基于LD3320的智能家居一體化聲控系統的設計

徐瑩，孫春志，吳晨光

(商丘師范學院 物理與電氣信息學院，河南 商丘 476000)

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基于LD3320的智能家居一體化聲控系統的設計

徐瑩，孫春志，吳晨光

(商丘師范學院 物理與電氣信息學院，河南 商丘 476000)

摘要：智能家居一體化聲控設備系統主要采用51單片機和射頻卡技術，使用語言及可編程定時控制等多種功能和手段，將音頻設備、照明系統、窗簾控制與語音聲控模塊完美的結合在一起，來實現刷卡開門、刷卡供電、照明控制、窗簾控制等等一些基本的家庭生活操作.當住戶使用匹配正確的磁卡刷卡入門時，房門打開并且自動供電，住戶使用正確的語音指令，即可聲控操作使照明系統、窗簾控制和音樂播放系統，使用本智能家居一體化聲控設備可以使家庭生活更加安全、節能、智能、便利和舒適.

關鍵詞：51單片機；射頻卡技術；語音聲控模塊；

0引言

科學技術的不斷發展和單片機知識的普及推動了新型智能化系列產品的迅速發展.智能家居以住宅為平臺，并結合計算機技術、綜合布線技術、自動控制技術等，將與家居生活有關的各個子系統有機的結合到一起，用各種方法和設備實現家居生活的智能化、自動化，從而構建出高效的住宅設施與家庭事務的管理系統，讓家居生活更加安全、舒適與便捷.

聲控是指通過人的聲音來實現設備的控制，當設備接收到人類的聲音后可以將語音里的詞語轉換成計算機能夠識別的輸入語句，從而接受指令并實現聲音控制設備的功能.

隨著社會的進步和經濟的增長，人們的物質文化追求目標越來越高，智能家居系列產品必定會融入人們的生活.目前人們廣泛使用的普通家居功能較為單一且安全系數不高，已經不能滿足人們的居住需求.而現如今已經研發出來的智能家居產品也由于高成本而未能得以廣泛應用.所以低成本高成效的智能家居產品的研發具有廣闊的空間.

針對以上特點提出了智能家居一體化聲控設備，該設備具有較高靈敏度，使用時技術要求低，適用于家家戶戶，具有很好的推廣性.

1整體方案的設計

本裝置在建立房屋模型的基礎上，采用電源模塊，將AC220V交流家庭用電轉換成為DC5V、DC12V電壓，并分別供給單片機最小系統、繼電器、和電子門鎖等.然后將DC5V電壓轉換成DC3.3V供給射頻卡模塊使用.51單片機連接射頻卡模塊RFIDRC522以及電子鎖，構成了門鎖系統，通過RFIDRC522模塊對不同IC射頻卡的識別來判斷刷卡人是否為家庭成員并作出相應的反應.當IC卡被識別為家庭卡后，家庭內電源電路和語音模塊電路的電源開關將會被打開.語音模塊由STC11L08XE單片機與LD3320聲音識別芯片構成，與繼電器、蜂鳴器及電機驅動板等構成語音控制電路，實現對門鎖、燈光及窗簾開關的控制.其原理框圖如圖1所示

圖1　整體方案設計原理

當刷卡時，蜂鳴器響一下，如卡權限獲得允許，顯示模塊顯示“welcome”，同時繼電器動作將門鎖打開，指示燈點亮，延時一段時間后繼電器再次動作將門鎖鎖閉，指示燈熄滅.當按下出門按鈕時，繼電器動作將門鎖打開，指示燈點亮，延時一段時間后繼電器再次動作將門鎖鎖閉，指示燈熄滅.此外，程序中還增加了射頻卡權限判斷的功能，當遇到合法卡時顯示卡號，門鎖打開，當遇到非法卡時不顯示卡號門鎖不開.本系統設計簡單、性能優良，具有一定的實用性.

2模塊電路的設計

2.1電源電路

作為智能化設備，本設備首先具有低功耗的特點，設備電子鎖采用DC12V供電，RFID射頻卡模塊部分采用DC3.3V供電，由于MCU電源電路需要高穩定、抗干擾的電源，所以采用模塊化電源供電，這使得電源電路非常穩定，這為智能化家居的穩定性打下了基礎.電源電路作為本設備的核心電路，DC5VMCU電源電路采用7805作為穩壓芯片.7805三端穩壓IC內部電路具有過壓保護、過流保護、過熱保護功能，這使它的性能很穩定.能夠實現1A以上的輸出電流.器件具有良好的溫度系數，因此產品的應用范圍很廣泛.可以運用本地調節來消除噪聲影響，解決了與單點調節相關的分散問題，輸出電壓誤差精度分為±3%和±5%.DC5V電源電路如圖2所示：

圖2　電源電路設計原理

2.2射頻卡模塊

本裝置的門禁系統采用STC89C52單片機作為控制核心，外圍包括蜂鳴器控制電路、開門指示燈電路、電控鎖控制電路以及LCD液晶顯示電路等.門禁系統主要由CPU、工作指示電路、振蕩電路、蜂鳴器電路、門控鎖電路、讀卡模塊、顯示模塊等組成.射頻卡模塊通常作為現代門禁系統的必要部分，本裝置的門禁系統正是使用了射頻卡來完成刷卡進門和按刷卡出門的功能.

射頻卡模塊也稱之為RFID模塊，是用來讀寫射頻卡RFID的一種中間件，由于射頻卡的頻率不同，所以射頻卡RFID模塊的頻率也不一樣，如125 K，13.56 M，2.4 G等.由于射頻卡的只讀和可寫等性能，射頻卡RFID模塊也有只讀模塊和射頻卡讀寫模塊之分.首先，MF-RC522射頻卡讀寫模塊(下面簡稱讀寫模塊)通過天線向射頻卡發送無線載波信號，這些信號經過射頻卡的天線耦合接收后，先進行波形轉換，然后對其整流濾波，由電壓調節模塊對電壓進行進一步的處理，包括穩壓等，最終輸出到射頻卡上的各級電路上.此時，非接觸卡接收到載波信號后就通過本卡片上的調制/解調電路對載波信號進行調制/解調，處理后的信號就送到卡片上的控制器以供控制及處理.非接觸卡處理好數據后，也通過它本身的天線向MF-RC522返回載波信號，MF-RC522也通過自身的調制/解調電路來對這些信號進行處理.這些返回的載波信號的頻率與MF-RC522發出的載波信號的頻率是一致的.通過這樣一個通訊回路，MF-RC522就可以對非接觸卡的內容進行讀寫操作.射頻卡模塊的設計原理圖如圖3所示：

圖3　射頻卡模塊的設計原理

2.3語音控制系統：語音識別模塊

語音識別模塊是本裝置的重要組成部分，它也叫語音識別IC，與傳統的語音芯片相比，語音識別芯片最大的特點就是能夠語音識別，它能讓機器聽懂人類的語音，并且可以根據命令執行各種動作直接接受指令并且將指令轉換為計算機能夠識別的輸入語句.

本裝置選取的LD3320是ICRoute公司的產品，其內部邏輯圖如圖4.它采用ASR技術，提供了一種脫離按鍵、鼠標、觸摸屏等GUI操作方式且基于語音的用戶界面VUI(Voice User Interface),從而使得對系統的操作簡單化、便捷化.此外，LD3320基于非特定人語音識別技術的語音識別及聲控芯片，她的識別對象可以為大多數用戶，且在51作為主要控制的系統中能輕松實現語音識別和聲控的功能，并且識別的關鍵詞語音列表是可以動態編輯的.它在3.3 V的單片機下進行工作，I/O口和串口連接均為3.3 V，并且在使用時添加電平轉換和限流電阻來保證I/O口不會被損壞.該芯片擁有較高的集成性，能夠在很大程度上減少電路板面積和元器件的數目，在降低系統成本的基礎上提高了電路的可靠性.

圖4　LD3320內部邏輯圖

本裝置接收外部語音命令的具體過程為：語音識別模塊接收到外部語音，并對所接收到的外部語音做出識別并轉換成對應的二進制代碼，經由并行口傳送至核心處理器，核心處理器接收二進制代碼后執行對應的功能.語音控制系統的框圖如圖5所示：

圖5　語音控制系統

此外，為了提高本裝置聲控時的靈敏度，我們采用了口令模式，給語音控制系統取名為“小杰”，當每次喊出“小杰”這個日常發音率不高的詞語后，我們才會開始與語音控制系統的對話，從而避免日常對話對本設備的干擾，保證聲控模式的正常運行.

2.4窗簾控制電路

考慮到控制窗簾的開啟和閉合所需力矩較大，直流電動機不易控制好所需轉動的圈數，且步進電機不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，我們采用ULN2003與MCU引腳相連來驅動28BYJ-48型步進電機的方案，讓ULN2003協助單片機輸出大電流，滿足電機電壓，從而驅動電機.窗簾控制電路如圖6所示：

圖6　ULN2003驅動步進電機電路

3系統軟件設計

系統的軟件流程分為系統初始化、數據采集、數據處理三個部分.系統整體軟件流程如圖7所示：

圖7　系統軟件流程圖

4結論

智能產品的研究對于創造舒適便捷的現代化快節奏的生活具有重要意義.本文詳細地介紹了智能一體化聲控設備的設計思路以及相關電路的設計原理，它是我們充分學習和運用相關的軟件及硬件知識的結果，并成功實現了IC刷卡開門供電、聲音控制燈光和窗簾的開關等功能.此外，本裝置具有成本低，構造簡單，操作簡單便捷的特點，并且滿足生產過程中實用性的要求，擁有很高的理論及實用價值.

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[責任編輯：徐明忠]

The design of intelligent home furnishing integrated voice equipment based on LD3320

XU Ying, SUN Chunzhi, WU Chenguang

(School of Physics and Electrical information Engineering, Shangqiu Normal University, Shangqiu 476000，China)

Abstract:Smart home integration of voice equipment Mainly takes the technology of 51 single-chip microcomputer and radio frequency card, it also uses the language, programmable timing control and other methods.Putting audio equipment, lighting system, curtain control and voice acoustic control module together perfectly to implement the basic operation of opening the door with the credit card, charging power supply, lighting, controlling curtain and so on in the life.The residents can enter their house when they use the right card, at the same time the automatic power supply.Besides, residents can use the correct voice commands to operate the system of curtain controlling, lighting and music playing.The use of the smart home integration acoustic equipment system can make family life more safer, energy efficient， intelligent, convenient and comfortable.

Key words:51 single-chip microcomputer; radio frequency card technology; voice acoustic control module

中圖分類號：TN918.1

文獻標識碼：A

文章編號：1672-3600(2016)06-0037-05

作者簡介:孫春志(1986-)，男，河南商丘人，商丘師范學院助教，碩士，主要從事電子與通信工程的研究.

基金項目：河南省科技廳項目(132300410262)

收稿日期：2015-11-04