徐瑩，孫春志，吳晨光

(商丘師范學(xué)院 物理與電氣信息學(xué)院，河南 商丘 476000)

?

基于LD3320的智能家居一體化聲控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐瑩，孫春志，吳晨光

(商丘師范學(xué)院 物理與電氣信息學(xué)院，河南 商丘 476000)

摘要：智能家居一體化聲控設(shè)備系統(tǒng)主要采用51單片機(jī)和射頻卡技術(shù)，使用語(yǔ)言及可編程定時(shí)控制等多種功能和手段，將音頻設(shè)備、照明系統(tǒng)、窗簾控制與語(yǔ)音聲控模塊完美的結(jié)合在一起，來(lái)實(shí)現(xiàn)刷卡開(kāi)門(mén)、刷卡供電、照明控制、窗簾控制等等一些基本的家庭生活操作.當(dāng)住戶(hù)使用匹配正確的磁卡刷卡入門(mén)時(shí)，房門(mén)打開(kāi)并且自動(dòng)供電，住戶(hù)使用正確的語(yǔ)音指令，即可聲控操作使照明系統(tǒng)、窗簾控制和音樂(lè)播放系統(tǒng)，使用本智能家居一體化聲控設(shè)備可以使家庭生活更加安全、節(jié)能、智能、便利和舒適.

關(guān)鍵詞：51單片機(jī)；射頻卡技術(shù)；語(yǔ)音聲控模塊；

0引言

科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和單片機(jī)知識(shí)的普及推動(dòng)了新型智能化系列產(chǎn)品的迅速發(fā)展.智能家居以住宅為平臺(tái)，并結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、綜合布線(xiàn)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等，將與家居生活有關(guān)的各個(gè)子系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合到一起，用各種方法和設(shè)備實(shí)現(xiàn)家居生活的智能化、自動(dòng)化，從而構(gòu)建出高效的住宅設(shè)施與家庭事務(wù)的管理系統(tǒng)，讓家居生活更加安全、舒適與便捷.

聲控是指通過(guò)人的聲音來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制，當(dāng)設(shè)備接收到人類(lèi)的聲音后可以將語(yǔ)音里的詞語(yǔ)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的輸入語(yǔ)句，從而接受指令并實(shí)現(xiàn)聲音控制設(shè)備的功能.

隨著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，人們的物質(zhì)文化追求目標(biāo)越來(lái)越高，智能家居系列產(chǎn)品必定會(huì)融入人們的生活.目前人們廣泛使用的普通家居功能較為單一且安全系數(shù)不高，已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們的居住需求.而現(xiàn)如今已經(jīng)研發(fā)出來(lái)的智能家居產(chǎn)品也由于高成本而未能得以廣泛應(yīng)用.所以低成本高成效的智能家居產(chǎn)品的研發(fā)具有廣闊的空間.

針對(duì)以上特點(diǎn)提出了智能家居一體化聲控設(shè)備，該設(shè)備具有較高靈敏度，使用時(shí)技術(shù)要求低，適用于家家戶(hù)戶(hù)，具有很好的推廣性.

1整體方案的設(shè)計(jì)

本裝置在建立房屋模型的基礎(chǔ)上，采用電源模塊，將AC220V交流家庭用電轉(zhuǎn)換成為DC5V、DC12V電壓，并分別供給單片機(jī)最小系統(tǒng)、繼電器、和電子門(mén)鎖等.然后將DC5V電壓轉(zhuǎn)換成DC3.3V供給射頻卡模塊使用.51單片機(jī)連接射頻卡模塊RFIDRC522以及電子鎖，構(gòu)成了門(mén)鎖系統(tǒng)，通過(guò)RFIDRC522模塊對(duì)不同IC射頻卡的識(shí)別來(lái)判斷刷卡人是否為家庭成員并作出相應(yīng)的反應(yīng).當(dāng)IC卡被識(shí)別為家庭卡后，家庭內(nèi)電源電路和語(yǔ)音模塊電路的電源開(kāi)關(guān)將會(huì)被打開(kāi).語(yǔ)音模塊由STC11L08XE單片機(jī)與LD3320聲音識(shí)別芯片構(gòu)成，與繼電器、蜂鳴器及電機(jī)驅(qū)動(dòng)板等構(gòu)成語(yǔ)音控制電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)門(mén)鎖、燈光及窗簾開(kāi)關(guān)的控制.其原理框圖如圖1所示

圖1　整體方案設(shè)計(jì)原理

當(dāng)刷卡時(shí)，蜂鳴器響一下，如卡權(quán)限獲得允許，顯示模塊顯示“welcome”，同時(shí)繼電器動(dòng)作將門(mén)鎖打開(kāi)，指示燈點(diǎn)亮，延時(shí)一段時(shí)間后繼電器再次動(dòng)作將門(mén)鎖鎖閉，指示燈熄滅.當(dāng)按下出門(mén)按鈕時(shí)，繼電器動(dòng)作將門(mén)鎖打開(kāi)，指示燈點(diǎn)亮，延時(shí)一段時(shí)間后繼電器再次動(dòng)作將門(mén)鎖鎖閉，指示燈熄滅.此外，程序中還增加了射頻卡權(quán)限判斷的功能，當(dāng)遇到合法卡時(shí)顯示卡號(hào)，門(mén)鎖打開(kāi)，當(dāng)遇到非法卡時(shí)不顯示卡號(hào)門(mén)鎖不開(kāi).本系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良，具有一定的實(shí)用性.

2模塊電路的設(shè)計(jì)

2.1電源電路

作為智能化設(shè)備，本設(shè)備首先具有低功耗的特點(diǎn)，設(shè)備電子鎖采用DC12V供電，RFID射頻卡模塊部分采用DC3.3V供電，由于MCU電源電路需要高穩(wěn)定、抗干擾的電源，所以采用模塊化電源供電，這使得電源電路非常穩(wěn)定，這為智能化家居的穩(wěn)定性打下了基礎(chǔ).電源電路作為本設(shè)備的核心電路，DC5VMCU電源電路采用7805作為穩(wěn)壓芯片.7805三端穩(wěn)壓IC內(nèi)部電路具有過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)功能，這使它的性能很穩(wěn)定.能夠?qū)崿F(xiàn)1A以上的輸出電流.器件具有良好的溫度系數(shù)，因此產(chǎn)品的應(yīng)用范圍很廣泛.可以運(yùn)用本地調(diào)節(jié)來(lái)消除噪聲影響，解決了與單點(diǎn)調(diào)節(jié)相關(guān)的分散問(wèn)題，輸出電壓誤差精度分為±3%和±5%.DC5V電源電路如圖2所示：

圖2　電源電路設(shè)計(jì)原理

2.2射頻卡模塊

本裝置的門(mén)禁系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為控制核心，外圍包括蜂鳴器控制電路、開(kāi)門(mén)指示燈電路、電控鎖控制電路以及LCD液晶顯示電路等.門(mén)禁系統(tǒng)主要由CPU、工作指示電路、振蕩電路、蜂鳴器電路、門(mén)控鎖電路、讀卡模塊、顯示模塊等組成.射頻卡模塊通常作為現(xiàn)代門(mén)禁系統(tǒng)的必要部分，本裝置的門(mén)禁系統(tǒng)正是使用了射頻卡來(lái)完成刷卡進(jìn)門(mén)和按刷卡出門(mén)的功能.

射頻卡模塊也稱(chēng)之為RFID模塊，是用來(lái)讀寫(xiě)射頻卡RFID的一種中間件，由于射頻卡的頻率不同，所以射頻卡RFID模塊的頻率也不一樣，如125 K，13.56 M，2.4 G等.由于射頻卡的只讀和可寫(xiě)等性能，射頻卡RFID模塊也有只讀模塊和射頻卡讀寫(xiě)模塊之分.首先，MF-RC522射頻卡讀寫(xiě)模塊(下面簡(jiǎn)稱(chēng)讀寫(xiě)模塊)通過(guò)天線(xiàn)向射頻卡發(fā)送無(wú)線(xiàn)載波信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻卡的天線(xiàn)耦合接收后，先進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換，然后對(duì)其整流濾波，由電壓調(diào)節(jié)模塊對(duì)電壓進(jìn)行進(jìn)一步的處理，包括穩(wěn)壓等，最終輸出到射頻卡上的各級(jí)電路上.此時(shí)，非接觸卡接收到載波信號(hào)后就通過(guò)本卡片上的調(diào)制/解調(diào)電路對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制/解調(diào)，處理后的信號(hào)就送到卡片上的控制器以供控制及處理.非接觸卡處理好數(shù)據(jù)后，也通過(guò)它本身的天線(xiàn)向MF-RC522返回載波信號(hào)，MF-RC522也通過(guò)自身的調(diào)制/解調(diào)電路來(lái)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理.這些返回的載波信號(hào)的頻率與MF-RC522發(fā)出的載波信號(hào)的頻率是一致的.通過(guò)這樣一個(gè)通訊回路，MF-RC522就可以對(duì)非接觸卡的內(nèi)容進(jìn)行讀寫(xiě)操作.射頻卡模塊的設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示：

圖3　射頻卡模塊的設(shè)計(jì)原理

2.3語(yǔ)音控制系統(tǒng)：語(yǔ)音識(shí)別模塊

語(yǔ)音識(shí)別模塊是本裝置的重要組成部分，它也叫語(yǔ)音識(shí)別IC，與傳統(tǒng)的語(yǔ)音芯片相比，語(yǔ)音識(shí)別芯片最大的特點(diǎn)就是能夠語(yǔ)音識(shí)別，它能讓機(jī)器聽(tīng)懂人類(lèi)的語(yǔ)音，并且可以根據(jù)命令執(zhí)行各種動(dòng)作直接接受指令并且將指令轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的輸入語(yǔ)句.

本裝置選取的LD3320是ICRoute公司的產(chǎn)品，其內(nèi)部邏輯圖如圖4.它采用ASR技術(shù)，提供了一種脫離按鍵、鼠標(biāo)、觸摸屏等GUI操作方式且基于語(yǔ)音的用戶(hù)界面VUI(Voice User Interface),從而使得對(duì)系統(tǒng)的操作簡(jiǎn)單化、便捷化.此外，LD3320基于非特定人語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的語(yǔ)音識(shí)別及聲控芯片，她的識(shí)別對(duì)象可以為大多數(shù)用戶(hù)，且在51作為主要控制的系統(tǒng)中能輕松實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別和聲控的功能，并且識(shí)別的關(guān)鍵詞語(yǔ)音列表是可以動(dòng)態(tài)編輯的.它在3.3 V的單片機(jī)下進(jìn)行工作，I/O口和串口連接均為3.3 V，并且在使用時(shí)添加電平轉(zhuǎn)換和限流電阻來(lái)保證I/O口不會(huì)被損壞.該芯片擁有較高的集成性，能夠在很大程度上減少電路板面積和元器件的數(shù)目，在降低系統(tǒng)成本的基礎(chǔ)上提高了電路的可靠性.

圖4　LD3320內(nèi)部邏輯圖

本裝置接收外部語(yǔ)音命令的具體過(guò)程為：語(yǔ)音識(shí)別模塊接收到外部語(yǔ)音，并對(duì)所接收到的外部語(yǔ)音做出識(shí)別并轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼，經(jīng)由并行口傳送至核心處理器，核心處理器接收二進(jìn)制代碼后執(zhí)行對(duì)應(yīng)的功能.語(yǔ)音控制系統(tǒng)的框圖如圖5所示：

圖5　語(yǔ)音控制系統(tǒng)

此外，為了提高本裝置聲控時(shí)的靈敏度，我們采用了口令模式，給語(yǔ)音控制系統(tǒng)取名為“小杰”，當(dāng)每次喊出“小杰”這個(gè)日常發(fā)音率不高的詞語(yǔ)后，我們才會(huì)開(kāi)始與語(yǔ)音控制系統(tǒng)的對(duì)話(huà)，從而避免日常對(duì)話(huà)對(duì)本設(shè)備的干擾，保證聲控模式的正常運(yùn)行.

2.4窗簾控制電路

考慮到控制窗簾的開(kāi)啟和閉合所需力矩較大，直流電動(dòng)機(jī)不易控制好所需轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，且步進(jìn)電機(jī)不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，我們采用ULN2003與MCU引腳相連來(lái)驅(qū)動(dòng)28BYJ-48型步進(jìn)電機(jī)的方案，讓ULN2003協(xié)助單片機(jī)輸出大電流，滿(mǎn)足電機(jī)電壓，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī).窗簾控制電路如圖6所示：

圖6　ULN2003驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)電路

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件流程分為系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理三個(gè)部分.系統(tǒng)整體軟件流程如圖7所示：

圖7　系統(tǒng)軟件流程圖

4結(jié)論

智能產(chǎn)品的研究對(duì)于創(chuàng)造舒適便捷的現(xiàn)代化快節(jié)奏的生活具有重要意義.本文詳細(xì)地介紹了智能一體化聲控設(shè)備的設(shè)計(jì)思路以及相關(guān)電路的設(shè)計(jì)原理，它是我們充分學(xué)習(xí)和運(yùn)用相關(guān)的軟件及硬件知識(shí)的結(jié)果，并成功實(shí)現(xiàn)了IC刷卡開(kāi)門(mén)供電、聲音控制燈光和窗簾的開(kāi)關(guān)等功能.此外，本裝置具有成本低，構(gòu)造簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單便捷的特點(diǎn)，并且滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)用性的要求，擁有很高的理論及實(shí)用價(jià)值.

參考文獻(xiàn)：

[1]郭天祥.新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2]江海波，王卓然，耿得根.深入淺出AVR單片機(jī)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[3]馬潮.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[4]沈文，詹衛(wèi)前.AVR單片機(jī)C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)入門(mén)指導(dǎo)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[5]楊利平.基于嵌入式系統(tǒng)的智能家居網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)[J].安徽工程科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2006,21(4)：40-45

[6]謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[7]周堅(jiān).單片機(jī)輕松入門(mén)(第二版)[M].北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2007.

[8]劉衛(wèi)國(guó).C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)[M].北京: 鐵道大學(xué)出版社, 2008.

[9]徐愛(ài)鈞, 彭秀華.KeilCx51 V7.0單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)言編程與uVision2應(yīng)用實(shí)踐[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2004.

[責(zé)任編輯：徐明忠]

The design of intelligent home furnishing integrated voice equipment based on LD3320

XU Ying, SUN Chunzhi, WU Chenguang

(School of Physics and Electrical information Engineering, Shangqiu Normal University, Shangqiu 476000，China)

Abstract:Smart home integration of voice equipment Mainly takes the technology of 51 single-chip microcomputer and radio frequency card, it also uses the language, programmable timing control and other methods.Putting audio equipment, lighting system, curtain control and voice acoustic control module together perfectly to implement the basic operation of opening the door with the credit card, charging power supply, lighting, controlling curtain and so on in the life.The residents can enter their house when they use the right card, at the same time the automatic power supply.Besides, residents can use the correct voice commands to operate the system of curtain controlling, lighting and music playing.The use of the smart home integration acoustic equipment system can make family life more safer, energy efficient， intelligent, convenient and comfortable.

Key words:51 single-chip microcomputer; radio frequency card technology; voice acoustic control module

中圖分類(lèi)號(hào)：TN918.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-3600(2016)06-0037-05

作者簡(jiǎn)介:孫春志(1986-)，男，河南商丘人，商丘師范學(xué)院助教，碩士，主要從事電子與通信工程的研究.

基金項(xiàng)目：河南省科技廳項(xiàng)目(132300410262)

收稿日期：2015-11-04