基于語音識別技術的智能燈光控制系統＊

陳靖文，陳 蕾，張永康，朱順凱，白偉學，鄧淏文

（1.蘇州城市學院電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104；2.蘇州大學電子信息學院，江蘇 蘇州 215006）

2014 年以來，各大廠商已開始密集布局智能家居，盡管從產業來看，業內還沒有特別成功的案例顯現，這預示著行業發展仍處于探索階段，但越來越多的廠商開始介入和參與已使外界意識到智能家居未來發展前景廣闊，在智能家居中占據首位的語音識別技術正蓬勃發展。2018 年科大訊飛提出了深度全序列卷積神經網絡（DFCNN），阿里提出了LFR-DFSMN。2019年，百度提出了流式多級的截斷注意力模型SMLTA，越來越多的廠商開始推動智能語音識別的發展。

追求更加實用性、易用性、安全性、人性化的設備是時代進步的需求和標志，使居住環境更加方便、舒適、環保是本文所要達到的目標。本文設計了基于單片機的語音識別智能臺燈控制系統，在此系統中實現了語音識別、亮度調節、自動開關、遠程控制等功能。外出無需再擔心燈光是否關閉，更加便捷地提供了睡前燈光聲控關閉功能和半夜起床時的照明。實現了非接觸式的燈光智能控制，具有一定的實用價值[1]。

1 硬件結構設計

1.1 系統組成結構

智能燈光控制系統主要由以下幾部分組成：單片機模塊、語音識別模塊、紅外人體感應模塊、光敏與A/D 轉換模塊、按鍵模塊、液晶顯示模塊及Wi-Fi 模塊。系統的硬件結構如圖1 所示。

圖1 硬件結構圖

1.2 主控模塊

本文采用STC89C52RC 作為主控芯片，實現數據采集和控制。STC89C52RC 在指令系統和引腳上與MCS-51 系列的單片機完全兼容，它采用Flash 存貯器技術，降低了制造成本，將多功能8 位CPU 和閃存組合在單個芯片中，其程序的電可擦寫特性，使得開發與試驗更加容易，具有靈活性高、功能強且價格低廉等特點。

1.3 語音識別模塊

本設計中語音識別模塊的芯片選用LD3320。它是一顆真正的單芯片，由ICRoute 公司設計生產，具有非特定人語音識別技術、高準確度和實用的語音識別效果，可動態編輯且最高有50 條識別關鍵詞語列表；內含PLL 頻率合成器、A/D 和D/A 轉換器、麥克風輸入和MP3 輸出接口等部分；支持并行接口或SPI 接口，支持休眠模式，具有MP3 播放功能[2]。

LD3320 芯片的MICN（P）為麥克風輸入接收口，考慮到家里環境相對安靜，外界麥克風采用遠距離拾音咪頭，實現無論在家中何處都能語音控制智能燈。再將其MD 口置為1，就可以通過4 個控制信號（WRB、RDB、CS、A0）、8 路數據線（P0～P7）及1 個中斷返回信號（INTB）和MCU 主控進行并行通信。

在完成單片機和語音芯片的通用初始化后，就可以進行語音識別工作了。運行ASR 的流程如下：首先，進行ASR 初始化，初始化ASR 一些參數，這些參數主要包括設置語音檢測的靈敏度、起始語音的時間和背景噪音時間；接著添加關鍵詞語到LD3320 芯片中，將“管家”“打開燈光”“關閉燈光”“降低亮度”“升高亮度”這些詞的拼音錄入為關鍵詞語；把例如“關閉”“降低”“管（關）”等這些有諧音或表達不全的詞語列入垃圾詞匯，以降低識別出錯率；最后，打開MIC輸入，啟動AD 采樣，激活DSP，啟動ASR 運算模塊，開始語音識別。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。識別流程結束后，單片機通過并行口通信獲得識別結果，隨后單片機對LED 臺燈進行相應的控制。語音模塊電路圖如圖2 所示。

圖2 語音模塊電路圖

1.4 紅外人體感應模塊

本文選用了BISS0001 模塊。BISS0001 是由運算放大器、電壓比較器、狀態控制器、延遲時間定時器及封鎖時間定時器等構成的數模混合專用集成電路，它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構成被動式的熱釋電紅外開關。它能自動快速開啟各類白熾燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門、電風扇、烘干機和自動洗手池等裝置，特別適用于企業、賓館、商場、庫房及家庭的過道、走廊等敏感區域，或用于安全區域的自動燈光、照明和報警系統。

1.5 光敏感應與A/D 轉換模塊

通過光敏電阻模塊實現光敏感應自動調節亮度的功能的測量信號值，然后將其模擬量通過PCF8591 轉換為數字量來實現。PCF8591 是8 位AD/DA 轉換芯片，設定基準電壓為5.1 V 時，其分辨率可以達到0.02 V。PCF8591 與外界的通信靠SDA、SDL 這2 條線通過IIC協議進行雙向傳輸。

單片機通過向總線發送地址字節來選擇該模塊，發送控制字節選擇該模塊進行AD 轉換。光敏電阻產生的模擬量通過AIN0 口輸入給PCF8591，經過芯片的ADC 后，再將數字量通過SDA 輸出給單片機，最后單片機根據接收到的數字量作出相應的改變來。因此硬件系統中，把光敏電阻放在臺燈板上方，以此來避免光敏電阻受臺燈的光線影響而影響其亮度的調節。光敏感應與A/D 轉換模塊仿真圖如圖3 所示。

圖3 光敏電阻與A/D 轉換電路圖

1.6 Wi-Fi 模塊

Wi-Fi 模塊本文采用了ESP8266 芯片，ESP8266支持STA 模式、AP 模式和STA/AP 混合模式這3 種應用模式。其具有超功耗低、成本低廉、使用便捷、功能強大等眾多優點。僅需這一個模塊，就可通過互聯網將所有物聯網設備連接在一起。本文使用AT+CWJAP=“Wi=Fi 名稱”“Wi=Fi 密碼”便可以把小燈連接到當前環境指定的路由器來進行操作。

2 軟件設計

主程序流程圖如圖4 所示。首先初始化整個系統，若有手動控制與遠程控制，則可通過其打開或關閉小燈。若無手動控制與遠程控制，則系統自動檢測語音識別系統是否有語音指令發出。若沒有檢測到指令燈光處于熄滅狀態，若檢測到語音指令，進入下一步人體紅外檢測，人體紅外檢測模塊未檢測到人體信號則保持燈光熄滅，若檢測到其信號則打開燈光。光亮程度的調節采用以下3 種方式：①按鍵控制，按鍵調節燈光的亮度；②光亮的自檢測，根據光敏電阻控制燈光電壓大小并自動調整其亮度；③遠程控制通過發送的指令來調節亮度。

圖4 主程序流程圖

語音識別模塊流程圖如圖5 所示。首先系統初始化后處于調整狀態，控制系統檢測語音模塊是否發出可識別的一級指令（管家），若沒有檢測到語音指令，則一直處于系統調整狀態；若檢測到語音指令，則控制指示燈亮，采集語音信號，再檢測是否存在二級語音指令（打開燈光、關閉燈光、降低亮度、升高亮度）。若檢測到該信號，則將信號傳輸給語音識別模塊進行預先設定的詞條搜索并識別生成指令，并發送至單片機，使其控制燈光的狀態；若未檢測到該信號或者在進行語音指令搜索時，沒有搜索到相關的指令，也就是識別不成功時，系統將會認定當前語音識別不成功，則再次返回系統調整狀態，此時需要再次進行語音采集和識別，直到識別到最為合適的命令作為最后結果傳輸給單片機[3]。

圖5 語音模塊流程圖

3 實驗結果分析

本文所設計的基于語音識別技術的LED 臺燈實現了家居行業的現代化和智能化。運用單片機技術來實現聲控開關、智能調節亮度、人體感應、遠程控制等一系列功能。

經過后期的調試與改進，具體功能如下：①語音識別控制開關。可以在夜晚說出口令，自動打開臺燈，避免在黑暗環境下難以尋找開關，提供了便利，保障了人們的安全。②紅外人體感應開關。能夠感知人體，當人們忘記關燈或出現緊急情況長時間離開時，臺燈會自動熄滅，以此來減少資源的浪費，比傳統臺燈省電。③自動感應亮度調節和手動亮度調節。自動感應亮度的功能可以就使用者所處的環境給以合適的光亮，防止光線問題影響使用者的視力，而手動調節是為了滿足使用者在某些條件下的光亮要求以達到合適亮度。總而言之，這2 種調節方式均可以保護使用者的視力。④臺燈設有1602 液晶顯示屏，1602 顯示屏可以顯示亮度指數信息，操作者可根據需求更改亮度。⑤可以通過遠程控制較好控制臺燈的亮滅，當人不在家時也可以對臺燈進行實時控制。

4 結語

通過本次實驗，本文給出一種基于STC89C52RC、LD3320、BISS0001 和PCF8591 的智能燈光控制系統，不僅能夠通過語音識別，而且也能利用環境光強對小燈進行智能控制。該系統操作方便、準確率較高、成本低廉，具有一定的實用價值。