基于語音識別的智能臺燈系統

王豐杰，賀麗麗，武 忠

(運城學院 物理與電子工程系，山西 運城 044000)

引言

隨著社會的進步，人們開始追求更高的生活質量。夜晚或較暗的工作室里，光源都是人們生活的必需品。光源主要依賴電能，由于人們離開后忘記關燈而導致電力資源浪費不計其數[1]。另外，黑暗環境手動觸摸開關也潛藏危險。智能語音燈的設計具有重要的現實意義。本文根據所處環境不同和所需光源的不同，設計了包含不同亮度的光源，如白光、柔光、彩光等，且可以實現人走燈滅的功能，達到人性化、智能化控制的目的[2]。

1. 系統總體構架

本文所設計的智能臺燈系統具有語音控制和人體感應的功能。為了滿足不同人群的需求，設置了四個系統，每個系統獨立設置開關以方便測試。系統一為最主要的模式，通過紅外感應的結果決定是否開啟語音識別。當感應不到人的時候，會關閉語音識別，從而避免了由語音誤判導致的一定程度上的電力資源的浪費。系統二完全使用語音控制，語音模塊始終開啟，一旦開啟總開關，系統始終接收語音控制指令。系統三僅僅使用人體感應模塊控制，感應周圍是否有人，如果有人亮燈，沒人關燈。系統四通過硬件控制燈的亮滅，簡單方便，用來檢測燈光系統是否有故障[3]。

語音模塊包含了語音識別芯片LD3320和語音主控芯片STC11，人體紅外感應模塊使用了HC-SR501模塊。這樣設置的目的是為了降低功耗，將主控芯片加到語音模塊里，使用人體感應模塊控制其工作狀態[2]。考慮到人體感應模塊的輸出電壓不足以驅動語音模塊，添加繼電器模塊控制語音模塊。在燈光方面，設置了不同模式以適應不同的需求。當然，由于每個模塊所需電壓不同，需要一個電源模塊給各個模塊提供相應的電壓[4]。

2. 系統硬件設計

本文設計的語音控制智能臺燈系統由語音識別模塊、人體感應模塊、電源模塊、繼電器模塊和總燈系統組成。總體硬件設計框圖如圖1所示。

圖1 設計框圖

2.1 語音識別模塊

語音識別模塊由語音識別芯片LD3320以及總控單片機STC11組成，LD332X芯片是ICRoute公司設計生產的“語音識別”專用芯片。該芯片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、聲音輸出接口等。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實現語音識別/聲控/人機對話功能[5]。本設計使用的模塊集主控與語音識別于一體，語音采集與單片機控制都同時實現，使用更方便，而且用戶可以自由定義詞段，性價比高[6]。圖2是語音識別模塊的原理圖。

圖2 語音識別模塊原理圖

2.2 人體感應模塊

人體感應模塊采用了HC-SR501，該模塊基于紅外線技術進行自動控制,采用LH1778探頭設計,具有如下特點：靈敏度高、可靠性強和超低工作電壓。工作電壓DC5～20 V；靜態功耗65 μA；電平輸出高3.3 V，低0 V；延時時間可調(0.3～18 s)；封鎖時間0.2 s；觸發方式：L不可重復，H可重復，默認值為H；感應范圍小于120°錐角，7 m以內；工作溫度-15～70 ℃；PCB外形尺寸32 mmx24 mm，螺絲孔距28 mm，螺絲孔徑2 mm，感應透鏡尺寸直徑23 mm(默認)[2]。圖3為HC-SR501的原理圖。

圖3 HC-SR501原理圖

2.3 繼電器模塊

繼電器模塊起到開關的作用，由前文可知，需要使用人體感應模塊來控制語音識別模塊的通斷[7]，但是語音識別模塊的供電電壓為5 V，人體感應模塊的輸出電壓只有3.3 V，并不足以驅動語音識別模塊。采用升壓電路抬高人體感應模塊的輸出電壓或者用繼電器進行間接的控制?？紤]到多模塊設計，對于語音識別模塊必須提供一個獨立的電源供電，如果使用升壓電路還要再加一個電源供電會使設計更復雜。所以在這里還是選擇繼電器模塊，其電路原理圖如圖4所示。

圖4 繼電器模塊原理圖

2.4 電源模塊

電源模塊為其余各模塊供電，其中語音識別模塊與人體感應模塊需要5 V的供電電壓，使用的LED燈珠需要3.3 V的供電電壓，繼電器模塊需要至少9 V的供電電壓。基于以上的需求，使用了一個11.7 V的可充電電源和兩個分別為5 V輸出、3.3 V輸出的穩壓模塊來實現多電壓供電。圖5是電源模塊的框圖。

圖5 電源模塊框圖

3. 系統軟件設計

本設計的目標是在有人的情況下，通過語音控制燈光模式，臺燈接收到不同的語音指令后做出對應的變化。為了減少語音識別模塊由于誤判開燈而造成的能量損耗，對指令設置了優先級，開燈與關燈是兩個優先級別最高的指令，下面稱為一級指令。對于光線的選擇是為二級指令，要等開燈指令發出之后再進行。無論目前在進行或者將要進行什么指令，如果接收到關燈的指令，系統則會立即關燈[8]。在此之前通過人體感應模塊判斷是否要開啟語音模塊，以達到降低功耗的目的。圖6是系統流程圖，由人體感應模塊提供是否有人的信息，當接收到有人的信號時打開語音識別模塊，及時接受語音信號，此時語音識別系統會一直對外部的信號進行處理，如果沒有接收到一級指令，語音識別模塊就不會進行下一步的二級指令的接收，一旦語音識別模塊識別到了一級指令，就會進一步判斷二級指令，接收到有效詞后執行相應的操作，控制燈光的變化。目前設計了四種不同的模式，當系統識別到一級指令后，會默認打開模式一，此時如果發出二級指令，系統就會做出相應的改變，在燈光已經打開的時候不需要再輸入一級指令就可以調節不同的模式。在系統接收到關燈的指令時，會立即將燈光關閉，此時再要打開燈光時就需要再次輸入一級指令，并且此時的模式會默認為上一次關燈時的模式[9]。

圖6 系統流程圖

如圖6所示，目前設置了四個模式。模式一就是正常的日光燈，用來一般照明；模式二是護眼模式，如果使用者將要進行一些用眼工作如看書、寫字等，這個模式可以很好地緩解用眼疲勞；模式三是彩燈模式，在這個模式下，會有多種顏色的彩燈閃爍照明，適用于娛樂休閑的環境當中，有助于營造氛圍；模式四采用了番茄工作法模式，這個模式由使用者自定義燈光類型與照明時長，應用也很廣泛，比如晚上睡不著怕黑，需要開燈，但是如果睡著之前忘記關燈則會造成不必要的浪費，就可以使用這個模式，設定關燈時間，到點自動關燈，同時還可以起到定時工作提醒的作用，緩解用眼疲勞[10]。

4. 結束語

本文采用HC-SR501芯片對人體進行感應，在有人的情況下啟動LD3320完成語音識別，在限定環境下給予系統指定的口令，通過STC11單片機控制不同照明模式的啟動與關閉，很大程度上的滿足人們對燈光的需求，并且在一定程度上讓人們更加方便快捷的調節需要的燈光。本設計功能多樣，控制便捷，而且在沒有人的情況下會強制關燈，節約能源，可充電電池的使用延長了使用壽命。實驗證明，本設計可以滿足語音對臺燈的控制，并且有多種模式來滿足人們對燈光照明的需求，但是對關鍵詞的語音識別還存在一定的誤判，有待改進。