基于语音识别的智能台灯系统

王丰杰，贺丽丽，武 忠

(运城学院 物理与电子工程系，山西 运城 044000)

引言

随着社会的进步，人们开始追求更高的生活质量。夜晚或较暗的工作室里，光源都是人们生活的必需品。光源主要依赖电能，由于人们离开后忘记关灯而导致电力资源浪费不计其数[1]。另外，黑暗环境手动触摸开关也潜藏危险。智能语音灯的设计具有重要的现实意义。本文根据所处环境不同和所需光源的不同，设计了包含不同亮度的光源，如白光、柔光、彩光等，且可以实现人走灯灭的功能，达到人性化、智能化控制的目的[2]。

1. 系统总体构架

本文所设计的智能台灯系统具有语音控制和人体感应的功能。为了满足不同人群的需求，设置了四个系统，每个系统独立设置开关以方便测试。系统一为最主要的模式，通过红外感应的结果决定是否开启语音识别。当感应不到人的时候，会关闭语音识别，从而避免了由语音误判导致的一定程度上的电力资源的浪费。系统二完全使用语音控制，语音模块始终开启，一旦开启总开关，系统始终接收语音控制指令。系统三仅仅使用人体感应模块控制，感应周围是否有人，如果有人亮灯，没人关灯。系统四通过硬件控制灯的亮灭，简单方便，用来检测灯光系统是否有故障[3]。

语音模块包含了语音识别芯片LD3320和语音主控芯片STC11，人体红外感应模块使用了HC-SR501模块。这样设置的目的是为了降低功耗，将主控芯片加到语音模块里，使用人体感应模块控制其工作状态[2]。考虑到人体感应模块的输出电压不足以驱动语音模块，添加继电器模块控制语音模块。在灯光方面，设置了不同模式以适应不同的需求。当然，由于每个模块所需电压不同，需要一个电源模块给各个模块提供相应的电压[4]。

2. 系统硬件设计

本文设计的语音控制智能台灯系统由语音识别模块、人体感应模块、电源模块、继电器模块和总灯系统组成。总体硬件设计框图如图1所示。

图1 设计框图

2.1 语音识别模块

语音识别模块由语音识别芯片LD3320以及总控单片机STC11组成，LD332X芯片是ICRoute公司设计生产的“语音识别”专用芯片。该芯片集成了语音识别处理器和一些外部电路，包括AD、DA转换器、麦克风接口、声音输出接口等。不需要外接任何的辅助芯片如Flash、RAM等，直接集成在现有的产品中实现语音识别/声控/人机对话功能[5]。本设计使用的模块集主控与语音识别于一体，语音采集与单片机控制都同时实现，使用更方便，而且用户可以自由定义词段，性价比高[6]。图2是语音识别模块的原理图。

图2 语音识别模块原理图

2.2 人体感应模块

人体感应模块采用了HC-SR501，该模块基于红外线技术进行自动控制,采用LH1778探头设计,具有如下特点：灵敏度高、可靠性强和超低工作电压。工作电压DC5～20 V；静态功耗65 μA；电平输出高3.3 V，低0 V；延时时间可调(0.3～18 s)；封锁时间0.2 s；触发方式：L不可重复，H可重复，默认值为H；感应范围小于120°锥角，7 m以内；工作温度-15～70 ℃；PCB外形尺寸32 mmx24 mm，螺丝孔距28 mm，螺丝孔径2 mm，感应透镜尺寸直径23 mm(默认)[2]。图3为HC-SR501的原理图。

图3 HC-SR501原理图

2.3 继电器模块

继电器模块起到开关的作用，由前文可知，需要使用人体感应模块来控制语音识别模块的通断[7]，但是语音识别模块的供电电压为5 V，人体感应模块的输出电压只有3.3 V，并不足以驱动语音识别模块。采用升压电路抬高人体感应模块的输出电压或者用继电器进行间接的控制。考虑到多模块设计，对于语音识别模块必须提供一个独立的电源供电，如果使用升压电路还要再加一个电源供电会使设计更复杂。所以在这里还是选择继电器模块，其电路原理图如图4所示。

图4 继电器模块原理图

2.4 电源模块

电源模块为其余各模块供电，其中语音识别模块与人体感应模块需要5 V的供电电压，使用的LED灯珠需要3.3 V的供电电压，继电器模块需要至少9 V的供电电压。基于以上的需求，使用了一个11.7 V的可充电电源和两个分别为5 V输出、3.3 V输出的稳压模块来实现多电压供电。图5是电源模块的框图。

图5 电源模块框图

3. 系统软件设计

本设计的目标是在有人的情况下，通过语音控制灯光模式，台灯接收到不同的语音指令后做出对应的变化。为了减少语音识别模块由于误判开灯而造成的能量损耗，对指令设置了优先级，开灯与关灯是两个优先级别最高的指令，下面称为一级指令。对于光线的选择是为二级指令，要等开灯指令发出之后再进行。无论目前在进行或者将要进行什么指令，如果接收到关灯的指令，系统则会立即关灯[8]。在此之前通过人体感应模块判断是否要开启语音模块，以达到降低功耗的目的。图6是系统流程图，由人体感应模块提供是否有人的信息，当接收到有人的信号时打开语音识别模块，及时接受语音信号，此时语音识别系统会一直对外部的信号进行处理，如果没有接收到一级指令，语音识别模块就不会进行下一步的二级指令的接收，一旦语音识别模块识别到了一级指令，就会进一步判断二级指令，接收到有效词后执行相应的操作，控制灯光的变化。目前设计了四种不同的模式，当系统识别到一级指令后，会默认打开模式一，此时如果发出二级指令，系统就会做出相应的改变，在灯光已经打开的时候不需要再输入一级指令就可以调节不同的模式。在系统接收到关灯的指令时，会立即将灯光关闭，此时再要打开灯光时就需要再次输入一级指令，并且此时的模式会默认为上一次关灯时的模式[9]。

图6 系统流程图

如图6所示，目前设置了四个模式。模式一就是正常的日光灯，用来一般照明；模式二是护眼模式，如果使用者将要进行一些用眼工作如看书、写字等，这个模式可以很好地缓解用眼疲劳；模式三是彩灯模式，在这个模式下，会有多种颜色的彩灯闪烁照明，适用于娱乐休闲的环境当中，有助于营造氛围；模式四采用了番茄工作法模式，这个模式由使用者自定义灯光类型与照明时长，应用也很广泛，比如晚上睡不着怕黑，需要开灯，但是如果睡着之前忘记关灯则会造成不必要的浪费，就可以使用这个模式，设定关灯时间，到点自动关灯，同时还可以起到定时工作提醒的作用，缓解用眼疲劳[10]。

4. 结束语

本文采用HC-SR501芯片对人体进行感应，在有人的情况下启动LD3320完成语音识别，在限定环境下给予系统指定的口令，通过STC11单片机控制不同照明模式的启动与关闭，很大程度上的满足人们对灯光的需求，并且在一定程度上让人们更加方便快捷的调节需要的灯光。本设计功能多样，控制便捷，而且在没有人的情况下会强制关灯，节约能源，可充电电池的使用延长了使用寿命。实验证明，本设计可以满足语音对台灯的控制，并且有多种模式来满足人们对灯光照明的需求，但是对关键词的语音识别还存在一定的误判，有待改进。