基于1T8051單片機(jī)的語音識別智能家具控制系統(tǒng)

趙凱文 李存瑞 李明澤 王鈞

摘? 要：隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代的生活開始擺脫傳統(tǒng)家居的控制方式，比如使用語音識別技術(shù)來控制一些家電，給生活帶來便利的同時增加了生活體驗(yàn)樂趣。這個智能系統(tǒng)是一種基于單片機(jī)的智能語音控制電燈的系統(tǒng)。具有語音調(diào)節(jié)電燈開關(guān)、亮度以及工作模式的功能。采用STC12C5A60S2系列1T8051單片機(jī)作為處理核心，利用LD3320語音識別芯片進(jìn)行識別語音的操作，并使用HC-05藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)無線傳輸，進(jìn)而進(jìn)行遠(yuǎn)程控制智能家居的操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1T8051單片機(jī)性能穩(wěn)定，開發(fā)空間大，LD3320芯片的識別率高，容易開發(fā)，此語音識別方案具有較高的實(shí)用價值和生活體驗(yàn)樂趣。

關(guān)鍵詞：語音識別;智能家居;1T8051單片機(jī);LD3320芯片

中圖分類號：TP273.5? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）01-0033-05

Speech Recognition Intelligent Furniture Control System Based on

1T8051 Single Chip Microcomputer

ZHAO Kaiwen，LI Cunrui，LI Mingze，WANG Jun

（College of Information Science and Technology，Gansu Agricultural University，Lanzhou? 730070，China）

Abstract：With the development of science and technology，modern life starts to get rid of the control mode of traditional household，such as using voice recognition technology to control some household appliances，which brings convenience to life while increasing the joy of life experience. This intelligent system is a kind of intelligent speech control light system based on single chip microcomputer. It has the function of voice adjusting light switch，brightness and working mode. STC12C5A60S2 series 1T8051 microcontroller is adopted as the processing core，and LD3320 speech recognition chip is used to recognize human voice，and HC-05 bluetooth module is used to realize wireless transmission，then the remote control of smart home operation is carried out. The experimental results show that 1T8051 MCU has stable performance，large development space，high recognition rate of LD3320 chip，and is easy to develop. This speech recognition scheme has high practical value and life experience fun.

Keywords：speech recognition;smart home;1T8051 single chip microcomputer;LD3320 chip

0? 引? 言

隨著科技的發(fā)展，語音交互跟我們生活的聯(lián)系越來越密切，例如Win10系統(tǒng)中的小娜，蘋果手機(jī)中的Siri，微軟的小冰等都是我們所熟悉的語音交互功能，我們甚至每天都在使用語音交互。小米、阿里、Google等公司的智能音響也給智能家庭的建設(shè)帶來了趣味體驗(yàn)。由此可推想，將語音識別技術(shù)運(yùn)用到智能家居中，利用其遠(yuǎn)程控制家居電器設(shè)備，我們的生活將更加便利，語音識別技術(shù)將會在未來生活中發(fā)揮更為重要的作用。本文基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的語音識別遠(yuǎn)程控制電燈的系統(tǒng)是對語音識別技術(shù)應(yīng)用的探索，以期為人們的生活提供更多的便利。

1? 系統(tǒng)整體介紹

系統(tǒng)主機(jī)采用STC12C5A60S2系列1T8051單片機(jī)和LD3320語音識別芯片進(jìn)行識別語音和語音指令解讀，再由藍(lán)牙傳輸系統(tǒng)發(fā)送指令數(shù)據(jù)到從機(jī)，從機(jī)中的單片機(jī)便可以控制智能家居系統(tǒng)的工作。本文設(shè)計(jì)使用LED燈來模擬生活中的電燈，這樣就組成了家電語音控制系統(tǒng)，來模擬開燈關(guān)燈，控制燈的工作模式。

系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2? 硬件電路

整體硬件電路系統(tǒng)，有以下兩個部分：由迷你MIC頭、語音識別模塊LD3320、STC12C5A60S2系列1T8051單片機(jī)、藍(lán)牙發(fā)送模塊、供電電路模塊組成的主機(jī);由1T8051單片機(jī)、藍(lán)牙接收模塊、LED燈、供電電路模塊組成的從機(jī)。整體電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.1? 單片機(jī)模塊

STC12C5A60S2系列的1T8051單片機(jī)是一個很適合該系統(tǒng)的微處理器，它除了4組8位并行端口外還加了4個I/O端口，總共有36個I/O端口，同時，其還具有1280字節(jié)的SRAM和最大32K字節(jié)的Flash程序存儲器，最大工作頻率可達(dá)到24MHz，這些特性便于系統(tǒng)開發(fā)，并且可以使系統(tǒng)保持良好的工作狀態(tài)。STC12C5A60S2系列1T8051單片機(jī)最小工作系統(tǒng)電路如圖3所示。

該1T8051單片機(jī)同時存在于系統(tǒng)的主機(jī)和從機(jī)，在主機(jī)中主要是對主機(jī)的整個系統(tǒng)進(jìn)行控制，并將語音識別后得到的信息傳送至藍(lán)牙發(fā)送模塊;在喚醒系統(tǒng)和輸入操作指令后系統(tǒng)有回應(yīng)時控制指示燈做出反應(yīng)，便于我們觀察。在從機(jī)中是利用藍(lán)牙接收的指令信息對LED燈進(jìn)行控制。

2.2? 語音識別模塊

語音識別模塊包括LD3320語音識別芯片、迷你MIC頭和供電電路模塊。其中LD3320語音識別芯片在語音識別和可操作方面有很大的優(yōu)勢，它的優(yōu)點(diǎn)是完全不用外接FLASH和RAM等外部存儲器就可以進(jìn)行高精度的語音識別，也就是說只用LD3320芯片便可以進(jìn)行高質(zhì)量的語音識別工作。而且LD3320語音識別芯片集成了高精度的A/D和D/A轉(zhuǎn)換，可以直接由1T8051單片機(jī)控制。

LD3320語音識別芯片不用外接存儲器，使用的時根據(jù)需求自定義關(guān)鍵詞并將關(guān)鍵詞用字符串的形式寫入芯片即可，進(jìn)行設(shè)計(jì)和操作都非常方便。例如該系統(tǒng)預(yù)設(shè)了一個一級語音指令“小白”，二級語音指令“開燈”、“關(guān)燈”、“變暗”、“變亮”、“閃爍”。一級語音指令是為了喚醒系統(tǒng)，讓系統(tǒng)進(jìn)一步接收二級語音指令。系統(tǒng)如果沒有一級語音指令，使用時容易誤解用戶的話語，達(dá)不到用戶預(yù)期效果。輸入一級語音指令后，主機(jī)中的指示燈會閃爍，提示我們系統(tǒng)喚醒成功，然后輸入二級指令對從機(jī)中LED燈進(jìn)行控制。當(dāng)然，上述這些指令都是可以在程序中進(jìn)行更改，以達(dá)到自己需求，增強(qiáng)體驗(yàn)樂趣。

LD3320語音識別芯片的高集成度極大地方便了我們對語音的處理。我們需要做的只是：確定需要的寄存器地址，編寫程序，然后進(jìn)行測試，最后單片機(jī)就可以完成對家電的控制。圖4是LD3320語音識別模塊的電路圖。

2.3? 藍(lán)牙發(fā)送與接收模塊

硬件電路系統(tǒng)采用HC-05藍(lán)牙模塊進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)“操作指令”的遠(yuǎn)程發(fā)送和接收。該模塊硬件層支持藍(lán)牙V2.0+EDR，而且內(nèi)置PCB射頻天線，不需要再外設(shè)天線;軟件層支持SPI編程接口。該藍(lán)牙芯片體積小、功耗低、成本低、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。

硬件電路系統(tǒng)中主機(jī)和從機(jī)上各有一個HC-05藍(lán)牙傳輸芯片，在系統(tǒng)通電后，兩個藍(lán)牙模塊會按照程序自動進(jìn)行配對，建立點(diǎn)對點(diǎn)的連接。主機(jī)中的芯片將單片機(jī)提取的語音指令發(fā)送出去，從機(jī)中的芯片接收該指令，并傳遞給從機(jī)中的單片機(jī)，進(jìn)而由從機(jī)中的單片機(jī)對LED燈進(jìn)行控制。圖5是HC-05藍(lán)牙模塊的電路圖。

3? 軟件設(shè)計(jì)

3.1? 主機(jī)中軟件設(shè)計(jì)

基于1T8051單片機(jī)的語音識別智能家具控制系統(tǒng)主程序使用C語言進(jìn)行編寫，采用了模塊化的設(shè)計(jì)，這樣便于以后添加更多的操作方式和家電，整個程序體系非常簡潔。該系統(tǒng)整個程序運(yùn)行過程如下：開始首先初始化單片機(jī)、語音識別模塊、藍(lán)牙模塊，從而使整個系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，MIC和LD3320語音識別芯片處于待命狀態(tài)，LD3320語音識別芯片對MIC聽到的聲音進(jìn)行解析，判斷其是否是系統(tǒng)預(yù)設(shè)的一級語音指令，之后LD3320語音識別芯片將識別結(jié)果傳輸給1T8051單片機(jī)，1T8051單片機(jī)控制指示燈閃爍，LD3320語音識別芯片進(jìn)而判斷是否有二級指令，如果有，再將識別結(jié)果傳輸給1T8051單片機(jī)，1T8051單片機(jī)將信息傳輸給藍(lán)牙發(fā)送模塊，進(jìn)而發(fā)送到從機(jī)，從機(jī)控制LED燈的工作狀態(tài)。LD3320語音識別芯片和1T8051單片機(jī)配合使用的流程如圖6所示，軟件程序執(zhí)行的流程如圖7所示。

3.2? 從機(jī)中軟件設(shè)計(jì)

圖8是從機(jī)中軟件程序的流程圖。

由于基于1T8051單片機(jī)的語音識別智能家具控制系統(tǒng)從機(jī)只有單片機(jī)、藍(lán)牙模塊、電源模塊和要被控制的電器，因此程序變得非常簡單。1T8051單片機(jī)自帶PWM功能（脈沖寬度調(diào)制），可以產(chǎn)生控制LED燈亮度和閃爍模式的電壓波形，通過控制脈沖頻率和占空比就能控制LED燈的工作。在程序里面我們需要先對單片機(jī)的串口、定時器和PWM進(jìn)行初始化，然后接收從機(jī)的藍(lán)牙模塊傳輸?shù)闹噶顢?shù)據(jù)，進(jìn)入中斷然后讀取指令，這時候的LED燈模塊也處于初始化狀態(tài)，然后就可以用1T8051單片機(jī)控制LED燈的開關(guān)、亮暗和閃爍等。

3.3? 藍(lán)牙傳輸模塊的軟件設(shè)計(jì)

基于51單片機(jī)的語音識別智能家具控制系統(tǒng)采用HC- 05藍(lán)牙模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸，軟件程序主要是初始化、驗(yàn)證連接密碼、建立連接、進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由于該模塊的集成度比較高，因此我們程序設(shè)計(jì)的過程較快。圖9是藍(lán)牙傳輸模塊的軟件程序流程圖。

4? 系統(tǒng)測試

基于1T8051單片機(jī)的語音識別智能家具控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)并組裝好后，將程序下載到1T8051單片機(jī)中。然后分別在沒有噪音的環(huán)境和有一定噪音的環(huán)境中進(jìn)行測試。每個環(huán)境都有五個人，每人分別進(jìn)行40次“開燈”、“關(guān)燈”命令測試。測試結(jié)果為：整個系統(tǒng)對5種不同的聲音都可以識別并作出回應(yīng)，在無噪音的環(huán)境中識別率在93%以上;在有噪音的環(huán)境中識別率會有所下降，在82%以上。多次測試的結(jié)果表明：本系統(tǒng)性能穩(wěn)定，識別率高，可以在一般家庭中正常使用。

5? 結(jié)? 論

語音識別智能家居控制系統(tǒng)體現(xiàn)了家居的智能性和便捷性，可以很好地把語音識別技術(shù)和無線傳輸技術(shù)運(yùn)用到家電當(dāng)中，利用語音來控制燈的開關(guān)、亮暗等。但其也存在一些小問題：在離MIC特別近的位置（大約30cm內(nèi)）大聲喊會出現(xiàn)識別率大幅下降的情況;無法識別方言，只能識別普通話。

未來，這個系統(tǒng)同樣可以運(yùn)用到其他家電當(dāng)中，比如電熱水壺的開關(guān)、保溫，電風(fēng)扇的開關(guān)、風(fēng)力、模式、空調(diào)的開關(guān)、甚至溫度的調(diào)節(jié)，電視的開關(guān)等等都可以利用此系統(tǒng)進(jìn)行控制，語音識別智能家居控制系統(tǒng)的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用，可以極大地方便用戶的生活，增加用戶生活樂趣。

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