基于LD3320语音识别和NRF2401无线通信的家居节能照明开关

北京联合大学 李晓晗 李 峰 高鹏宇 逯瑜娇 张翠霞

基于LD3320语音识别和NRF2401无线通信的家居节能照明开关

北京联合大学 李晓晗 李 峰 高鹏宇 逯瑜娇 张翠霞

在未来家居生活中，节能环保、智能可控制的家居开关将担负着重要的角色，语音识别及自动控制也是未来对信息识别处理的发展方向。本项目将LD3320语音识别模块、NRF2401无线模块、光照红外传感器连接到嵌入式开发板STM32F103，传感器采集到室内光照强度和人体信号后通过NRF2401无线模块发送到控制器，控制器直接控制家庭中的照明灯，并在需要人为干预控制时使用LD3320语音识别模块将语音指令通过无线发送到控制器，控制器根据接收到的指令控制照明灯，实现节能环保、智能方便的家居照明开关控制。

语音识别；传感器；开发板；控制器

1.简要介绍

1.1 研究意义

语音识别就是计算机通过识别把语音信号转变为相应文本的技术，是人工智能控制和机器语言学习应用的一个重要方向，并发展成为一个具有前景广阔、应用广泛的新兴高技术产业。

本系统研究开发的是一个既能自主控制调节、又能人为控制且能通过2.4G无线方式通讯的智能家居照明节能开关。当有人进入房间时，传感器能检测到有人进入房间，然后打开照明灯开关，并且能够根据室内光照强度来调节其照明灯亮度；而当人们离开时又能够自动关闭照明灯。当人们在室内活动时，也可以根据人们自己的意愿，通过语音识别无线遥控器控制调节照明灯开关及照明灯亮度。

1.2 研究的主要内容

当热释电红外传感器系统检测到人后接通开关，整个系统被激活，电流通过光敏传感器，光敏传感器感受到不同强的的光照后生成电信号传到单片机，单片机接收电信号并处理，最后控制照明灯点亮并调整亮度。在整个系统被激活后，语音识别模块开始工作。给予语音模块特定的声音指令后，语音模块将声音转化成特定指令，并通过2.4G无线通信网络传输给执行指令模块，如照明灯的开关和亮度调节、插排的开关和窗帘的开关。由于2.4G无线通信网络全球通用，为避免信号干扰，需把无线通讯模块NRF2401设置同一个ID地址。通过特定指令如“小杰”启动语音识别模块的识别功能，然后待法令人说出具体指令让语音识别模块进行识别。

1.3 设计创新点

①自动控制。节能照明开关能够在人们进入房间时，传感器能识别到人们进入房间并开始采集室内环境亮度信息，然后自动开启照明灯并调节其亮度，使室内环境亮度符合人们的需求；同时在人们离开房间时，照明灯会自动关闭，达到节能环保的目的。

②人为可干预控制。在人们进入房间时，节能照明开关会自动开启照明灯并调节其亮度，如果人们感觉亮度不能满足需求，可以通过语音控制调整是否开启照明灯和调节其亮度。

③无线传输信号。传感器与控制器之间、语音识别模块与控制器之间均使用了2.4G无线通信NRF2401模块，不仅减少了室内的布线带来的不安全与不方便，而且还使得传感器模块与语音识别模块可以移动，方便人们根据自己的习惯调节位置

1.4 应用前景预测

本系统开发的可语音控制的无线家居节能照明开关可以被广泛用于智能家居系统，实现了人们对家居照明环境的无线自动控制和人为控制两种模式控制要求，给有残障人士的家庭带去了福音。可以将该系统加入互联网，通过手机终端app来实现对家具电器的远程控制，该app也可记录用户的使用习惯，智能调控家具电器，实现互联网家具智能系统的搭建。

此外，本系统开发的产品也可用于高校实验室，用于通信课程及智能硬件等相关课程的实验教学，并进行二次研发，进一步拓宽该项目的应用范围。

2.元器件简介与设计

2.1 传感器

光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。最简单的光敏传感器是光敏电阻，其特点：①应用时反向偏置连接；②没光照射，呈现极高阻值；③有光照射时，电阻减小；④可作光控开关。光敏传感器模块工作电压为+5V，具有数字量电平信号和模拟量电平信号输出，在使用过程中，可以根据需要，选择数字量电平信号或模拟量电平信号。光敏传感器中最简单的电子器件是光敏电阻，它能感应光线的明暗变化，输出微弱的电信号，通过简单电子线路放大处理，可以控制LED灯具的自动开关。因此在自动控制、家用电器中得到广泛的应用，对于远程的照明灯具，例如：在电视机中作亮度自动调节，照相机种作自动曝光；另外，在路灯、航标等自动控制电路、卷带自停装置及防盗报警装置中等。

同理，人体红外传感器也是这个原理，只不过输出的不再是模拟量，而是数字量，当检测到室内有人时为高电平，反之则为低电平。本项目应用光敏传感器和人体红外传感器如下图2.1、图2.2所示。

图2.1 光敏传感器

图2.2 人体红外传感器

2.2 语音模块简介及设计

语音识别过程中需要解决这样几个关键性问题：①非特定人语音识别；②抗环境噪声能力；③连续语音识别；④语音间的高混淆。本项目中的语音识别就是要能对家庭中每个人的语音指令进行识别，且对外界环境噪声干扰有一定的抵抗力，不能受其影响而错误识别并执行。

2．2．1 无线通讯模块NRF2401

该模块提供了系统的驱动程序文件nRF2401.c和配置文件nRF2401.h，包括模块的初始化、配置、数据发送、数据接收等函数。无线通讯模块NRF2401在使用其发送或接收数据前，都需要对其进行“接收”“发送”模式选择和初始化，而一旦选择了模式并初始化后，在系统中就只能进行接收或发送工作，单工模式工作，不能实现模块间相互交流。为了使其为半双工模式工作，我们采取了在主函数内进行模式选择与初始化，这样在接收到数据后就将模块初始化为发送模式，这样就能够实现半双工模式工作，也能够使得各模块之间都能进行数据交流。无线通讯模块NRF2401硬件示意图如下图2.3所示，本项目所采用的无线通讯模块NFR2401如下图2.4所示。

图2.3 硬件模块示意图

图2.4 无线通讯模块NFR2401

2．2．2 LD3320语音识别模块

语音识别ASR技术，是基于关键词语列表识别的技术，只需要设定好要识别的关键词语列表，并把这些关键词语以字符的形式传送到LD3320内部，就可以对用户说出的关键词语进行识别，不需要用户做其他录音训练。每次识别的过程，就是用户说出的语音内容，通过频谱转换为语音特征，再和这个关键词语列表中的条目进行一一匹配，最优匹配的一条将作为识别结果。本项目采用的LD3320语音识别模块如图2.5所示。

图2.5 语音识别模块

3.系统主要流程

3.1 各分立模块的工作流程

①光敏电阻：随着光照强度的改变光敏电阻阻值发生变化，当通过恒定电流时，输出电压会随着阻值变化而线性变化，即输出电压随环境光照强度变化而线性变化，通过ADC采集电压值即可得知相对环境亮度，进而控制智能灯亮度；

②人体红外传感器：人体红外传感器对人体识别输出为数字量，即输出值只有通和断（0和1），可以近似看做开关，在程序启动时即检测环境人体红外信号，当有人通过是会输出1，无人时为0；

③无线通信模块：NRF2401无线通信模块，主要运用2.4G开放频段通信，模块为半双工模式，可以满足模块之间的相互通信；

④语音识别模块：语音识别是基于ASR技术的非特定人语音识别，语音识别模块我们选用的是LD3320芯片，程序框图如图3.1所示。

图3.1 遥控器程序框图

3.2 中央控制器的工作流程

中央控制器选用的模块为STM32F103单片机，能够实现快速采集传感器变化并计算出控制输出量实现对被控对象的控制，在控制器部分主要是实现对被控对象控制，首先对环境进行监测并自动调整只能LED的开关和亮度，然后接受语音识别遥控器发送的语音指令信号，当接收的相应的语音指令后执行相关动作，实现语音控制与自动控制双控制的目的。主要的系统程序框图如图3.2所示：

图3.2 系统程序框图

4.系统后期待完善及开发价值

本系统较简单的添加了人体感应、光照、窗帘的开关以及开关插排的相关设计，通过人为与自动相结合，能够较好的完成预期的效果。在红外感应监测方面，可能会出现感应不敏感，这与选择的传感器以及环境的影响有一定关系。随着智能家居的迅猛发展，越来越多的家居开始引进智能化系统和设备。智能化系统涵盖的内容也从单纯的方式向多种方式相结合的方向发展。但较之于欧美发达国家，我国的我国智能家居系统起步稍晚，所以市场主流的产品（系统）还无法很好地解决产品本身与市场需求的矛盾，使得智能家居市场的僵冰还没有被完全打破，所以很大程度上阻碍了智能家居产业的发展。在如今家居智能发展前景如此好的情况下，就我们这个项目来说，还好很多可以继续开发添加的物理量，如温度、警报系统等。其实我们家中的能耗主要分为三个方面：一是照明，二是制冷或是制热，三是一向不被重视的待机能耗。一般的家庭，灯具往往都是满负荷运转，只要一开灯，就会按照电压所对应的功率在运转。通过传感器实时监测室内的亮度，即可配合自然光照调整灯具的功率，自然起到节能的效果。在实际生活中，加上互联网的广泛普及，完全可以应用到家中的电器设备中，添加语音模块，方便开启和关闭，充分体现了当今社会对于高科技和便捷的追求。不仅如此，比如家庭影音系统、制冷或供暖的空调系统，都是可以在我们这个简单的家居照明系统上进行添加和完善的。在21世纪智能是一个非常火热的词语，随着移动互联网的强势崛起，21世纪以后所有的产品都要和智能联系到一起，否则都不好意思出现在用户面前。然后事实却是大部分打着智能旗号的产品都是一个幌子而已，根本都不能实现用户所想所需的智能体验。特别是在智能家居领域，很多时候并不是说能够进行简单的智能控制就是智能家居了。我们所需要的智能应该是一种切实解决我们的实际需求并且使用方便快捷的人性化体验，因此，判断到底智能不智能，只有通过自己的实际体验才能知道，没有体验过的智能家居很难让用户产生信任。用户在选择智能装修的时候，一定要去其体验中心实地考察体验，只有适合自己的才是好产品。在残疾人、老人家里安装上烟感、火灾隐情报警系统都是非常人性化的设计，我们觉得作为未来的科技研发者，应该多从特殊群体的角度去设计，考虑安全、实用、便捷等多方面因素。

鸣谢：该项目的研究成果基于北京联合大学“启明星”大学生科技创新项目经费资助，项目编号201611417030。

指导教师：张翠霞（通讯作者）。