比較后判斷是否警示，并實時將數(shù)據(jù)顯示到液晶屏上，以便人了解到此時空氣質(zhì)量信息。

(5)防手機輻射功能通過在床頭燈底座設(shè)置手機存放處，采用防輻射復(fù)合材料 (銀纖維)進(jìn)行包裹，人們睡覺時將手機放入底座中以減少輻射，免去了夜晚關(guān)機卻擔(dān)心有急事，開機卻擔(dān)心輻射的憂慮。

(6)電子催眠功能采用嗅覺、聽覺、視覺三方面結(jié)合實現(xiàn):①音樂模塊根據(jù)外部設(shè)置播放廣播或者催眠音樂，從聽覺上營造一種舒適的氣氛;②單片機輸出頻率為10KHz的PWM波，通過占空比的不同經(jīng)過LM324積分電路產(chǎn)生1～5V高低不同的電壓，進(jìn)而控制燈光的亮暗，有規(guī)律的燈光亮暗變化可以促進(jìn)人們睡眠;③主控芯片開啟定時中斷使控制電風(fēng)扇的引腳產(chǎn)生20s的高電平，從而開啟繼電器使工作電壓為DC5V功率為4W電機工作將床頭燈底座內(nèi)的香料 (薰衣草)微粒吹到空氣中，進(jìn)而使人們迅速進(jìn)入睡眠狀態(tài)，達(dá)到預(yù)期的效果。

6 結(jié)束語

作為一款新型人性化的智能床頭燈，技術(shù)上利用各個功能模塊的結(jié)合增加了許多新功能，本需要很復(fù)雜操作才能完成的功能，說句話就能實現(xiàn)，從而可以使用戶體驗更加優(yōu)越的服務(wù)，所以推廣應(yīng)用相信也非常容易。其外形低調(diào)華麗，無需多余的裝飾就可以體現(xiàn)簡約實用的特點，而市面上一個只具有基本功能的床頭燈價格不菲，所以與之相比大多數(shù)用戶必定會選此款功能更齊全的床頭燈，所以其經(jīng)濟效益非常不錯。整體來看，該設(shè)計將創(chuàng)意新穎、功能齊全、人性化等優(yōu)點集于一身，既符合現(xiàn)在的智能人性化要求，又能滿足現(xiàn)在人們的生活要求，是現(xiàn)有床頭燈一個飛躍，具有廣闊的市場需求和市場前景。

致謝:本文作者特對宋文龍院長及相關(guān)老師致誠懇謝意。

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