黃一波 葉鋼 葉蕾 季啟欣

摘要：針對(duì)汽車駕駛環(huán)境下，通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別代替手動(dòng)控制汽車空調(diào)功能，既解除了駕駛者低頭尋找空調(diào)按鈕的危險(xiǎn)，又可以提高了駕駛者的舒適度。該汽車空調(diào)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)主要由語(yǔ)音模塊、單片機(jī)控制模塊、顯示模塊等組成。通過(guò)單片機(jī)控制LD3320語(yǔ)音模塊對(duì)汽車空調(diào)的功能進(jìn)行處理，可以解放駕駛者的雙手，從而提高車輛駕駛安全。

關(guān)鍵詞：語(yǔ)音識(shí)別；汽車空調(diào)；LD3320

中圖分類號(hào)：TP368.1???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Design?and?Research?of?Speech?Recognition?System?for?Automotive?Air?Conditioning

Huang?Yibo1??Ye?Gang2??Ye?Lei1??Ji?Qixin1

1.Zhejiang?Shuolang?Electromechanical?Accessories?Co.，Ltd??ZhejiangLishui??323700；

2.?Lishui?Vocational?and?Technical?College??ZhejiangLishui??323000

Abstract：?In?the?automotive?driving?environment，?replacing?manual?control?of?the?car?air?conditioning?function?with?voice?recognition?not?only?eliminates?the?danger?of?drivers?looking?for?air?conditioning?buttons?while?also?improving?their?comfort?level.?The?car?air?conditioning?speech?recognition?system?mainly?consists?of?a?speech?module，?a?microcontroller?control?module，?a?display?module，?etc.?By?controlling?the?LD3320?voice?module?through?a?microcontroller，?the?function?of?the?car?air?conditioning?can?be?processed，?freeing?the?driver's?hands?and?improving?driving?safety.

Keywords：?Speech?recognition；Automotive?air?conditioning；LD3320

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，2020年末中國(guó)轎車保有量約為2.81億輛，人們對(duì)汽車的要求也越來(lái)越高，特別是汽車的安全性、舒適性和可靠性等[1]。近幾年，由于人工智能的快速發(fā)展，智能化車載電子產(chǎn)品也越來(lái)越多地被開(kāi)發(fā)使用，比如可以通過(guò)導(dǎo)航系統(tǒng)查看實(shí)時(shí)交通情況，優(yōu)化行駛路線等。由于駕駛員在開(kāi)車時(shí)需要高度集中注意力，因此通過(guò)語(yǔ)音技術(shù)代替雙手控制這些智能化車載電子產(chǎn)品成為了最佳方案。

在封閉的車廂內(nèi)，汽車空調(diào)往往需要經(jīng)常開(kāi)啟、關(guān)閉、調(diào)節(jié)功能等。如果需要駕駛員分心通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)按鈕，非常容易出現(xiàn)事故。因此駕駛員如果可以通過(guò)語(yǔ)音控制汽車空調(diào)的開(kāi)啟、關(guān)閉、調(diào)節(jié)溫度、控制風(fēng)力等功能，就可以解放駕駛者的雙手，從而提高車輛駕駛安全，從而避免這類事故的發(fā)生。

1總體設(shè)計(jì)要求及目標(biāo)

智能語(yǔ)音在空調(diào)上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用需要三個(gè)環(huán)節(jié)：首先是獲取——將人發(fā)出的語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)化為可處理的數(shù)字信號(hào)；然后是預(yù)處理——對(duì)采集到的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行識(shí)別過(guò)濾，降噪、消回聲、去混響等處理，形成可準(zhǔn)確判斷的有效音頻信號(hào)；最后是預(yù)設(shè)置的語(yǔ)音識(shí)別引擎對(duì)過(guò)濾的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和分析，從而實(shí)現(xiàn)智能反饋要求的規(guī)定動(dòng)作[2]。

汽車空調(diào)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)主要包含四大模塊：語(yǔ)音模塊、單片機(jī)控制模塊、顯示模塊、驅(qū)動(dòng)模塊等，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。駕駛員通過(guò)語(yǔ)音發(fā)送命令，語(yǔ)音模塊自動(dòng)識(shí)別語(yǔ)音命令，并將識(shí)別信息發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)命令通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊控制汽車空調(diào)的開(kāi)關(guān)、溫度調(diào)節(jié)、風(fēng)力調(diào)節(jié)、模式調(diào)節(jié)等功能，并控制語(yǔ)音模塊播報(bào)語(yǔ)音信息，進(jìn)行人機(jī)交互，LCD顯示模塊實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前汽車空調(diào)的狀況。

2硬件設(shè)計(jì)

語(yǔ)音模塊主要具有三個(gè)功能：采集語(yǔ)音信息，與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，播報(bào)語(yǔ)音信息等。該模塊主要由電源子模塊、語(yǔ)音輸入子模塊、語(yǔ)音輸出子模塊、通信子模塊等組成。模塊采用LD3320語(yǔ)音芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以對(duì)駕駛員的聲音信息進(jìn)行采集處理，并通過(guò)串口通信方式將聲音信息發(fā)送給單片機(jī)模塊，并實(shí)時(shí)播報(bào)單片機(jī)模塊發(fā)出的聲音指令。

LD3320芯片是由ICRoute公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的一款語(yǔ)音識(shí)別專用芯片，該芯片內(nèi)部集成了語(yǔ)音識(shí)別處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)接口、聲音輸出接口等。該芯片支持動(dòng)態(tài)編輯關(guān)鍵詞語(yǔ)，從而實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別、人機(jī)交互功能。

LD3320語(yǔ)音芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，LD3320芯片將輸入的語(yǔ)音流進(jìn)行頻譜分析，提取語(yǔ)音特征值，通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別器與內(nèi)部事前存儲(chǔ)的關(guān)鍵詞語(yǔ)列表進(jìn)行比對(duì)，最終將識(shí)別結(jié)果傳給單片機(jī)。LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊內(nèi)部集成了STC11系列單片機(jī)，可支持5V和3.3V供電。LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊可以實(shí)現(xiàn)中文及英文的識(shí)別功能，不需要事先訓(xùn)練或者錄音，語(yǔ)音數(shù)據(jù)識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)95%[3]，識(shí)別的關(guān)鍵詞可以在程序中任意更改，每次識(shí)別最多可設(shè)置50條候選語(yǔ)音命令，候選語(yǔ)音命令可以是單字，也可以是詞組或者短句，長(zhǎng)度不超過(guò)10個(gè)漢字或者79個(gè)拼音。

用戶在使用前，需要設(shè)計(jì)好待識(shí)別的關(guān)鍵詞，如“開(kāi)空調(diào)”“關(guān)空調(diào)”“模式選擇制冷”“模式選擇制熱”“模式選擇通風(fēng)”“風(fēng)力調(diào)成三級(jí)”“溫度調(diào)成18度”等，再設(shè)計(jì)好識(shí)別后的語(yǔ)音應(yīng)答，如“好的，開(kāi)機(jī)”“好的，關(guān)機(jī)”“好的，調(diào)成制冷模式”等，然后更改STC11單片機(jī)中的程序，并下載到單片機(jī)中。這樣一旦用戶發(fā)出規(guī)定的語(yǔ)音口令后，聲音被模塊上的駐極體采集后，輸入到LD3320模塊，經(jīng)過(guò)STC11單片機(jī)數(shù)據(jù)處理后，獲得對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵詞，然后通過(guò)串口將要應(yīng)答的語(yǔ)音信息送給播放模塊，并同時(shí)將語(yǔ)音信息傳給汽車空調(diào)的主控單片機(jī)進(jìn)行處理。

汽車空調(diào)的主控單片機(jī)模塊采用STC公司的STC15W4K32S4單片機(jī)，其與LD3320模塊、顯示模塊的硬件電路如圖3所示。STC15W4K32S4單片機(jī)的P0口作為L(zhǎng)CD12864液晶屏的數(shù)據(jù)端，單片機(jī)的P2.0接液晶屏的C/D端，P2.1接液晶屏的RD端，P2.2接液晶屏的WR端，LCD12864采用并口數(shù)據(jù)傳送方式，液晶屏采用東芝公司的T6963C控制器，可以點(diǎn)陣方式顯示中文字符。STC15W4K32S4單片機(jī)的P1口與LD3320語(yǔ)音模塊連接，其中P1.3接LD3320的MOSI端，P1.4接LD3320的MISO端，P1.5接LD3320的SCK端，P1.6接LD3320的NSS端，P1.7接LD3320的RST端，單片機(jī)的P3.2接LD3320的IRQ端，采用外部中斷0進(jìn)行觸發(fā)。

單片機(jī)串口接收到LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊信息后，根據(jù)事先設(shè)定好的程序，通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊控制空調(diào)的開(kāi)啟、關(guān)閉、溫度調(diào)節(jié)、風(fēng)力調(diào)節(jié)、模式調(diào)節(jié)等功能，并將設(shè)定好的功能信息發(fā)送給LCD12864液晶屏實(shí)時(shí)顯示，從而實(shí)現(xiàn)汽車空調(diào)的語(yǔ)音自動(dòng)控制功能。

LCD12864液晶屏可以顯示四行，每行8個(gè)漢字，顯示界面如圖4所示。第一行顯示內(nèi)容為汽車空調(diào)開(kāi)啟關(guān)閉狀態(tài)，第二行顯示當(dāng)前汽車空調(diào)溫度數(shù)值，第三行顯示當(dāng)前汽車空調(diào)風(fēng)力值，第四行顯示當(dāng)前汽車空調(diào)的運(yùn)行模式。

3軟件設(shè)計(jì)

汽車空調(diào)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)程序主要包括主函數(shù)、串口中斷函數(shù)、液晶顯示函數(shù)等。主函數(shù)主要包含識(shí)別語(yǔ)音命令、發(fā)出執(zhí)行命令、調(diào)用液晶顯示等，其程序流程圖如圖5所示。

單片機(jī)采用串口SPI協(xié)議，與LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，功能主要為接受LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊的數(shù)據(jù)，識(shí)別數(shù)據(jù)包含的相應(yīng)功能，通過(guò)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)汽車空調(diào)模塊進(jìn)行功能執(zhí)行，并發(fā)出應(yīng)答信號(hào)提醒車主，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。串口中斷流程圖如圖6所示。

結(jié)語(yǔ)

文中提出了一種汽車空調(diào)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊和單片機(jī)技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)汽車空調(diào)的語(yǔ)音識(shí)別功能，從而解放車輛駕駛者的雙手，降低車輛駕駛者的精力分散現(xiàn)象，減小駕駛安全隱患。文中給出了汽車空調(diào)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，該系統(tǒng)能夠非常方便地通過(guò)語(yǔ)音控制汽車空調(diào)各功能的選擇，識(shí)別率較高，能滿足大部分駕駛環(huán)境下的汽車空調(diào)語(yǔ)音識(shí)別條件，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

［1］李苗，曹陽(yáng)明，崔丹丹，等．基于單片機(jī)的汽車智能語(yǔ)音車窗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．汽車電器，2021（06）．

［2］桑亞超，李龍杰，袁傳青，等．關(guān)于語(yǔ)音識(shí)別在空調(diào)上的應(yīng)用與改善［J］．日用電器，2019（07）．

［3］潘鋒．智能語(yǔ)音控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究［J］．電子設(shè)計(jì)工程，2016（22）．