宗和剛，沈唯羽，安美惠，王 偉，趙頻嫣，張永懿

（華能瀾滄江水電股份有限公司烏弄龍·里底水電廠，云南 迪慶 674606）

0 引言

隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化產(chǎn)品在日常生活中得到越來越廣泛的應(yīng)用。比如：智能家居、智能音樂播放器、智能電視、智能玩具等等，都是生活中比較常見的智能化產(chǎn)品[1]。而這些智能化產(chǎn)品有一個(gè)共同特點(diǎn)就是都能通過智能語音系統(tǒng)進(jìn)行交互[2]。構(gòu)成智能語音系統(tǒng)的主要元件是語音芯片，由于語音芯片市場(chǎng)需求的不斷擴(kuò)大，應(yīng)用場(chǎng)景的不斷擴(kuò)充，帶來了AI語音芯片的快速發(fā)展[3]。

1 設(shè)計(jì)背景

在電力行業(yè)中，為了預(yù)防觸電，對(duì)帶電盤柜的檢修，安全措施一般都是需要將柜內(nèi)的電源斷開，包括柜內(nèi)照明電路的電源。此時(shí)，盤柜內(nèi)的亮度不夠，檢修人員在柜內(nèi)作業(yè)極其不便，還有可能導(dǎo)致誤碰、誤操作與檢修無關(guān)的設(shè)備，后果不堪設(shè)想。

為了解決這個(gè)問題，目前常用的有兩種方式，第一種是使用便攜手電筒，一個(gè)人打光，一個(gè)人檢修，需要至少兩人配合工作；第二種方式是在檢修人員的安全帽上安裝一個(gè)頭燈，檢修人員檢修時(shí)，需要先手動(dòng)按下頭燈按鈕打開頭燈，當(dāng)需要改變亮度時(shí)，還要用手去按動(dòng)頭燈上的按鈕進(jìn)行調(diào)整，使用完頭燈之后，需要手動(dòng)按下頭燈上的按鈕關(guān)閉頭燈，這個(gè)過程都需要手動(dòng)操作，有些時(shí)候兩只手都在檢修設(shè)備，就需要停下手中的工作去開關(guān)和調(diào)整頭燈，極不方便。

鑒于此計(jì)劃設(shè)計(jì)一款便攜式的智能小燈，小燈通過智能語音芯片進(jìn)行控制，工作人員通過簡(jiǎn)單的指令（比如：開燈、關(guān)燈、變暗一點(diǎn)、變亮一點(diǎn)）來控制小燈的開關(guān)和亮度，解放雙手，給檢修工作的安全性和方便性帶來保障。

2 設(shè)計(jì)原理

檢修小燈的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由3部分組成：①電源電路；②語音采集電路；③LED顯示電路。電源電路為語音采集電路及檢修小燈供電，語音采集電路根據(jù)采集到的語音指令，驅(qū)動(dòng)LED顯示電路進(jìn)行開關(guān)操作和亮度調(diào)整。

圖1 檢修小燈電路結(jié)構(gòu)圖

2.1 電源電路

電源電路負(fù)責(zé)為檢修小燈提供穩(wěn)定可靠的電力支持。一般可采用鋰電池或可充電電池作為電源，通過電源管理電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電壓的監(jiān)測(cè)和管理，以確保電源的穩(wěn)定供應(yīng)。

本次設(shè)計(jì)主要使用的是SY3501芯片，它是一款專為移動(dòng)電源設(shè)計(jì)的單芯片IC解決方案，是高度集成了充電管理模塊、LED電量顯示模塊、同步升壓放電管理模塊的移動(dòng)電源管理芯片，極大的簡(jiǎn)化了外圍電路與元器件數(shù)量。針對(duì)大容量單芯或多芯并聯(lián)鋰電池(鋰離子或鋰聚合物) 的移動(dòng)電源應(yīng)用，提供最簡(jiǎn)單易用的低成本解決方案。適用于低功耗項(xiàng)目供電，體積小巧布局緊湊，可以很容易地嵌入設(shè)計(jì)中。電源電路又可以細(xì)分為4個(gè)模塊，如圖2所示：①外部供電模塊；②鋰電池充放電模塊；③LED電量指示模塊；④同步升壓放電管理模塊。

圖2 電源電路原理圖

（1）外部電源模塊：它包含型號(hào)為TypeC-6P的元件USB1，電阻R1和電容C2，USB1的引腳1和6是接地端，短接在一起，引腳2和5短接后串聯(lián)電阻R1和電容C2后返回引腳1，引腳3和4懸空不接，外部供電時(shí)通過引腳5和1進(jìn)行輸入，然后輸出給移動(dòng)電源芯片SY3501供電。

（2）鋰電池充放電模塊：它包括型號(hào)為單節(jié)18650電池座的元件U3和電容C4；電池的正極出來，接電容C4，最后接地；正常使用的時(shí)候，在電池座內(nèi)安裝上鋰電池，安裝時(shí)要特別注意電池的正負(fù)極，接反了可能會(huì)損壞元器件。

（3）LED電量指示模塊：這里設(shè)置了兩只LED燈，一只綠燈，一只紅燈。LED_R是紅燈，和U2的引腳5連接，LED_G是綠燈，和U2的引腳6連接。綠燈閃爍代表正在充電；綠燈常亮代表充電完成；紅燈常亮代表正在放電；紅燈閃爍代表電量不足。

（4）同步升壓放電管理模塊：它包括型號(hào)為SY3501的移動(dòng)電源芯片U2，電阻R2，電容C3和電感L1。U2的引腳1出來分兩路，一路串聯(lián)電阻R2和電容C3后接地；一路串聯(lián)電感L1后接到單節(jié)18650電池座的正極；鋰電池采用單節(jié)18650電池進(jìn)行供電，單節(jié)電池容量高達(dá)1 500 mA·h，可供燈珠長(zhǎng)時(shí)間使用。U2的引腳2為接地端與USB1的引腳1相連，引腳3接單節(jié)18650電池座的正極，引腳4與USB1的引腳5相連，當(dāng)外部電源通過USB1輸入時(shí)，U2也就得電了。U2的引腳5和引腳6分別接到LED電量指示模塊的LED_R端和LED_G端，U2的引腳7懸空不接，U2的引腳8為同步升壓輸出端，輸出+5 V的電壓，給語音采集電路供電。

2.2 語音采集電路

語音采集電路是實(shí)現(xiàn)語音指令控制的核心部分。該電路需要一個(gè)麥克風(fēng)用于接收用戶的語音指令，并將語音信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。接著，數(shù)字信號(hào)會(huì)經(jīng)過信號(hào)處理模塊，進(jìn)行特征提取和語音識(shí)別，識(shí)別出用戶的指令。最后，根據(jù)識(shí)別結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，以控制小燈的開關(guān)和亮度。

語音采集電路原理如圖3所示，采用宏芯達(dá)型號(hào)為HXD016S的語音控制芯片U1，它支持多條語音指令，包括但不限于：調(diào)亮一點(diǎn)、亮一點(diǎn)、調(diào)暗一點(diǎn)，暗一點(diǎn)、開燈、打開電燈、回來了、關(guān)燈、關(guān)閉電燈、睡覺了、出去了等。它的外圍電路包括元件：電容C5、C6、C7、電阻R4、開關(guān)KEY1以及駐極體話筒U6。U1的引腳1/5/6/7/8/11/12/16是懸空的，引腳2出來分兩路，一路通過電阻R4與開關(guān)KEY1相連，最后接到電源芯片U2的引腳8，由引腳8向外提供+5 V電源，另一路，通過電容C7之后接到GND端，U1的引腳3通過電容C6之后接到GND端，U1的引腳4接到LED顯示電路的B端，U1的引腳9和10分別接到LED顯示電路的G端和R端，U1的引腳13串聯(lián)駐極體話筒U6然后接到GND端，U1的引腳14直接接到GND端，U1的引腳15通過串聯(lián)C5之后接到GND端?？刂芁ED顯示電路時(shí)，在18650電池座內(nèi)安裝上電池，打開開關(guān)KEY1給語音控制芯片U1供電，然后，對(duì)著駐極體話筒U6說話，即可控制LED顯示的亮度以及LED的開關(guān)。

圖3 語音采集電路

2.3 LED顯示電路

LED顯示電路負(fù)責(zé)控制LED燈的亮度和開關(guān)狀態(tài)。通過控制LED的電流大小，可以實(shí)現(xiàn)LED的亮度調(diào)節(jié)。而通過控制LED的開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)燈的開啟和關(guān)閉。

LED顯示電路如圖4所示，主要包括5個(gè)LED燈：LED3、LED4、LED5、LED6、LED7和一個(gè)串聯(lián)電阻R3。LED燈源采用的是高亮白色5050貼片LED燈，該光強(qiáng)可以達(dá)到5 500-6 000 Mcd（純白光，暖光的稍微小一點(diǎn)），工作電壓和普通的LED一樣，只需要3.2~3.4 V，電流也一樣，為60 mA。每個(gè)LED燈的R端和R端相連之后接到語音控制芯片U1的引腳10，G端和G端相連之后接到語音控制芯片U1的引腳9，B端和B端相連之后接到語音控制芯片U1的引腳4。LED3～LED7的陰極全部連接在一起，然后通過電阻R3接到GND端。

3 性能評(píng)估

對(duì)該檢修小燈的性能進(jìn)行評(píng)估。這個(gè)小燈的最大創(chuàng)新點(diǎn)在于采用了語音控制技術(shù)，可以通過簡(jiǎn)單的語音指令來控制燈的開關(guān)和亮度。這種技術(shù)需要使用語音識(shí)別和語音合成技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)自然語言的語音交互[4]。另外，小燈采用了LED燈作為光源，具有低功耗、長(zhǎng)壽命、高亮度等特點(diǎn)，可以提供明亮的照明效果。此外，還采用了PWM技術(shù)控制LED的亮度，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的亮度調(diào)節(jié)。

整個(gè)電路采用了數(shù)字集成電路和模擬集成電路相結(jié)合的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準(zhǔn)確的語音識(shí)別和語音合成，同時(shí)還能夠保證電路的穩(wěn)定性和可靠性。

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，證實(shí)了語音指令控制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。用戶可以通過簡(jiǎn)單的語音指令，靈活地控制小燈的開關(guān)和亮度，實(shí)現(xiàn)了雙手的解放。同時(shí)，該智能小燈的電源管理模塊能夠有效延長(zhǎng)電池的使用壽命，提高產(chǎn)品的續(xù)航時(shí)間?；谡Z音指令控制的智能小燈為檢修工作提供了一種全新的解決方案，不僅提高了工作效率，還提升了工作的安全性。該技術(shù)還具有廣泛的應(yīng)用前景，在戶外探險(xiǎn)、露營等場(chǎng)景中也能發(fā)揮重要作用。

4 結(jié)語

本文成功設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于語音指令控制的智能小燈，通過簡(jiǎn)單的語音指令可以實(shí)現(xiàn)燈的開關(guān)和亮度調(diào)節(jié)。該智能小燈的設(shè)計(jì)為檢修工作帶來了便捷和安全性，也展示了語音識(shí)別技術(shù)在智能化產(chǎn)品中的巨大潛力。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于語音指令的智能產(chǎn)品將在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。