基于語音識別的電梯輔助控制系統設計*

林麒麟 包廣清 宋旭輝 張寶強 陶 佳

(蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院 蘭州 730050)

基于語音識別的電梯輔助控制系統設計*

林麒麟 包廣清 宋旭輝 張寶強 陶 佳

(蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院 蘭州 730050)

針對盲人或者行動不便的特殊人群能夠更加方便地使用電梯,同時也為了電梯的使用變得更加人性化、智能化,論文提出一種基于語音識別技術的電梯輔助控制系統的設計方法。設計部分主要包括:語音識別模塊、MCU主控電路、繼電器控制模塊、語音播報模塊。語音模塊電路采用了語音芯片LD3320,該芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路,并且不需要外接任何的輔助芯片,直接集成在現有的產品中即可以實現語音識別、人機對話功能。MCU主控電路采用STC11系列單片機,具有低功耗,超低價,高速,強抗干擾等特點,與語音芯片LD3320通信,接收語音命令,并輸出相應控制命令。繼電器模塊,采用SONGLE繼電器,能夠承受28V～250V電壓,能夠實現通斷控制。

語音識別; 電梯; 輔助控制系統; 人性化

Class Number TP273

1 引言

隨著人工智能、科技水平的不斷提高發展,同時為了更好地滿足人類生活安全、智能、便捷的需求,各類智能產品及其技術在人們生活、工廠作業中得到充分運用。其中語音識別技術[1～3]是人工智能的重要體現,能夠實現人機交流、人機對話,能夠有效地進行信息傳遞,讓機器聽懂人類的語言。一般的一個語音識別系統通常包括以下幾個步驟:首先進行語音信號的采集和預處理,然后進行語音特征的提取,再建立語音訓練模型,最后進行語音模式的匹配與識別。隨著語音識別準確度的不斷提高,語音識別技術在醫療陪護、智能玩具、智能手機、智能家居[4]中均有應用。本文選用了LD3320作為語音識別系統的核心芯片,提出了一種基于語音識別的電梯輔助控制系統設計方案。該方案目的在于讓公共場所的電梯變得更加人性化、智能化,方便盲人或行動不便的特殊人群使用。目前電梯多為人工按鈕控制,對特殊人群缺乏理性考慮與關懷,本文通過語音識別技術,用語音作為輔助開關實現對電梯輔助控制。該控制系統主要包括以下幾個部分:語音識別模塊、MCU主控電路、繼電器控制模塊、語音播報模塊。語音模塊集成了語音識別處理器和一些外部電路包括AD、DA 轉換器、麥克風接口、聲音輸出接口,并且不需要外接任何的輔助芯片如Flash、RAM 等,直接集成在現有的產品中即可以實現語音識別、人機對話功能[5～6]。MCU主控電路采用STC11系列單片機,具有低功耗、超低價、高速、強抗干擾等特點,它與語音芯片LD3320通信,接收語音命令,并輸出相應控制命令。繼電器模塊,采用SONGLE繼電器,能夠承受10A 250VAC、10A 125VAC、10A 30VDC、10A 28VDC四種類型電壓,能夠實現通斷控制。以上元器件價格均較便宜,能夠以低成本實現較好的控制性能。

2 硬件設計

該系統該控制系統主要包括:語音識別模塊、MCU主控電路、繼電器控制模塊、語音播報模塊。首先通過語音識別模塊識別語音信息,并將該信息傳遞給MCU主控電路,MCU主控電路分析處理該信息后,分別向繼電器控制模塊發出控制命令,當接收到控制命令后,語音播報模塊播出相應的信息,同時當用戶到達所需樓層時,播出提示信息。具體系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

2.1 語音模塊

語音識別模塊采用LD3320語音芯片,該芯片基于非特定人(Speaker-Independent Automatic Speech Recognition,SI-ASR)技術的語音識別聲控芯片。ASR技術是基于關鍵詞語列表識別的技術[7～8]。每次識別的過程,就是把用戶說出的語音內容,通過頻譜轉換為語音特征,和這個關鍵詞語列表中的條目進行一一匹配,最優匹配的一條作為識別結果[9]。只需要設定好要識別的關鍵詞語列表,并把這些關鍵詞語以字符的形式傳送到LD3320內部,就可以對用戶說出的關鍵詞語進行識別。ASR技術最重要的現實意義就在于提供了一種脫離按鍵,鍵盤,鼠標的基于語音的用戶界面(Voice User Interface,VUI)。該芯片主要特色功能在于:非特定人語音識別技術,不需要用戶進行錄音訓練；可動態編輯的識別關鍵詞語列表送進芯片；不需要任何外接的輔助 Flash 和 RAM,真正降低系統成本；內置高精度A/D和 D/A通道；高準確度和實用的語音識別效果。語音模塊采用電路圖設計如圖2所示。

圖2 語音模塊電路

2.2 主控模塊

圖3 主控模塊電路

本設計選用宏晶系列STC11L08XE單片機作為主控電路芯片,該芯片具有高速、低功耗、超強抗干擾的特點,指令代碼完全兼容8051,但速度比其快8～12倍,內部集成高可靠復位電路,可應用于高速通信,智能控制,強干擾場合[10]。其復位電路、時鐘電路以及外圍引腳電路如圖3所示。

2.3 繼電器模塊

本文采用SONGLE繼電器進行通斷控制,進而實現對電梯的控制。本方案初步設計了10路繼電器模塊,分別控制1～10樓的電梯按鈕的通斷。具體控制流程為:首先識別語音關鍵詞(如:上2樓,上3樓,…,上10樓),語音模塊識別后與MCU通信,MCU經過分析處理后,發出相應的控制命令,通過控制繼電器通與斷,代替電梯按鈕的開與關。其中一路繼電器設計電路如圖4所示。

圖4 繼電器模塊電路

2.4 語音播報模塊

語音播報模塊是為了使該電梯輔助控制系統更加人性化,同時也是對特殊人群的照顧。當到達所到達樓層時,會播報出所到達樓層的相應信息。例如:當到達5樓時,揚聲器會播出“5樓已到達,請慢走！”。該語音信息可以通過VoiceReader語音合成軟件制作而成,然后存儲至TF卡,并將該TF卡外接LD3320芯片。當到達所需樓層時,就播出該語音信息。LD3320內置550mW單聲道揚聲器放大器輸出,通常直接將其SPOP和SPON引腳直接外接揚聲器即可,如圖5所示。

圖5 語音播報模塊電路

3 軟件實現

基于語音識別的電梯輔助控制系統,是一個可以較好地實現人機交互便捷性的系統,不僅有比較穩定的識別效果,同時還體現了離線識別的優勢,很好地規避了其缺點,主要的工作流程如圖6所示。

具體的語音識別步驟為

Step1:首先進行語音識別初始化,并對相關寄存器進行設置,程序片段如圖7所示。

Step2:進行關鍵詞設置,寫入識別條目。每個識別條目對應一個特定的編號,不同的識別條目可以有相同的編號,編號順序無需連續,部分關鍵詞如表1所示。

表1 部分關鍵詞列表

Step3:通過咪頭進行語音信息的采集。

Step4:將采集到的語音信息與已經設置好的關鍵詞進行匹配,查找是否有相應的語音信息。

Step5:若識別成功,則進行繼電器控制操作,等待到達相應的樓層,到達后播出相應的提示信息；若識別失敗,則結束,并發出相應的語音提醒。

圖6 語言識別流程圖

Step6:當每次語音識別結束后,即到達相應的樓層后,相應樓層繼電器控制開關恢復初始狀態,語音模塊等待下一個語音信息。

圖7 初始化程序片段

4 參數設置

在該語音識別輔助控制系統設計過程中,主要涉及以下幾個參數的設置:

1) 波特率。波特率是針對串口通信功能的一個通信速度參數調整,參數值如下:1bps～4800bps；2bps～9600bps；3bps～19200bps；4bps～57600bps；5bps～115200bps。不同序號對應不同的波特率,通常選9600bps。

2) 音量。音量調整為喇叭的音量大小調整參數,具體參數如下:

參數范圍:0～15 ；0:最小音量；15:最大音量。音量大小根據實際情況設定,在該控制系統中設置為10。

3) 麥克風靈敏度。麥克風靈敏度即不同識別距離,識別距離越遠,表明其靈敏度越高。具體參數如下:

參數范圍:1～99；1:最低靈敏度；99:最高靈敏度。靈敏度越高,識別距離越遠,但誤識別率容易越高,故靈敏度并不是越高越好。具體參數表2所示。本控制系統根據實際情況選擇靈敏度為75。

表2 靈敏度參數

5 抗噪處理和測試分析

該系統噪聲可以主要分為系統內部噪聲和麥克風輸入噪聲兩部分。針對系統內部噪聲,可以通過合理規劃各硬件模塊位置,使其盡量遠離,避免交叉干擾。同時將聲音采集模塊用海綿包裹,避免與其他部分直接接觸。此外,由于該模塊是非特定語音識別模塊,對任何人的聲音都可進行判斷,為了避免誤識別,可以設置口令模式,即只有先說出口令才能進一步識別。其次,為了更好地識別效果,要求客戶盡量講普通話,注意發音技巧。最后,要使電梯環境盡可能安靜。語音識別是對聲音比較敏感的設備,有噪音和人員對話時會影響識別距離和識別精度。

在電梯環境中進行語音識別測試,分別采集男、女各10人的語音信息,每人每層采集10次,然后進行語音識別準確率分析,表3給出了上樓時語音測試結果,下樓時測試方法類似,此處不再贅述。

表3 語音識別準確率分析

由表3可以看出,該設計系統提供的設計方案準確識別率達到87%,具有較好的語音識別效果。其次從表1還可以看出,由于男生的濁音比女生重,女生的語音識別準確率略高于男生。

6 結語

本文從智能化、人性化的角度出發,結合日常生活中盲人或行動不便的特殊人群使用電梯不便的現象,提出了一種基于語音識別的電梯輔助控制系統設計方案。該方案生產成本較低,而且通過測試表明該系統識別效果較好,具有一定的實用價值。

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Design of Elevator Assistant Control System Based on Speech Recognition

LIN Qilin BAO Guangqing SONG Xuhui ZHANG Baoqiang TAO Jia

(College of Electrical Engineering and Information Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050)

In order to humanize the elevator and make it more intelligent, then let the special people such as the blind and the disabled use the elevator more conveniently, this paper designs an assistant control system based on speech recognition. The design part mainly includes speech recognition module, MCU main control circuit, relay control module, voice broadcast module. Speech recognition module uses the voice chip LD3320, the chip integrated speech recognition processor and some external circuits, and it does not require external auxiliary chip, which directly integrated in existing products can be used to realize speech recognition and man-machine conversation function. MCU main control circuit uses STC11 series microcontroller, which has performance of low power consumption, low cost, high speed, strong anti-interference. MCU receives voice commands and outputs the control commands by communicating with LD3320. Relay module uses SONGLE relay, which can achieve on-off control and be able to bear the range of voltage from 28V to 250V.

speech recognition, elevator, assistant control system, humanization

2016年9月9日,

2016年10月28日

甘肅省大學生創新創業訓練計劃項目基金(編號:DC2015054)資助。

林麒麟,男,碩士研究生,研究方向:模式識別與智能控制。包廣清,女,博士,教授,研究方向:電氣自動化領域。宋旭輝,男,碩士研究生,研究方向:控制科學與工程。張寶強,男,研究方向:自動化。陶佳,女,研究方向:自動化。

TP273

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.029