巧借離線(xiàn)語(yǔ)音模塊做個(gè)Arduino“聲控門(mén)”

牟曉東

在很多的開(kāi)源硬件編程創(chuàng)客作品中都會(huì)用到“語(yǔ)音識(shí)別”控制功能，比如通過(guò)“小度小度”等喚醒詞來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音命令的喚醒與傳送，目前大部分的語(yǔ)音識(shí)別功能都離不開(kāi)網(wǎng)絡(luò)支持（像百度智能云）。其實(shí)，我們還可以通過(guò)離線(xiàn)語(yǔ)音模塊（比如好好搭搭的ASR-THREE）來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別，優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度非?？?，而且支持中英文甚至是方言語(yǔ)音命令的訓(xùn)練學(xué)習(xí)與應(yīng)用。如果想要設(shè)計(jì)制作一個(gè)Arduino“聲控門(mén)”，用戶(hù)通過(guò)發(fā)出“請(qǐng)開(kāi)門(mén)！”、“請(qǐng)關(guān)門(mén)！”的語(yǔ)音指令來(lái)控制舵機(jī)進(jìn)行開(kāi)關(guān)門(mén)的動(dòng)作，如何來(lái)實(shí)現(xiàn)呢？

1.實(shí)驗(yàn)裝置及連接

實(shí)驗(yàn)裝置包括Arduino UNO開(kāi)發(fā)板一塊，ASR-THREE離線(xiàn)語(yǔ)音模塊一個(gè)，SG90舵機(jī)一個(gè)，紅色、綠色LED燈各一支，小型面包板一個(gè)，各種顏色的杜邦線(xiàn)若干。

首先，通過(guò)紅色和黑色兩根杜邦線(xiàn)，將Arduino的5V和GND端分別連接至面包板的側(cè)邊（標(biāo)注有“+”紅色和“-”藍(lán)色長(zhǎng)線(xiàn)）;接著，將ASR-THREE離線(xiàn)語(yǔ)音模塊的V（電源正極）和G（接地端）連接至面包板的電源正極和負(fù)極，再將S（Signal）信號(hào)端連接至Arduino的3號(hào)引腳;然后，將SG90舵機(jī)的電源正極和接地端同樣也連接至面包板的電源正極和負(fù)極，再將信號(hào)端連接至Arduino的10號(hào)引腳;最后，將紅色和綠色LED燈的負(fù)極（“短腿”）均插入面包板的負(fù)極，正極（“長(zhǎng)腿”）則分別通過(guò)杜邦線(xiàn)連接至Arduino的13號(hào)和12號(hào)引腳（如圖1）。

2.訓(xùn)練ASR-THREE離線(xiàn)語(yǔ)音模塊“學(xué)習(xí)命令詞”

默認(rèn)情況下，ASR-THREE離線(xiàn)語(yǔ)音模塊提供了50多條包括“學(xué)習(xí)命令”、“喚醒詞”和“命令詞”在內(nèi)的語(yǔ)音指令，每條語(yǔ)音指令均對(duì)應(yīng)一個(gè)十進(jìn)制的ID號(hào)，比如命令詞“打開(kāi)燈光”的ID號(hào)是70、“減小音量”的ID號(hào)是104等等。由于在設(shè)計(jì)制作的Arduino“聲控門(mén)”項(xiàng)目中需要的語(yǔ)音命令詞是“請(qǐng)開(kāi)門(mén)！”和“請(qǐng)關(guān)門(mén)！”，因此需要進(jìn)行自定義訓(xùn)練ASR-THREE離線(xiàn)語(yǔ)音模塊進(jìn)行“學(xué)習(xí)”，方法如下：

將Arduino的數(shù)據(jù)線(xiàn)連接至電腦的USB接口，很快就有“歡迎使用語(yǔ)音識(shí)別助手！”的語(yǔ)音提示;接著，對(duì)著離線(xiàn)語(yǔ)音模塊的麥克風(fēng)說(shuō)出任意一條喚醒詞——比如“智能管家”，離線(xiàn)語(yǔ)音模塊回答“我在呢！”;再說(shuō)：“學(xué)習(xí)命令詞”，回答：“學(xué)習(xí)狀態(tài)中，保持安靜，請(qǐng)按提示學(xué)習(xí)命令詞，請(qǐng)說(shuō)出第一條要學(xué)習(xí)的指令”，再說(shuō)：“請(qǐng)開(kāi)門(mén)！”，回答：“學(xué)習(xí)成功，請(qǐng)?jiān)僬f(shuō)一次”;按照提示，最終完成該語(yǔ)音指令命令詞的訓(xùn)練學(xué)習(xí)。同樣的操作，再訓(xùn)練完成對(duì)“請(qǐng)關(guān)門(mén)！”語(yǔ)音指令的學(xué)習(xí)，對(duì)應(yīng)的ID號(hào)分別是53和54（如圖2）。

3.方法一：在Arduino IDE中進(jìn)行代碼編程

（1）導(dǎo)入庫(kù)與setup（）函數(shù)初始化操作

為了進(jìn)行串口數(shù)據(jù)傳輸及控制舵機(jī)的操作，需要先通過(guò)“#include ”和“#include ”兩個(gè)語(yǔ)句導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的庫(kù);接著，通過(guò)SoftwareSerial類(lèi)的構(gòu)造函數(shù)來(lái)指定軟串口的RX和TX引腳分別是3和6：“SoftwareSerial mySerial（3，6）”;再分別將紅色、綠色LED的引腳號(hào)進(jìn)行定義：“int RedLED = 13”、“int GreenLED = 12”;然后，通過(guò)“Servo myservo”語(yǔ)句來(lái)創(chuàng)建舵機(jī)對(duì)象，并且建立變量pos來(lái)初始化舵機(jī)的角度值為0：“int pos = 0”。

在setup（）函數(shù)中，先設(shè)置串口通訊的波特率為115200：“mySerial.begin（115200）”;再將兩支LED燈的工作模式設(shè)置為輸出：“pinMode（RedLED，OUTPUT）”、“pinMode（GreenLED，OUTPUT）”;最后，聲明舵機(jī)的數(shù)據(jù)線(xiàn)連接在Arduino的10號(hào)引腳：“myservo.attach（10）”（如圖3）。

（2）編寫(xiě)open_door（）和close_door（）函數(shù)

先來(lái)編寫(xiě)open_door（）“開(kāi)門(mén)”函數(shù)：當(dāng)收到“請(qǐng)開(kāi)門(mén)！”語(yǔ)音指令時(shí)，首先控制紅色LED燈亮：“digitalWrite（RedLED，HIGH）”;然后，通過(guò)一個(gè)for（）循環(huán)結(jié)構(gòu)（“for（pos=0;pos<=90;pos+=1）”）來(lái)實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度由0°逐漸遞增為90°：“myservo.write（pos）”，并且在每次旋轉(zhuǎn)增加1°后進(jìn)行20毫秒的延時(shí)：“delay（20）”;最后，控制紅色LED燈熄滅、綠色LED燈發(fā)光：“digitalWrite（RedLED，LOW）”、“digitalWrite（GreenLED，HIGH）”。

接著，編寫(xiě)close_door（）“關(guān)門(mén)”函數(shù)，與open_door（）函數(shù)非常類(lèi)似，比如for（）循環(huán)控制舵機(jī)由90°旋轉(zhuǎn)恢復(fù)至0°（“for（pos=90;pos>=0;pos-=1）”）、控制紅色和綠色LED燈的亮或滅，等等（如圖4）。

（3）編寫(xiě)loop（）主函數(shù)及Arduino“聲控門(mén)”的測(cè)試

loop（）主函數(shù)非常簡(jiǎn)單，通過(guò)if（）語(yǔ)句來(lái)判斷串口是否有新數(shù)據(jù)產(chǎn)生：“if （mySerial.available（） > 0）”;如果有新數(shù)據(jù)產(chǎn)生，說(shuō)明收到了某條語(yǔ)音指令，通過(guò)switch多分支結(jié)構(gòu)（“switch （mySerial.read（））”）來(lái)對(duì)語(yǔ)音指令的對(duì)應(yīng)ID號(hào)進(jìn)行判斷——如果ID號(hào)是53，說(shuō)明收到的語(yǔ)音指令是“請(qǐng)開(kāi)門(mén)！”，則執(zhí)行open_door（）函數(shù);如果ID號(hào)是54，說(shuō)明收到的語(yǔ)音指令是“請(qǐng)關(guān)門(mén)！”，則執(zhí)行close_door（）函數(shù)。

將程序保存為Sound_Door.ino，上傳至Arduino進(jìn)行測(cè)試。先通過(guò)“智能管家”喚醒詞進(jìn)行喚醒，再發(fā)出“請(qǐng)開(kāi)門(mén)！”語(yǔ)音指令，紅色LED燈亮、舵機(jī)由0°旋轉(zhuǎn)至90°、紅色LED燈熄滅、綠色LED燈發(fā)光;接著再發(fā)出“請(qǐng)關(guān)門(mén)！”語(yǔ)音指令，綠色LED熄滅、紅色LED燈發(fā)光、舵機(jī)由90°旋轉(zhuǎn)至0°、紅色LED燈熄滅;反復(fù)測(cè)試，均能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音指令控制舵機(jī)正反轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)門(mén)的功能（如圖5）。

4.方法二：在Mind+中進(jìn)行圖形化編程

啟動(dòng)Mind+，首先點(diǎn)擊“擴(kuò)展”按鈕進(jìn)行主控板中“Arduino Uno”、執(zhí)行器中“舵機(jī)模塊”和用戶(hù)庫(kù)中“離線(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別模塊”的添加;點(diǎn)擊“返回”按鈕后開(kāi)始圖形化的編程：

同樣也是先編寫(xiě)“開(kāi)門(mén)”和“關(guān)門(mén)”兩個(gè)函數(shù)，包括紅色和綠色LED燈的開(kāi)關(guān)及舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制;然后再進(jìn)行主程序的編寫(xiě)，包括語(yǔ)音識(shí)別的初始化和串口波特率的設(shè)置，同樣也是在循環(huán)結(jié)構(gòu)中先進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別是否有數(shù)據(jù)可讀的判斷，然后通過(guò)變量Order_ID來(lái)存儲(chǔ)語(yǔ)音識(shí)別的讀取數(shù)據(jù)并判斷其數(shù)值——如果是53，則調(diào)用執(zhí)行“開(kāi)門(mén)”函數(shù);如果是54，則調(diào)用執(zhí)行“關(guān)門(mén)”函數(shù)（如圖6）。

將程序保存為Arduino“聲控門(mén)”.sb3，點(diǎn)擊“連接設(shè)備”后再進(jìn)行程序的上傳測(cè)試，效果與使用Arduino IDE進(jìn)行代碼編程的測(cè)試一致。