基于LM3S811芯片的“應聲而來”智能家居垃圾桶*

劉　鵬,李　進

(1.重慶電子工程職業學院通信工程學院,重慶 401331;2.重慶電子工程職業學院建筑與材料學院,重慶 401331;3.重慶工商大學計算機科學與信息工程學院,重慶 400067)

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基于LM3S811芯片的“應聲而來”智能家居垃圾桶*

劉鵬1,3*,李進2

(1.重慶電子工程職業學院通信工程學院,重慶 401331;2.重慶電子工程職業學院建筑與材料學院,重慶 401331;3.重慶工商大學計算機科學與信息工程學院,重慶 400067)

摘要:以LM3S811為核心設計一種智能家居垃圾桶,實現語音控制垃圾桶的運動。以拾音器作為聲音傳感器,采用延時估計法實現聲源方位的實時檢測;采用超聲波傳感器實現了垃圾桶行進的避障功能;同時,采用語音識別技術實現對用戶的開啟和關閉垃圾桶蓋等各種語音指示的識別。關閉垃圾桶蓋后,自動回到原來位置。從而達到了垃圾桶“應聲而來”的智能化。

關鍵詞:LM3S811;智能家居;聲源定位;避障;垃圾桶

現代家居,人們越來越注重家中各種家具的智能化[1]。目前,市場上的家居垃圾桶都是放置在一定位置。扔垃圾時,需要走到垃圾桶放置處扔垃圾。這對于老人、孕婦或者有殘疾的病人來說,存在著不便、費時、費勁等問題。本文提出了具有“應聲而來”功能的垃圾桶的設計方案,即當用戶想要扔垃圾的時候,只要一聲令下,垃圾桶就會快速準確無誤地來到身邊。扔完垃圾,關閉垃圾桶蓋后垃圾桶自動回到原位。本文設計出了一套基于DSP控制的具有語音識別技術的聲控智能垃圾桶,實現了對其“應聲而來”的控制。

1　系統方案

本文以LM3S811作為核心控制器,以拾音器作為聲音傳感器,采用延時估計算法,實現對用戶位置的實時檢測[2]。采用超聲波傳感器實現自動躲避行進過程中的障礙,準確到達用戶方位。同時,采用語音識別技術實現對用戶的開啟和關閉垃圾桶蓋等各種語音指示的識別,從而使得家居中常用的垃圾桶具有聲控避障功能,能“應聲而來”,體現了智能化。

圖1是系統結構示意圖。

圖1　結構示意圖

本系統主要包含系統硬件和系統軟件兩大部分。

2　系統硬件設計方案

系統硬件包括垃圾桶車體機械結構和硬件控制電路。其中車體機械結構為1部三輪小車車體,能按照在不同地點處的用戶所發出的聲音指令,自動行駛到用戶所在地點。關閉垃圾桶蓋后,自動回到原位。

系統硬件設計方案如圖2所示。,包括電源模塊、DSP最小系統、聲源定位模塊、語音識別模塊、避障模塊、電機驅動模塊。首先通過語音識別模塊識別出用戶的呼叫命令,同時通過聲源定位模塊判斷用戶的所處位置,再通過DSP產生驅動電機的PWM信號,利用電機驅動模塊驅動垃圾桶自行向聲源方向行駛。在行進過程中,利用避障模塊自行避開所遇障礙。同時,該系統還支持用戶對垃圾桶開啟和關閉垃圾桶蓋等語音控制。

圖2　系統總體結構

2.1電源模塊

本系統電源模塊如圖3所示,主要有:LM3S811芯片的核心需要+3 V供電,I/O口需要+3.3 V供電;凌陽語音芯片SPCE061A的5 V供電;拾音器的5 V供電;直流電動機的5 V供電。

圖3　電源模塊

2.2聲源定位模塊

聲源定位模塊主要包括拾音器構成的麥克風陣列和信號處理單元,如圖4所示。

圖4　拾音器與DSP連接圖

本系統中麥克風陣列選用2個拾音器來實現,其中拾音器具有低成本、噪聲小、保真度高、工作電壓范圍寬、耗電小、傳輸距離遠等優點。其監聽范圍為30 m2～50 m2。由于拾音器所拾取的聲音信號太小,易受環境噪聲的影響,因此很有必要對聲音信號進行預處理,通過信號調理單元的處理,使之能夠滿足系統的要求。本系統采取兩級放大電路,主要用來將拾音器所得到的微弱電信號進行放大。又由于AD模塊不能采集負電壓信號,因此需要對放大后的電信號進行偏置,使其不出現負電壓,便于DSP采樣,使之輸出的誤差更小。

2.3語音識別模塊

本系統以凌陽語音芯片SPCE061A的精簡開發板作為語音模塊來實現語音的識別,與專用的語音處理芯片相比,省去了必要的硬件設計,具有結構簡單、成本低、易實現的特點。該芯片擁有8路10 bit精度的ADC,其中一路為專用聲音轉換通道,并且內置麥克風放大器和自動增益控制電路,這為實現語音識別提供了方便的硬件條件。SPCE061A還具有通用異步串行接口模塊,可以用來與LM3S811之間的串行通訊。借助于IOB端口的復用功能和UART IRQ中斷,可以同時完成UART接口的接收與發送過程。SPCE061A與LM3S811通過串口進行通信,如圖5所示。

圖5　語音芯片SPCE061A與DSP的連接圖

2.4電機驅動模塊

電機驅動模塊根據DSP控制器的控制信號驅動電機的運行:前進、轉彎、后退等。電機的驅動電路采用H橋驅動電路,如圖6所示。

圖6　H橋驅動電路

Q1、Q2、Q3、Q44個三極管組成4個橋臂,Q1和Q4組成一組,Q2和Q3組成一組,Q5控制Q2、Q3的導通與關斷,Q6控制Q1和Q4的導通與關斷,而Q5、Q6由LM3S811的IO口來控制,這樣就可以通過IO輸出的高低電平控制4個橋臂的導通與關斷控制電機的運行狀態,使之正轉反轉或者停轉,進而控制垃圾桶的行駛。為了避免用分立元件帶來的電路板過于復雜,在設計中使用了H橋驅動元件L298N芯片。

2.5避障模塊

障礙檢測模塊作為對外部障礙信息的采集窗口,將行進過程中障礙信息檢測出來,并傳遞給DSP控制器進行處理。系統中采用的傳感器是UCM40T/R。如果傳感器接收到反射的超聲波,則通知DSP控制器有障礙物,反之則可以行駛。超聲波蔽障模塊與DSP的連接圖如圖7所示。

圖7　超聲波蔽障模塊與DSP的連接圖

3　系統軟件設計方案

本系統的系統軟件主要包括:數據采集模塊、SCI通訊模塊、特定聲源定位算法模塊和避障軟件模塊。本系統的總體軟件流程圖如圖8所示。

圖8　軟件總體框圖

3.1聲源定位算法

針對聲源定位,本系統采用基于傳聲器陣列時延估計法來估測用戶發聲的方向[3]?；跁r延估計的聲源定位算法分為時延估計和方位估計2個部分。

3.1.1時延估計算法[4]

時延估計采用廣義互相關法,計算聲源到2個傳聲器之間的時間差。假設兩傳聲器L1和L2間距為d,在沒有混響的情況下,兩傳聲器接受到的信號x1和x2為

x1(t)=a1s(t)+n1(t)

(1)

x2(t)=a2s(t-τ)+n2(t)

(2)

其中s(t)為聲源信號,α1和α2是聲波從聲源到傳感器的傳播衰減系數。τ是聲源傳播到2個傳感器所需延遲時間。n1(t)和n2(t)為環境噪聲。這時,到達時延可以采用傳統的互相關法進行估計,互相關方程為

(3)

根據上式選取不同的權函數ψ12(ω)就可得到到達時延的不同算法,它的選取可根據實際的聲學環境選擇相應的準則,可以得到最好的估計效果。這種方法通過對信號互功率譜的歸一化,去除了信號的幅度信息,只保留了信號的相位特性,對于噪聲和混響都有一定的抑制效果。

3.1.2方位估計

方位估計采用幾何定位法,利用角度距離估計方位。利用2個拾音器擺成如圖9所示,利用拾音器1和拾音器2接收到得時間差就可以檢測出聲源偏離主軸的角度θ。

圖9　幾何定位法

由圖9可得

(4)

AC=(tA-tB)V聲音

(5)

由于AB距離和V聲音已知,時延(tA-tB)可由式(1)～式(3)算出,再由式(4)、式(5)可求得聲源偏移正方向的角度θ,則可控制電機轉動使垃圾桶向用戶方位旋轉并前進。

3.2語音識別算法

針對語音的識別,本系統采用LD3320對所采集的語音進行處理[5],其處理過程如圖10所示。首先要濾掉輸入語音信號的噪音,然后線性預測系數等方法進行頻譜分析,找出語音的特征參數作為未知模式,與預先存儲的標準模式進行比較,當輸入的未知模式與標準模式的特征一致時,計算機便識別輸入的語音信號并輸出結果[6]。

由于語音含有不確定因素,因此輸入的語音與標準模式的特征完全一致的情況幾乎不存在。因此,預先制定好計算輸入語音的特征模式與標準模式類似程度的算法規則,把即最類似的模式作為識別相應語音的方法。

圖10　語音識別過程

3.3避障算法

避障采用聲波反射原理,在測量過程中聲波信號由傳感器發出,在發射時刻的同時開始計時,超聲波在空氣中傳播,途中碰到障礙物就立即反射回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計時[7-8]。因此采用時間差測距法,根據計時器記錄的時間就可以計算出發射點距障礙物的距離S。即:S=vΔt/2。式中v為超聲波在空氣中的傳播速度,該值與溫度有關,經計算其在常溫下近似為340 m/s,Δt為發射、接收信號的時間差。

系統中在小汽車車前、后、左、右分別放置超聲波傳感器,可分別測量出垃圾桶與障礙物之間的距離,根據距離的遠近決定垃圾桶的轉向。

4　實驗結果

圖11是智能家居垃圾桶實物圖。測試條件為:(1)空間要求:10 m×10 m空間。(2)室溫:(20±1)℃,定溫不少于12 h。(3)室溫梯度:不大于0.5 ℃/h和0.5 ℃/m。(4)相對濕度:(60±5)%。

圖11　智能家居垃圾桶實物圖

在設計過程中進行了大量的測試。分別在垃圾桶的左側和右側多個角度進行呼喚垃圾桶,垃圾桶接收到用戶的呼喚后能蛇形行駛到用戶身旁,并且能自動打開垃圾桶蓋,扔完垃圾后,關閉垃圾桶蓋,自動回到原位。

用戶相對垃圾桶所站的8個測試位置如圖12所示,其中用戶距離垃圾桶的直線距離均大于5 m。測試結果如表1和表2所示。

圖12　實驗測試平面關系圖

表1聲音定位測試結果

用戶用戶與垃圾桶的角度(順時針)/(°)到達用戶身邊的偏差距離/cm1號0182號45173號90204號135225號180196號225247號270168號31519

表2　聲音識別測試結果

5　結論

從上面的實驗結果可以看到,垃圾桶“聽”到主人的呼喊后能自動到達主人身邊,并且能識別主人的聲音進行打開垃圾桶蓋和關閉垃圾桶蓋的動作,證明該系統基本上能滿足要求,結果令人滿意。本系統的創新點有:

(1)本系統充分利用了LM3S811的AD采樣、中斷、GPIO、SCI、定時器等功能,借助LM3S811的高速采樣和快速計算能力采集到時間差信號,從而實現了系統的集成化。

(2)本系統利用對聲音進行聲源定位的方法,實現了垃圾桶對用戶特定呼喚聲的判斷并定位,從而達到對用戶呼喚循聲前進的目的。

(3)所設計的垃圾桶能對用戶聲音指令進行識別,可達到垃圾桶應聲而來的目的,從而使其具有人性化。

(4)所設計的垃圾桶在行進過程中不僅緊隨用戶的呼喚,而且在遇到障礙時,通過避障模塊能夠自行繞過障礙繼續緊隨用戶行進,從而實現了智能化。

可以預計,隨著算法的進一步優化,將會促進智能家居和機器人的發展。

參考文獻:

[1]高同輝,郭蕊.基于ARM的家用智能垃圾桶設計[J].電子科技,2013,25(11):55-58.

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[4]朱琦,陣列信號處理中的時延估計[J].電子器件,1997,20(1):364-368.

[5]劉耀文,寧媛.基于LD3320芯片的聲電密碼門設計[J].現代機械,2013(4):55-58.

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[7]秦政,邊信黔,嚴浙平.多波束前視聲吶在潛器避障中的應用研究[J].電子器件,2007,30(5):1909-1913.

[8]陳華華,郭曄,杜歆.基于改進型遺傳算法的動態避障路徑規劃方法[J].傳感技術學報,2006,19(2):520-524.

劉鵬(1977-),男,漢族,山東威海人,重慶電子工程職業學院,副教授,博士,從事計算機通信技術方面研究,pengliu789@126.com;

李進(1975-),女,漢族,重慶人,重慶電子工程職業學院,助教,碩士研究生,從事計算機通信技術方面研究。

“OnCall”IntelligentHouseholdTrashCanBasedonLM3S811*

LIUPeng1,3*,LIJin2

(1.Department of Communication Engineering,Chongqing College of Electronic Engineering,Chongqing 401331,China;2.Department of Building Material Engineering,Chongqing College of Electronic Engineering,Chongqing 401331,China;3.College of Computer Science and Information Engineering,Chongqing Technology and Business University,Chongqing 400067,China)

Abstract:We designed an intelligence household appliance—an “on call” trash can,realizing the voice-controlling movement,with the design core of digital signal processor LM3S811.The system detects audio signal by using a pickup as a sound sensor,perceiving the direction of sound souce through the extension of estimation.Moreover,the ultrasonic sensor can shun obstacles during the movement of the trash can.By this way,the garbage can is more human and intelligent,reaching the goal of“on-call”intelligence trash can.

Key words:LM3S811;smart home;sound source localization;shun obstacle;trash

doi:EEACC:721010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.033

中圖分類號:TP23

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)04-0737-05

收稿日期:2014-01-19修改日期:2014-02-18

項目來源:重慶市教委科學技術研究項目(KJ132206);重慶市高等教育教學改革重點研究項目(132122)