聲光控制系統的設計與開發

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。

隨著照明技術的發展，智能照明控制系統不斷發展。擁有智能照明控制系統，將使管理更加簡單，燈具耗能更少，有利于節省開支，且符合國家節能、綠色照明的應用理念[4]。因此，本文從節能與便捷控制兩個角度出發，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。該系統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，該系統設有狀態記錄功能，可快速恢復到待機前的工作狀態。

1 系統總體方案設計

照明系統采用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。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境光感知模塊分別捕獲人體紅外信號與環境光強度信號，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、亮度調節等操作。

圖1 照明系統硬件結構圖

圖2 語音識別原理圖

2.2 LED驅動硬件電路

5050型LED具有高效節能、綠色環保、光效率高以及超長壽命等優點。系統采用兩個暖白光5050型LED并聯在一起作為發光模塊，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。

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。本照明系統采用型號為5528的光敏電阻，其阻值的大小與外界環境光強成反比，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。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；若無語音信號輸入或未匹配到任何控制指令，則繼續等待。此外，當人體紅外傳感器在預設時間內未檢測到人體時，系統將記錄當前工作狀態并熄滅燈光，進入待機狀態。此后，系統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。

在自動模式下，人體紅外傳感器處于間歇性工作狀態。未檢測到人體就不開燈，處于待機狀態；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。若環境亮度大于設定值，繼續待機；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，并記錄滅燈前的工作狀態。

4 系統測試

經過電路焊接和軟硬件調試，對聲光控制照明系統上電，系統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（環境條件：40 m2的普通房間，環境背景噪聲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，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，超過照明系統的人體紅外感應范圍，照明模塊熄滅；再次靠近照明系統，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保節能、智能化和人性化特點的聲光控制照明系統。系統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；在照明系統待機時，因有隨時喚醒照明模塊的需要，傳感器需持續工作，待機功耗較大。因此，下一步將進一步改進控制策略。