新能源汽車(chē)低電量運(yùn)行下的無(wú)線(xiàn)測(cè)距及智能語(yǔ)音交互系統(tǒng)

王銘杰，田 源，付大同，孫小羊，吳啟琴

（三江學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京210012）

19世紀(jì)末20世紀(jì)初，燃油汽車(chē)的發(fā)明大大改變了人們的生活方式，隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，由燃油汽車(chē)衍生的車(chē)載空調(diào)、車(chē)載導(dǎo)航、車(chē)載MP3播放器、車(chē)載記錄儀等智能化的電子產(chǎn)品同樣隨著燃油汽車(chē)的更新迭代迅速發(fā)展起來(lái)，并迅速投入應(yīng)用，產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益。隨著時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步，在21世紀(jì)初，新能源汽車(chē)逐漸開(kāi)始替代傳統(tǒng)的燃油汽車(chē)進(jìn)入人們的日常生活，電子設(shè)備的開(kāi)發(fā)逐漸向新能源汽車(chē)領(lǐng)域滲透，其相關(guān)嵌入式產(chǎn)品的發(fā)展也遵循著同樣的規(guī)律。

如今，隨著國(guó)家政策的大力支持和節(jié)能減排觀念的不斷普及，蓬勃發(fā)展的新能源汽車(chē)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)成為一種國(guó)家意志，逐漸發(fā)展成為不可阻擋的趨勢(shì)。特別是與新能源汽車(chē)密切相關(guān)的汽車(chē)電子產(chǎn)品層出不窮，通過(guò)對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外相關(guān)電子產(chǎn)品的研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在的汽車(chē)電子產(chǎn)品絕大多數(shù)嵌入于汽車(chē)控制系統(tǒng)內(nèi)部，通過(guò)汽車(chē)CAN總線(xiàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)電量的讀取和開(kāi)發(fā)，具備實(shí)時(shí)檢測(cè)剩余電量，智能調(diào)整設(shè)備供電，低電量下語(yǔ)音提醒和聲光警示的功能。然而對(duì)于部分缺乏汽車(chē)低電量運(yùn)行下安全防范意識(shí)的車(chē)主來(lái)說(shuō)，由于沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)，單純的聲光提示并不能幫助他們以更有效的方式解決問(wèn)題。所以，開(kāi)發(fā)一款專(zhuān)用于為用戶(hù)提供汽車(chē)低電量運(yùn)行下的意外狀況解決方案的裝置很有必要。

因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了該新能源汽車(chē)低電量運(yùn)行下的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)測(cè)距及智能語(yǔ)音交互系統(tǒng)。將無(wú)線(xiàn)測(cè)距模塊、語(yǔ)音識(shí)別模塊和語(yǔ)音播報(bào)模塊相結(jié)合，并集成在同一個(gè)裝置中，區(qū)別于傳統(tǒng)的放置于汽車(chē)內(nèi)部需要通過(guò)CAN模塊讀取汽車(chē)數(shù)據(jù)的方案，該裝置主要通過(guò)語(yǔ)音交互系統(tǒng)給出解決方案，無(wú)需和CAN總線(xiàn)相連，更無(wú)需了解CAN總線(xiàn)相關(guān)知識(shí)或使用高成本的CAN模塊，大大降低了開(kāi)發(fā)難度和開(kāi)發(fā)成本，此外，我們輔以LORA模塊對(duì)充電樁、服務(wù)區(qū)等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行高精度測(cè)距，令測(cè)距結(jié)果在OLED屏上顯示出來(lái)，便于引導(dǎo)用戶(hù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并做出合理決策。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本研究設(shè)計(jì)了一種基于STM32f103c8t6最小系統(tǒng)板的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)測(cè)距及智能語(yǔ)音交互系統(tǒng)，如圖1所示，本系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心，使用LORA無(wú)線(xiàn)測(cè)距模塊、OLED顯示模塊、LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊和XYV17B語(yǔ)音播報(bào)模塊作為外圍模塊，組成一個(gè)無(wú)線(xiàn)測(cè)距及智能語(yǔ)音交互系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

本系統(tǒng)創(chuàng)新性地將完善的預(yù)防及處理方案存儲(chǔ)在語(yǔ)音播報(bào)的內(nèi)容之中，并通過(guò)智能語(yǔ)音交互的方式完成全部功能的實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 語(yǔ)音識(shí)別模塊

通過(guò)對(duì)市場(chǎng)上已有產(chǎn)品使用CAN模塊從汽車(chē)上讀取數(shù)據(jù)的方案分析和比較發(fā)現(xiàn)，語(yǔ)音識(shí)別方案無(wú)需考慮CAN總線(xiàn)通訊協(xié)議的一致性，更無(wú)需集成于車(chē)載系統(tǒng)內(nèi)部，而且與傳統(tǒng)的鍵盤(pán)輸入和手動(dòng)控制方式相比，語(yǔ)音識(shí)別更加符合人們的日常習(xí)慣，也更加方便快捷，車(chē)主無(wú)需使用雙手便可對(duì)該裝置進(jìn)行控制，所以我們選擇通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別的方式控制該系統(tǒng)。

LD3320識(shí)別原理是非特定人語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)ASR，是一個(gè)基于關(guān)鍵詞語(yǔ)列表的匹配識(shí)別技術(shù)，算法本質(zhì)是在提取輸入聲音的特征后，在關(guān)鍵詞語(yǔ)列表中尋找一個(gè)和當(dāng)前指令匹配度最高的拼音作為最終的結(jié)果。基于LD3320識(shí)別原理，我們采用增添相似關(guān)鍵詞語(yǔ)的方法用于吸收錯(cuò)誤識(shí)別，比如，某個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中，需要識(shí)別的關(guān)鍵詞語(yǔ)是4條：汽車(chē)低電量、開(kāi)機(jī)、測(cè)距模式、新能源汽車(chē)省電方案。在把這幾個(gè)關(guān)鍵詞通過(guò)程序?qū)戇M(jìn)語(yǔ)音識(shí)別模塊后，再另外設(shè)置與每個(gè)詞語(yǔ)對(duì)應(yīng)的2-3個(gè)相似詞匯到程序里面，比如手機(jī)低電量、開(kāi)門(mén)、距離、省電等。

因?yàn)閮?nèi)部LD3320是會(huì)對(duì)一次識(shí)別返回1個(gè)最優(yōu)結(jié)果和3個(gè)備選結(jié)果序號(hào)的，只有當(dāng)識(shí)別的結(jié)果在4個(gè)以?xún)?nèi)才會(huì)識(shí)別有效，我們?nèi)∽顑?yōu)的結(jié)果存放到讀取寄存器提供給用戶(hù)讀取。如果識(shí)別到的是無(wú)效的“相似關(guān)鍵詞語(yǔ)”，如手機(jī)低電量、開(kāi)門(mén)、距離、省電等。裝置會(huì)給出不同的聲光指示，表明是由其他無(wú)效的語(yǔ)音信息造成的誤識(shí)別，如表1所示。

表1 語(yǔ)音識(shí)別模塊

通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，添加相似關(guān)鍵詞后，識(shí)別準(zhǔn)確率從60%上升到90%，非常有效地提高了識(shí)別的準(zhǔn)確率。極大地豐富了新能源汽車(chē)用戶(hù)的主觀使用體驗(yàn)。

語(yǔ)音識(shí)別關(guān)鍵詞：汽車(chē)，低電量運(yùn)行，省電措施，測(cè)距模式。

2.2 語(yǔ)音播報(bào)模塊

XY-V17B是一款功能非常強(qiáng)大的智能語(yǔ)音播放模塊，克服了其他語(yǔ)音播放模塊缺乏曲目選擇及控制功能的缺點(diǎn)，集成IO觸發(fā)模式、UART串口模式、ONE_line單總線(xiàn)串口控制、標(biāo)準(zhǔn)MP3模式等功能，更加便于基于單片機(jī)的相關(guān)汽車(chē)電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，支持MP3、WAV解碼格式，可通過(guò)USB數(shù)據(jù)線(xiàn)連接電腦更新TF卡和U盤(pán)內(nèi)容更改存儲(chǔ)音頻文件。

由于其相比于其他語(yǔ)音播報(bào)模塊，XY-V17B具有支持U盤(pán)、TF卡存儲(chǔ)容量大、可以通過(guò)控制引腳電平選擇不同播放曲目的特點(diǎn)，適用于車(chē)載語(yǔ)音播報(bào)，所以采用了本模塊作為該系統(tǒng)的語(yǔ)音播報(bào)模塊。

XY-V17B共有5種工作模式，分別為標(biāo)準(zhǔn)MP3模式、I/O組合模式、I/O獨(dú)立模式、UART串口模式、一線(xiàn)串口模式，可以通過(guò)3個(gè)配置IO進(jìn)行選擇。在本系統(tǒng)中選擇使用I/O獨(dú)立模式，配置CON1、CON2引腳為高電平，CON3為低電平，將需要播放的曲目存儲(chǔ)在SD卡或U盤(pán)中，用IO0-IO7獨(dú)立控制8首曲目，IO觸發(fā)指定的曲目，一直循環(huán)播放指定曲目，電平釋放即停止播放。播放中途釋放電平，即刻停止播放（見(jiàn)圖3）。

圖3 XY-V17B外圍模塊、模式選擇及音頻放大電路原理圖

2.3 LORA無(wú)線(xiàn)測(cè)距模塊

XL1280-D01無(wú)線(xiàn)模塊采用的是SEMTECH公司最新的LoRaTM調(diào)制技術(shù)的無(wú)線(xiàn)芯片，此芯片包含多樣的物理層以及多種調(diào)制方式，如LORA、FLRC、GFSK。特殊的調(diào)制和處理方式使得LORA和FLRC調(diào)制的傳輸距離大大增加，且GFSK調(diào)制兼容藍(lán)牙BLE協(xié)議。出色的低功耗性能、片上DC-DCTime-of-flight使得此芯片功能強(qiáng)大，可用于智能家居、安全系統(tǒng)、定位追蹤、無(wú)線(xiàn)測(cè)距、穿戴設(shè)備、智能手環(huán)與健康管理等。

基于該LORA模塊通信距離可達(dá)2-3km及以上且集成了TOF飛行時(shí)間測(cè)距的功能，可以滿(mǎn)足新能源汽車(chē)低電量行駛情景下的測(cè)距需求，并且LORA模塊本身就具有低成本、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，選擇其作為該系統(tǒng)的測(cè)距模塊再合適不過(guò)。

2.4 無(wú)線(xiàn)測(cè)距方案

（1）使用一個(gè)SX1280作為主機(jī)，另一個(gè)位于充電樁或服務(wù)區(qū)的LORA模塊作為從機(jī)，由用戶(hù)指令觸發(fā)后發(fā)起測(cè)距請(qǐng)求，同時(shí)主機(jī)開(kāi)啟內(nèi)部定時(shí)器開(kāi)始定時(shí)；

（2）從機(jī)收到測(cè)距請(qǐng)求后會(huì)同步該請(qǐng)求信號(hào)，然后把同步完的測(cè)距應(yīng)答信號(hào)發(fā)送回主機(jī)，通過(guò)測(cè)量這個(gè)應(yīng)答過(guò)程持續(xù)的時(shí)間，主機(jī)可以算出信號(hào)來(lái)回的飛行時(shí)間，進(jìn)而得到測(cè)距的數(shù)據(jù)。

測(cè)距開(kāi)始時(shí)，模塊給目標(biāo)連續(xù)發(fā)送射頻信號(hào)，然后接收從目標(biāo)返回的信號(hào)，這里將發(fā)射端發(fā)出信號(hào)和接收到接收端應(yīng)答信號(hào)的時(shí)間間隔記為T(mén)t，接收端收到主機(jī)發(fā)射的數(shù)據(jù)信號(hào)和發(fā)出應(yīng)答信號(hào)的時(shí)間間隔記為T(mén)r。信號(hào)在這對(duì)收發(fā)機(jī)之間的單向飛行時(shí)間Tf=（Tt-Tr）/2，則兩點(diǎn)間的距離d=c*Tf，其中c表示電磁波傳播速度，見(jiàn)圖4。

圖4 time-of-flight測(cè)距法

2.5 LORA模塊無(wú)線(xiàn)測(cè)距實(shí)驗(yàn)

模塊采用彈簧天線(xiàn)，由于此天線(xiàn)容易受外部線(xiàn)路影響，周?chē)慕饘傥矬w對(duì)其測(cè)距結(jié)果影響較大，所以實(shí)驗(yàn)選擇在空曠的平地進(jìn)行，將從機(jī)固定于路邊店鋪旁約2m高的平臺(tái)上（該店鋪可以在手機(jī)導(dǎo)航上查找到），以保持最佳的通訊效果，此位置記為B點(diǎn)，測(cè)試人員攜帶著主機(jī)和電源徒步行走逐漸拉遠(yuǎn)接收節(jié)點(diǎn)B的距離，觀察手機(jī)導(dǎo)航當(dāng)前位置距離B點(diǎn)的距離，每50m做一次測(cè)量，一直測(cè)到500m，共計(jì)10次，分別記錄實(shí)際值、平均值、最大值、最小值、誤差值，如表2所示。

表2 模塊無(wú)線(xiàn)測(cè)距實(shí)驗(yàn)表

通過(guò)對(duì)測(cè)距結(jié)果的分析，我們可以得出以下結(jié)論：LORA測(cè)距在短距離下測(cè)量誤差較大約1-2m，隨著測(cè)量距離的增加測(cè)量誤差逐漸減小，當(dāng)測(cè)量距離達(dá)到500m時(shí)，誤差只有17-20cm，可以滿(mǎn)足該系統(tǒng)對(duì)于測(cè)距的精度要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序由語(yǔ)音識(shí)別子程序、OLED顯示子程序、LORA1280測(cè)距子程序、XY-V17B語(yǔ)音播報(bào)子程序構(gòu)成。

3.1 主程序設(shè)計(jì)思路

（1）初始化配置（系統(tǒng)時(shí)鐘，OLED，I2C，UART，SX1280）。

（2）調(diào)用語(yǔ)音識(shí)別子程序，設(shè)置檢測(cè)模式，寫(xiě)入語(yǔ)音識(shí)別指令。

（3）進(jìn)入WHILE循環(huán)，并對(duì)所讀指令進(jìn)行判斷。（4）對(duì)應(yīng)不同指令，控制不同電平觸發(fā)播放不同的MP3曲目。

（5）若識(shí)別到測(cè)距指令的ID號(hào)，則調(diào)用SX1280的測(cè)距子程序?qū)Ω骶W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距，并在OLED屏上顯示出從車(chē)主當(dāng)前位置到下一個(gè)充電站或服務(wù)區(qū)的距離。

3.2 LORA無(wú)線(xiàn)測(cè)距程序思路和技術(shù)路線(xiàn)

由圖5可知，在測(cè)距操作期間，多個(gè)從機(jī)和多個(gè)主機(jī)可以處于通信范圍內(nèi)。但是，測(cè)距操作只能使用一個(gè)從機(jī)和一個(gè)主機(jī)。為了幫助從機(jī)區(qū)分主機(jī)和其他主機(jī)，響應(yīng)范圍內(nèi)的其他主機(jī)，并尋址特定的從機(jī)，測(cè)距請(qǐng)求包含一個(gè)地址字段，從機(jī)在測(cè)距請(qǐng)求接收時(shí)對(duì)其進(jìn)行檢查。

圖5 LORA無(wú)線(xiàn)測(cè)距流程圖

首先，使用以下命令設(shè)置無(wú)線(xiàn)電應(yīng)為測(cè)距操作生成的IRQ：

SetDioIrqParams（irqMask、dio1Mask、dio2Mask、dio3Mask）

并發(fā)出以下命令明確指定SX1280在測(cè)距操作中的作用：

SetRangingRole（角色），0x01為主機(jī)，0x00為從機(jī)。

然后，使用以下命令啟動(dòng)測(cè)距過(guò)程：

從站：SetRx（周期基準(zhǔn)rx，周期計(jì)數(shù)rx）

主機(jī)方面：SetTx（周期basetx，periodCountTx）來(lái)讀取測(cè)距結(jié)果：

將收音機(jī)設(shè)置為Xoscilator模式，并在LORA內(nèi)存中啟用時(shí)鐘：

WriteRegister（0x97F，ReadRegister（0x97F）|（1<<1））；

接著設(shè)置量程類(lèi)型，讀取量程寄存器：

WriteRegister（0x0924，（ReadRegister（0x0924）＆0xCF）|（（（（resultType）＆0x03）<<4））;

valLsb=（（ReadRegister（0x0961）<<16）|（ReadRegister（0x0962）<<8）|（ReadRegister（0x0963）））;

最后，將無(wú)線(xiàn)電調(diào)回配置模式即可。

3.3 主函數(shù)測(cè)距例程

3.4 語(yǔ)音識(shí)別程序設(shè)計(jì)

3.4.1 設(shè)置檢測(cè)模式

I2C_ByteWrite（ASR_MODE_ADDR，0）

3.4.2 設(shè)置識(shí)別語(yǔ)句

3.4.3 添加相似關(guān)鍵詞，吸收錯(cuò)誤語(yǔ)句

3.4.4 設(shè)置識(shí)別靈敏度

4 應(yīng)用場(chǎng)景分析

4.1 新能源汽車(chē)遠(yuǎn)程出行

由于新能源汽車(chē)從2010年之后才在中國(guó)市場(chǎng)逐漸發(fā)展起來(lái)，有關(guān)新能源汽車(chē)充電樁的建設(shè)至今還無(wú)法像汽車(chē)加油站一樣普及全國(guó)，這就導(dǎo)致車(chē)主想要尋找到充電樁會(huì)異常麻煩，特別是在汽車(chē)遠(yuǎn)程出行時(shí)，汽車(chē)半路沒(méi)電，人生地不熟的情況下，更需要一個(gè)貼心的智能小助手來(lái)為他們提供解決問(wèn)題的方案。

4.2 車(chē)主出行前未對(duì)汽車(chē)充電

人人都有疏忽大意的時(shí)候，遺忘是我們最不想面對(duì)，又不得不面對(duì)的事實(shí)，但是機(jī)器不會(huì)，我們利用機(jī)器不會(huì)遺忘的特性來(lái)提醒我們做好汽車(chē)出行前的準(zhǔn)備工作。

4.3 新能源汽車(chē)行駛途中突然沒(méi)電

汽車(chē)快要沒(méi)電時(shí)，人的第一反應(yīng)往往是靠邊停車(chē)，而在停車(chē)之后往往會(huì)通過(guò)手機(jī)百度或者向親友求助的方式解決問(wèn)題，然而這樣只會(huì)浪費(fèi)車(chē)主寶貴的時(shí)間，我們直接將已有的處理方案存儲(chǔ)在系統(tǒng)內(nèi)部，系統(tǒng)識(shí)別到指令便可直接通過(guò)語(yǔ)音播放出來(lái)，車(chē)主無(wú)需自行查找，只需根據(jù)實(shí)際情況自行選擇即可，更加方便快捷。

4.4 車(chē)主缺乏經(jīng)驗(yàn)

由于缺乏經(jīng)驗(yàn)，車(chē)主不了解環(huán)境溫度的變化對(duì)于新能源汽車(chē)?yán)m(xù)航里程數(shù)的影響，更不了解如何采取人為措施控制新能源汽車(chē)的電量從而提高新能源汽車(chē)的續(xù)航里程數(shù)。只要使用了我們的系統(tǒng)，用戶(hù)無(wú)需擔(dān)心自己缺乏經(jīng)驗(yàn)，更無(wú)需自行上網(wǎng)查找，只要發(fā)出語(yǔ)音指令，系統(tǒng)便自動(dòng)通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)給出相應(yīng)的省電方案。

4.5 所有電動(dòng)汽車(chē)

區(qū)別于車(chē)載系統(tǒng)，無(wú)需考慮通訊協(xié)議的限制，可以在所有電動(dòng)汽車(chē)上使用。由于該裝置無(wú)需和汽車(chē)CAN總線(xiàn)相連，只需電源便可工作，故可以作為獨(dú)立的電子產(chǎn)品出售，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)了基于新能源汽車(chē)低電量下的生活情景，使用無(wú)線(xiàn)測(cè)距技術(shù)，并將智能預(yù)防和解決方案融于語(yǔ)音交互系統(tǒng)中，區(qū)別于市場(chǎng)上的現(xiàn)有產(chǎn)品，創(chuàng)新性地為車(chē)主提供預(yù)防和處理新能源汽車(chē)低電量運(yùn)行下可能遇到的種種問(wèn)題的解決方案，突破了原有產(chǎn)品需考慮汽車(chē)通訊協(xié)議的一致性的局限性，可用于所有的新能源電動(dòng)汽車(chē)，此外還具有低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。