聲光控制系統(tǒng)的設計與開發(fā)

袁 訊，葉子聰，鄒 恩，羅漪瀾

（中山大學新華學院 信息科學學院，廣東 廣州 510520）

0 引 言

不論是居家、辦公場所或室外場所，照明設備都必不可少。目前，室內照明主要的控制對象是燈具[1]。然而，傳統(tǒng)的燈具功能單一，無法滿足人們對于智能化開關的需求[2]。例如：開關控制和調節(jié)亮度需要手動完成，對老人、兒童和上肢行動不方便者顯得尤其困難[3]；傳統(tǒng)的燈具無法進行人體感應，忘記關閉也會造成電力能源的浪費。

隨著照明技術的發(fā)展，智能照明控制系統(tǒng)不斷發(fā)展。擁有智能照明控制系統(tǒng)，將使管理更加簡單，燈具耗能更少，有利于節(jié)省開支，且符合國家節(jié)能、綠色照明的應用理念[4]。因此，本文從節(jié)能與便捷控制兩個角度出發(fā)，基于語音控制技術和PWM調光技術，設計了一款智能聲光控制照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可通過對人體及光照強度的檢測控制照明模塊的開關，又可通過語音輸入控制照明模塊的開關，方便快捷。此外，該系統(tǒng)設有狀態(tài)記錄功能，可快速恢復到待機前的工作狀態(tài)。

1 系統(tǒng)總體方案設計

照明系統(tǒng)采用STM32F103C8T6芯片作為主控制器，利用LD3320語音模塊處理語音信號。照明模塊采用高亮度暖白光5050型LED，人體檢測利用HCSR501人體紅外傳感器模塊實現(xiàn)。此外，5528光敏電阻檢測外部光照強度，同時將DC-002的直流電源插座作為5 V電源接口進行供電。

2 硬件設計方法與技術

照明系統(tǒng)硬件結構如圖1所示。人體紅外傳感器與由光敏電阻構成的環(huán)境光感知模塊分別捕獲人體紅外信號與環(huán)境光強度信號，并傳遞給微處理器。語音控制模塊用來處理聲音信息，模塊上的駐極體拾音器用來接收用戶的聲音指令，并將聲音信息傳輸給語音芯片，語音識別后將識別結果傳遞給微處理器。

微處理器分析和處理接收的信息，輸出PWM信號到LED驅動器，通過調整PWM輸出的占空比來調節(jié)照明模塊輸出的光亮強度[5]。

2.1 LD3320語音識別模塊

LD3320語音芯片辨別準確度為95%[6]，因此照明系統(tǒng)采用由LD3320芯片構成的語音識別模塊進行語音識別。語音芯片識別原理如圖2所示。駐極體拾音器采集到聲音信號后，將語音信號傳送給LD3320，通過LD3320芯片的高精度模數轉換接口進行AD轉換，然后對語音流進行頻譜分析，根據分析結果提取語音特征信息后傳輸至語音識別器，與關鍵詞語（拼音串）列表進行特征匹配，從而找出匹配度最高的關鍵詞語作為識別結果。語音模塊采用串口通信方式將識別的信息發(fā)送給單片機的RX3引腳，處理器根據接收的識別碼進行照明模塊的開關控制、亮度調節(jié)等操作。

圖1 照明系統(tǒng)硬件結構圖

圖2 語音識別原理圖

2.2 LED驅動硬件電路

5050型LED具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、光效率高以及超長壽命等優(yōu)點。系統(tǒng)采用兩個暖白光5050型LED并聯(lián)在一起作為發(fā)光模塊，因此需給兩個LED提供大小相等的電流。由于單片機驅動能力弱，因此采用如圖3所示的驅動電路，輸出高電平即可點亮LED。這種連接方法驅動功率大，且具有較好的穩(wěn)定性。

圖3 LED驅動電路

2.3 人體紅外感應模塊電路

照明系統(tǒng)采用的HC-SR501模塊是基于紅外線技術的自動控制模塊，靈敏度高，可靠性強。人體紅外模塊電路圖如圖4所示。如果檢測到人體，紅外模塊輸出將一直保持高電平；如果人離開且延時一段時間后依舊檢測不到人體，模塊將輸出低電平。延時時間可在0.5～300 s的范圍內調節(jié)。

圖4 人體紅外模塊電路圖

2.4 光照強度感知模塊電路

光照強度感知模塊電路的核心是光敏電阻。本照明系統(tǒng)采用型號為5528的光敏電阻，其阻值的大小與外界環(huán)境光強成反比，較容易采集模擬量，原理電路如圖5所示。采集的模擬量通過單片機自帶的ADC轉換器進行數字轉換，控制方便。該模塊位于照明模塊背面，目的是防止受到自身LED亮度的影響。

圖5 亮度傳感器原理電路

3 軟件設計方法與技術

設計的聲光控制照明系統(tǒng)設有語音控制模式和自動模式兩種工作模式，總體流程如圖6所示。開機后，系統(tǒng)默認為語音控制模式。

圖6 主程序控制流程

在語音控制模式下，語音識別模塊處于間歇性工作狀態(tài)。若語音信號被成功識別并匹配到控制指令，微處理器將根據控制指令控制照明模塊的開關或進行亮度調節(jié)；若無語音信號輸入或未匹配到任何控制指令，則繼續(xù)等待。此外，當人體紅外傳感器在預設時間內未檢測到人體時，系統(tǒng)將記錄當前工作狀態(tài)并熄滅燈光，進入待機狀態(tài)。此后，系統(tǒng)接收到語音指令即可再次被喚醒，并恢復到滅燈前的工作狀態(tài)。

在自動模式下，人體紅外傳感器處于間歇性工作狀態(tài)。未檢測到人體就不開燈，處于待機狀態(tài)；檢測到人體，微處理器根據熱敏電阻采集到的亮度信號判斷是否需要開燈。若環(huán)境亮度大于設定值，繼續(xù)待機；若亮度小于設定值，則點亮照明模塊，并通過PWM自動調光技術調節(jié)照明模塊亮度。此外，在設定的時間內，紅外傳感器未檢測到人體時將進入待機狀態(tài)，并記錄滅燈前的工作狀態(tài)。

4 系統(tǒng)測試

經過電路焊接和軟硬件調試，對聲光控制照明系統(tǒng)上電，系統(tǒng)默認進入語音控制模式。在輸入5 V直流恒壓、PWM占空比為95%的條件下（環(huán)境條件：40 m2的普通房間，環(huán)境背景噪聲0～45 dB），多次對基本語音命令進行識別測試。結果表明，距離臺燈2 m之內時，照明模塊可根據語音指令正確進行開關控制和亮度調節(jié)，且語音識別正確率在90%以上。

按下模式選擇按鍵，將語音控制模式改為自動模式。在夜間測試過程中，人體處于紅外感應模塊感應范圍內，打開室內其他照明燈具，照明模塊不會點亮。逐漸遮擋光照強度感知模塊或關閉室內燈具，在PWM調光技術下，照明模塊的亮度逐漸增加，直到達到最亮值。人體逐漸遠離，超過照明系統(tǒng)的人體紅外感應范圍，照明模塊熄滅；再次靠近照明系統(tǒng)，照明模塊自動點亮。

5 結 論

本文結合單片機技術、傳感器技術和PWM調光技術，采用語言識別模塊設計了一款兼具環(huán)保節(jié)能、智能化和人性化特點的聲光控制照明系統(tǒng)。系統(tǒng)設置的語音控制模式和自動控制模式，能夠按照用戶需求調節(jié)照明模塊亮度，提高了使用者的使用體驗和工作效率，減少了電力能源的浪費。但是，設計的照明系統(tǒng)也存在一定的缺點。例如：由于采用5 V供電電壓，驅動功率較小，較適用于普通照明應用場景；在照明系統(tǒng)待機時，因有隨時喚醒照明模塊的需要，傳感器需持續(xù)工作，待機功耗較大。因此，下一步將進一步改進控制策略。