基于智能語音的便攜式開關輔助控件的設計與制作

云南大學信息學院 李耀偉 林于森 王蔚延 梁 越 許馨方

本文提出了一種基于智能語音的便攜式開關輔助控件。該產品使用STM32F103C8T6單片機作為主控裝置，提供語音交互與按鍵交互兩種方式。語音交互應用 LD3320語音識別模塊對語音進行檢測識別，并根據(jù)語音控制電機的轉動，從而控制開關的開啟與關閉。按鍵交互應用ESP8266 WIFI模塊將硬件部分與APP連接。該產品實現(xiàn)了智能聲控壓力輸出，可將無形的聲轉變?yōu)橛行蔚氖郑瑯O大便利人們的生活。

1 產品設計方案

1.1 系統(tǒng)整體設計

智能語音便攜式開關輔助控件主要由STM32主控模塊、LD3320語音識別模塊、ESP8266WIFI模塊、壓力輸出模塊四大模塊組成。該系統(tǒng)工作時，用戶發(fā)送語音指令“開燈”“關燈”指令給語音模塊，語音模塊讀取處理信息后送至單片機，單片機進而控制電機轉動并帶動壓力輸出，實現(xiàn)開關的開啟與閉合。產品的系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 智能語音開關輔助控件系統(tǒng)組成框圖

1.2 STM32主控模塊

STM32采用基于ARM架構設計的Coetex-M內核，與傳統(tǒng)的51單片機相比，具有高性能、低電壓、低功耗、低風險、簡單易用等特點。設計本產品使用的STM32F103C8T6屬最小系統(tǒng)板，采用LQFP48封裝，主頻為72M，具有64K-FLASH、20K-RAM、8M晶振、RTC晶振等板載元件，體型小、空間資源占用極少，具有實現(xiàn)產品設計的所有功能。

1.3 LD3320語音識別模塊

LD3320是一枚基于非特定人語音識別(SI-ASR)技術的語音識別芯片。該芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路，包括ADC、DAC、麥克風接接口、聲音輸出接口等。該芯片不需要外接任何輔助芯片如FLASH、RAM等，直接集成在現(xiàn)有的產品中，即可實現(xiàn)語音識別/聲控/人機對話功能。

它使用的時候有兩種用戶使用模式，用戶可以通過編程，設置兩種不同的用戶使用模式：觸發(fā)識別模式與循環(huán)識別模式。在本產品中，由于輔助開關的應用場景是日常生活用品，需要不斷識別是否有特定的人聲指令發(fā)出，故主要運用的是循環(huán)識別模式。

1.4 ESP8266WIFI 模塊

ESP8266是一個完整且自成體系的Wi-Fi網絡解決方案，能夠搭載軟件應用，支持標準的 IEEE802.11 b/g/n協(xié)議，完整的TCP/IP協(xié)議棧。使用者可以使用該模塊為現(xiàn)有的設備添加聯(lián)網功能，也可以構建獨立的網絡控制器。

ESP8266具有集成度高、穩(wěn)定性強、精度高的優(yōu)點。其工作溫度為：-40℃至125℃，可以在溫度較高的情況下持續(xù)工作，具有很強的工作適應性。由于ESP8266有STA / AP / STA+AP三種工作模式，支持smartconfig功能，因此可以滿足不同的使用場景。較其他單片機而言穩(wěn)定性強，能耗低、能夠快速傳送數(shù)據(jù)、價格相對便宜、制作成本低，且芯片配置簡單，操作方便，能將串口所獲取的數(shù)據(jù)高效率地轉化為無線網絡數(shù)據(jù)信號。

本產品使用Android Studio開發(fā)APP并對ESP8266進行配置，從而實現(xiàn)對開關輔助控件的按鍵交互。

1.5 壓力輸出模塊

壓力輸出由ULN2003步進電機驅動板驅動步進電機，從而帶動“按壓棒”產生。該產品采用4相8線步進電機，額定電壓為5V，直徑為28mm。當其收到一個脈沖信號，它就驅動電機設定的方向轉動一個固定的角度。本產品使用5V的設定步進電機收到“關燈”指令后順時針轉動144°，收到“開燈”指令后逆時針轉動144°。“按壓棒”則由熱熔膠焊接至電機轉子一側，在不同指令的驅動下，向不同的方向按壓，從而實現(xiàn)開關的開啟與關閉。

1.6 產品制作與測試

以STM32作為主控模塊，將上述其余模塊外接至至相應引腳，完成配置與相應的編程操作，即可實現(xiàn)智能語音壓力控制功能。當系統(tǒng)通電后，默認處于“關燈”狀態(tài)，當對其語音輸入“開燈”指令時，指示燈發(fā)光，電機逆時針轉動，帶動“按壓棒”向下按壓，從而實現(xiàn)開燈操作；當語音輸入“關燈”指令時，則指示燈熄滅，電機順時針轉動，帶動“按壓棒”向上按壓，從而實現(xiàn)開燈操作。如圖2(a)、(b)所示為“開燈”狀態(tài)下系統(tǒng)的工作情況，圖3(a)、(b)所示為“關燈”狀態(tài)下系統(tǒng)的工作情況。

圖2 (a) “開燈”狀態(tài)下系統(tǒng)工作情況 (b)開關開啟

圖3 (a)“關燈”狀態(tài)下系統(tǒng)工作情況 (b)開關閉合

圖4 智能語音便攜式開關輔助控件外殼

在各模塊制作、連接與測試后，本文也使用3D建模技術為此模塊設計產品外殼，并以光敏樹脂作為原料，使用3D打印技術進行制作，以進一步將其集成化、產品化，如圖4所示是本產品的外殼，其中一面可拆卸，可將模塊置于其中，并從小孔中伸出電機轉子與“按壓棒”以實現(xiàn)按壓。

2 產品創(chuàng)新點

（1）該產品一方面可以幫助人們解放雙手，有效的節(jié)約人們的時間，尤其可以幫助一些殘疾人士通過語音指令實現(xiàn)開關的開啟與關閉；另一方面，該產品也解決傳統(tǒng)聲控開關有聲即響應的缺陷，特定的語音指令排除噪聲對開關的干擾，有效減少電力資源的損耗。

（2）語音識別技術在最近幾年取得了新的突破，但在目前的市場上語音識別技術的應用面仍然較窄，本產品是語音識別技術的一項新應用，同時在應用過程中對語音識別技術的發(fā)展也能夠產生正向推動作用。

結語：隨著當代人工智能技術的飛速發(fā)展，智能家居的產業(yè)規(guī)模必將不斷擴大。開關作為一種日常生活器件，智能化是其不可阻擋的發(fā)展趨勢。本產品不僅可以使開關智能化，而且不直接植入開關內部，以模塊化的方式外部驅動開關的按壓，易于攜帶、方便靈活，便利人們的生活，也為智能化產品的設計與制作提供了一種新的解決方案。