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(大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，大連 116028)

基于BLE4.0姿態(tài)解算的無線語音鼠標(biāo)設(shè)計

時繼潮，李新紅,王雅涵，呂閃

(大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，大連 116028)

設(shè)計了一款殘疾人專用智能無線語音鼠標(biāo)，讓雙手不靈活的殘疾人靈活地操縱電腦成為現(xiàn)實。本設(shè)計發(fā)送端采用BLE4.0技術(shù)負責(zé)頭部姿態(tài)解算、語音識別、向電腦發(fā)送操作指令等功能。無需任何接收裝置，只需與電腦自帶的藍牙設(shè)備配對后便可通過相應(yīng)的藍牙協(xié)議對電腦直接進行操控。

語音鼠標(biāo)；BLE4.0；藍牙協(xié)議

引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)信息的不斷發(fā)展，電腦成了每家都不可或缺的應(yīng)用工具，現(xiàn)在大部分人都會用鼠標(biāo)靈活地操縱電腦，但在一些雙手不靈活的殘疾人眼里，靈活地操縱電腦卻是一件極其不容易的事情。他們大多數(shù)都用腳代替手來完成對電腦的操縱，但即便這樣，應(yīng)用電腦時仍然存在很多不便，因此研究一款適用于雙手不靈活的殘疾人專用的鼠標(biāo)勢在必行。

本文針對市場上現(xiàn)有鼠標(biāo)存在的種種不足，應(yīng)用BLE4.0通信技術(shù)，加入語音識別，設(shè)計出一款適用于殘疾人群的智能無線鼠標(biāo)。此鼠標(biāo)打開開關(guān)后，就會自動檢索電腦藍牙設(shè)備進行配對，配對成功后，使用者將其戴在頭上，只需輕輕搖動頭部，就可以控制電腦上的指針進行各方位移動。使用者發(fā)出語音指令后，便可對電腦進行任意操作，靈活方便，可以滿足殘疾人士靈活使用鼠標(biāo)的需求。

1 語音鼠標(biāo)的整體結(jié)構(gòu)與工作原理

不管是有線鼠標(biāo)還是無線鼠標(biāo)，傳統(tǒng)的鼠標(biāo)都需要有一個USB接收器插到電腦上才能使用，這對于具有有限數(shù)量USB接口的電腦來說就是一個潛在的隱患，一旦需要使用多個USB接口時就會出現(xiàn)接口不足的問題。因此，本文借助現(xiàn)在比較流行的藍牙通信技術(shù)，研制了一款基于藍牙通信的語音鼠標(biāo)，不但不需要占用電腦有限的接收資源，還可以用語音進行控制，滿足殘疾人士靈活使用鼠標(biāo)的需求。

鼠標(biāo)主控部分主要由藍牙芯片CC2540進行控制，主控和電腦之間通過低功耗的藍牙4.0協(xié)議進行通信。接收到語音指令后，主控芯片CC2540對接收的語音信息和采集到的頭部姿態(tài)信息進行識別處理，將處理后的信息傳送給電腦，從而在電腦上實現(xiàn)相應(yīng)操作[1]。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 語音鼠標(biāo)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 藍牙4.0協(xié)議

2.1 藍牙4.0技術(shù)的背景

隨著第三次技術(shù)革命的不斷成熟，無線技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛，現(xiàn)在應(yīng)用最多的就是WiFi這一無線技術(shù)。但隨著應(yīng)用的不斷深入，很多弊端也不斷顯現(xiàn)出來，比如耗電量比較大，對供電電壓的穩(wěn)定性要求比較高，與路由終端的網(wǎng)絡(luò)連接易出現(xiàn)故障等。因此，一種不依賴于網(wǎng)絡(luò)連接的技術(shù)就顯得尤為重要，隨之就出現(xiàn)了新一代藍牙技術(shù)——藍牙4.0技術(shù)[2]。

2.2 藍牙4.0技術(shù)的特點

藍牙4.0技術(shù)的最大特點就是低功耗，其極低的待機和運行功耗可以使一粒紐扣電池工作4年甚至更久的時間。其次，還有穩(wěn)定性強、發(fā)送數(shù)據(jù)周期短的特性，其最大數(shù)據(jù)發(fā)送周期少于6 ms。藍牙4.0技術(shù)將傳統(tǒng)藍牙技術(shù)、高速技術(shù)和低耗能技術(shù)集于一體，除了上述特點外，還有傳輸效率高、保密性好、組網(wǎng)靈活等優(yōu)勢[3]。

3 語音鼠標(biāo)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件部分主要包括控制器模塊、語音識別模塊、姿態(tài)解算模塊、無線信號模塊及電源模塊5部分。

控制器模塊以TI公司的CC2540藍牙芯片為核心，其具有低功耗、高性能、易開發(fā)等優(yōu)勢；語音識別模塊，采用非特定語音識別芯片LD3320，用戶在使用前不需要對其進行任何操作和練習(xí)，直接說話就可以進行識別；姿態(tài)解算模塊使用MPU6050陀螺儀，其具有非常小的過沖，對于6軸數(shù)據(jù)的采集具有非常準(zhǔn)確的積分值；無線信號模塊主要由主控芯片CC2540控制，是主控制器與電腦進行通信的重要通道；因為系統(tǒng)具有低功耗的特點，因此電源模塊采用紐扣電池進行供電，經(jīng)電路中多重濾波整合后，其為整個系統(tǒng)提供了持續(xù)穩(wěn)定的電源輸出[4]。系統(tǒng)硬件電路圖如圖2所示。

圖2 語音鼠標(biāo)整體硬件電路

4 語音鼠標(biāo)軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電啟動后，首先對整個系統(tǒng)進行初始化，然后主控制器會與電腦進行配對，當(dāng)使用者作出移動動作時，姿態(tài)解算模塊會對使用者的這一頭部動作進行姿態(tài)解算；當(dāng)使用者發(fā)出語音指令后，LD3320語音芯片會對發(fā)出的語音信號進行識別處理，將解算到的動作信息與識別的語音信號傳輸給CC2540主控芯片，其將接收的這一信息進行相應(yīng)濾波處理后，通過BLE4.0將信息傳輸給電腦終端，從而實現(xiàn)相應(yīng)操作[5]。

圖3 語音鼠標(biāo)系統(tǒng)軟件流程圖

語音鼠標(biāo)的軟件流程圖如圖3所示?？梢钥闯?，系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)，這就保證了對采集數(shù)據(jù)的實時更新，更能保證電腦光標(biāo)的靈活移動，使鼠標(biāo)更加靈活、穩(wěn)定。

結(jié) 語

[1] 李志軍,時繼潮,石磊. LPC1227的智能無線體感鼠標(biāo)設(shè)計[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2015,17(4):60-63.

[2] 時繼潮,李新紅,吳陽明,等. 藍牙4.2協(xié)議的一主多從防丟器APP設(shè)計[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2017,17(7):44-46.

[3] 呂松棟,黎卓芳. 藍牙4.0低功耗技術(shù)及其認證要求[J].現(xiàn)代電信科技,2011,41(10):17-20.

[4] 徐金茍. 藍牙4.0底層核心技術(shù)協(xié)議研究與實現(xiàn)[D]. 上海：上海交通大學(xué),2012.

[5] Alibakhshikenari M,Limiti E,Naser-Moghadasi M,et al. A new wideband planar antenna with band-notch functionality at GPS,Bluetooth and WiFi bands for integration in portable wireless systems[J]. AEU-International Journal of Electronics and Communications,2017(72):79-85.

時繼潮(碩士研究生)，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)、無線通信等。

WirelessSpeechMouseDesignBasedonBLE4.0AttitudeAlgorithm

ShiJichao,LiXinhong,WangYahan,LvShan

(College of Electrical and Information,Dalian University of Traffic,Dalian 116028,China)

In the paper,a handicap intelligent wireless voice mouse is designed,which helps the disabled whose hands are not flexible can manipulate the computer.The sending end of the design adopts BLE4.0 technology to realize the functions such as the head posture solution,speech recognition,and sending operation instructions to the computer.Without any receiving device,you only need to pair with the bluetooth device that comes with the computer,and you can control the computer directly through the bluetooth protocol.

speech mouse;BLE4.0;bluetooth protocol

TP272

A

2017-08-18)