姜曉雪，陳小菊，唐嘉

（宜賓學(xué)院，四川宜賓，644000）

0 概述

隨著社會老齡化問題不斷嚴(yán)重，年輕人外出工作無法照顧老年人的生活起居，所以老人的生活起居成了社會廣泛關(guān)注的問題。由這種現(xiàn)象的普遍性得到啟發(fā)，設(shè)計一個對老人適用，又能保證老人生活用電安全的產(chǎn)品。該設(shè)計是為視力弱化、動作遲緩和對電磁爐這種有多功能按鍵的電器有使用障礙的老人定制的產(chǎn)品。這個產(chǎn)品具有智能語音播報、語音控制、語言選擇、LED 閃爍提示、防水等功能。

1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)通過NewWay Speech Recognition Studio Summerd對REC-V2 語音識別模塊進(jìn)行程序編寫，主要設(shè)計思路如下:系統(tǒng)外設(shè)初始化，檢測外部輸入語音信號，根據(jù)輸入語音信號進(jìn)行關(guān)鍵詞對比，匹配成功時執(zhí)行相關(guān)指令。系統(tǒng)軟件主要控制部分包括串口發(fā)送子程序、模態(tài)跳轉(zhuǎn)子程序、MP3播放子程序。系統(tǒng)任一子程序在通電時均進(jìn)行一次初始化。本系統(tǒng)采用語音觸發(fā)功能，用戶通過普通話描述出想實現(xiàn)的功能，語音模塊再根據(jù)采集到的語音信號進(jìn)行識別詞條匹配，識別詞條匹配成功后通過揚聲器進(jìn)行播報，進(jìn)而執(zhí)行相應(yīng)的功能。

2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件部分主要包括語音模塊、繼電器控制模塊、電磁爐控制模塊和電磁爐主板模塊。系統(tǒng)中通過對REC-V2 語音模塊對語音信號進(jìn)行處理和識別，然后模塊所識別到的語音指令控制繼電器控制模塊中對應(yīng)的各個功能開關(guān)。繼電器控制模塊是和電磁爐控制模塊中的功能選擇按鍵連接的。例如當(dāng)用戶發(fā)出“炒菜”指令時，REC-V2 模塊對語音進(jìn)行識別，然后通過對應(yīng)的串口發(fā)送指令，從而對繼電器控制模塊中對應(yīng)的開關(guān)控制，然后選擇到電磁爐控制模塊中的“炒菜”功能，最后電磁爐主板模塊開始執(zhí)行用戶指令。各個功能出于對成本、功耗、性能以及實用性等多方面的考慮，本系統(tǒng)中選用性能卓越、能耗低、實時性好的REC-V2 作為核心處理器，也可以最大程度優(yōu)化耗電和性能[1]。通過出于對減少電路噪聲源，提高系統(tǒng)抗壓性和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的考慮。電源采用總線的分配模式和供電模式，設(shè)計有多個電源和多個接地，復(fù)位電路采用低電平復(fù)位。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

■2.1 語音模塊

REC-V2 語音識別模塊是一種高性能的VOICE-UI 產(chǎn)品，能夠方便地計出強大的語音識別劇本，實現(xiàn)人機的語音交互[2]，為設(shè)備增加人機語音接口，它能夠?qū)尤氲臒o源麥克風(fēng)、立體聲、單聲道等多種音源進(jìn)行識別，模塊擁有豐富的設(shè)計資源，方便設(shè)計各種人機交互產(chǎn)品[3]。在本設(shè)計中主要通過REC-V2 語音識別模塊對電磁爐功能進(jìn)行控制。此模塊主要能實現(xiàn)語音識別功能、語音控制功能、語音播報功能。語音識別主要是通過麥克風(fēng)采集語音，再通過REC-V2 語音模塊進(jìn)行識別；語音控制是通過功能擴(kuò)展接口對繼電器控制模塊進(jìn)行控制；語音播報是通過揚聲器實現(xiàn)播報功能。REC-V2語音識別模塊實物圖如圖2 所示。

圖2 REC-V2 實物圖

■2.2 繼電器控制模塊

此模塊采用繼電器、常開接口最大負(fù)載為交流250V/10A、直流30V/10A；采用貼片光耦隔離，驅(qū)動能力強，性能穩(wěn)定，觸發(fā)電流為5mA；模塊工作電壓有5V、12V、24V 可供選擇；模塊每一路都可以通過跳線設(shè)置高電平或低電平觸發(fā)；還有很強的容錯設(shè)計，即使控制線斷開，繼電器也不會動作；接口設(shè)計人性化，所有接口均可通過接線端子直接連線引出，非常方便；輸出端有24 線接口，所有接口都可以直接連線引出，方便使用[4]。本設(shè)計采用繼電器來控制電磁爐的功能選擇，繼電器控制模塊與REC-V2 語音模塊的功能擴(kuò)展接口連接。通過REC-V2 語音模塊發(fā)送指令對繼電器控制模塊中每路繼電器的開啟與關(guān)閉進(jìn)行控制。八路繼電器分別對應(yīng)了電磁爐功能:炒菜、燒水、升溫、降溫、定時、停止等。繼電器控制模塊原理圖如圖3 所示。

圖3 繼電器控制模塊原理圖

■2.3 電磁爐控制模塊

電磁爐控制模塊是由按鍵、LED 驅(qū)動控制電路、發(fā)光二極管、電容等元器件構(gòu)成。其中TM1628 是一種帶鍵盤掃描接口的LED 驅(qū)動控制專用IC，內(nèi)部集成有MCU、數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器、LED 驅(qū)動、鍵盤掃描等電路。其質(zhì)量可靠、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強，主要適用于家用設(shè)備，如熱水器、微波爐、電磁爐、洗衣機等；機頂盒；電子秤；智能電表等數(shù)碼管或LED 顯示設(shè)備[5]。電磁爐控制模塊受繼電器模塊控制，繼電器控制模塊中的各個開關(guān)對應(yīng)的是電磁爐控制模塊中的相應(yīng)功能按鍵。電磁爐控制模塊中的功能按鍵則是直接控制著電磁爐主板模塊的工作。電磁爐控制模塊原理圖如圖4 所示。

圖4 電磁爐控制模塊原理圖

■2.4 電磁爐主板模塊

電磁爐主板模塊主要由加熱線圈盤L1300、諧振電容C004、主晶體管IGBT1、續(xù)流二極管DV1 等原件構(gòu)成主回路電路[5]。電磁爐主板模塊任務(wù)是將300V 左右的直流電轉(zhuǎn)換成高頻電流，并通過加熱盤感應(yīng)到鍋具，是鍋具底部產(chǎn)生渦流而發(fā)熱。其是通過電磁爐控制模塊中的功能選擇開關(guān)進(jìn)行控制。在電磁爐控制模塊中選定功能后，主板模塊將會根據(jù)相應(yīng)的功能模塊進(jìn)行工作。電磁爐主板模塊如圖5 所示。

圖5 電磁爐主板模塊原理圖

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分是通過NewWay Speech Recog nition Studio Summerd 對REC-V2 語音識別模塊進(jìn)行程序編寫。首先初始化模塊。然后開始判斷系統(tǒng)是否進(jìn)入語音模式。如果模塊沒有進(jìn)入，則可以通過普通模式控制電磁爐；系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入語音模式，則可以語音模式和普通模式并用。當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)已經(jīng)處理完畢后繼續(xù)對語音播報劇本[6]進(jìn)行處理，如果語音播報劇本也處理完畢，就對功能模態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理完畢后對命令緩沖區(qū)進(jìn)行處理，命令緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)主要是用戶端發(fā)來的控制指令，執(zhí)行完畢后返回初始模態(tài)中。軟件設(shè)計程序流程圖如圖6 所示。

圖6 程序流程圖

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

■4.1 人聲識別測試

為掌握測試語音識別的效果，選擇了兩種測試環(huán)境分別是嘈雜環(huán)境和安靜環(huán)境。由表中數(shù)據(jù)可以看出，安靜環(huán)境下對人聲的語音識別率可達(dá)到90%以上，嘈雜的環(huán)境下的語音識別率也可達(dá)80%以上。識別率方面，在嘈雜環(huán)境下比在安靜環(huán)境下的語音識別率有所降低；穩(wěn)定性方面，在安靜環(huán)境下系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好，語音說1 遍，最多說2 遍模塊就可以做出正確的響應(yīng)；在嘈雜環(huán)境下，系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所下降，個別語音命令需要說3 遍甚至3 遍以上才能被模塊準(zhǔn)確識別；實時性方面，在安靜環(huán)境下的語音能保證系統(tǒng)響應(yīng)的實時性，響應(yīng)時間一般不超過1～2s，在噪聲環(huán)境下的響應(yīng)時間相對長一些。人聲識別測試結(jié)果如表1 所示。

表1 人聲識別測試表

■4.2 串口測試

通過人說出功能，在串口調(diào)試軟件上觀察語音模塊是否成功識別人聲。成功識別人聲時，串口調(diào)試軟件上就會接收到相應(yīng)的文字；若未能成功識別人聲，則串口調(diào)試軟件上就不會接收到文字。本系統(tǒng)設(shè)計共測試了30 次串口輸出功能，開機10 次，炒菜10 次，燒水10 次；關(guān)閉電磁爐10 次。其中有兩次識別失敗，經(jīng)分析原因為環(huán)境嘈雜且信號來源模糊，識別率為93.33%。串口測試結(jié)果如圖7 所示。

5 結(jié)束語

本文討論了REC-V2的語音識別功能、語音播報功能、語音控制功能和繼電器模塊控制功能，對各個模塊電路及功能實現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。當(dāng)用戶說出一條指令時，REC-V2 模塊對其進(jìn)行響應(yīng)，然后通過擴(kuò)展功能接口對繼電器模塊控制，進(jìn)而控制電磁爐控制板。通過語音指識別模塊對多條語音指令進(jìn)行了測試，能夠識別指令并執(zhí)行相關(guān)功能。最終成功完成了基于REC-V2的老年電磁爐的設(shè)計。

圖7 串口測試結(jié)果