基于语音识别的智能晾衣系统设计

2021-05-20李素梅侯秀丽

科学技术创新 2021年12期

李素梅侯秀丽

（安徽商贸职业技术学院信息与人工智能学院，安徽芜湖241002）

1 概述

晾衣系统是居家生活必不可少的一个用品。目前，人们使用的晾衣系统部分还是手动操作，费时费力。市场上有能够遥控操作的智能晾衣架，但成本比纯手动晾衣架高。近年来，对智能晾衣系统的研究有很多。陈玉青等[1]设计了可以定时晾晒的智能系统；傅麟杰等[2]将MCU 控制与蓝牙、GSM 通信结合，提出了网络化控制的智能系统。本文将MCU 控制与语言识别技术结合，提出具有语言识别能力的智能化晾衣系统。

2 晾衣系统

本晾衣系统的电路部分主要有单片机最小系统、数据采集、人机交互、电机驱动、直流电源五部分构成，系统的电路框图如图1 所示。数据采集部分负责实时采集环境参数中的温度、湿度、光照强度,并将数据传输给单片机最小系统。单片机最小系统负责处理数据，输出驱动信号，驱动步进电机正传或者反转，完成衣架伸缩。人机交互部分有2 个独立按键，用于手动操控晾衣系统。语音识别是在人机交互式中增加的一个模式，用于更便捷的人为干预系统。

图1 系统电路框图

2.1 单片机最小系统

本设计使用STC11 和22.1184M 石英晶振外部振荡电路、复位电路构成最小系统，作为系统的主控部分，其电路如图2 所示。STC11 单片机是低功耗的新一代8051 单片机，指令代码完全兼容传统的8051，但速度快十倍左右。

2.2 数据采集

数据采集包括温湿度采集、光照强度采集电、雨滴采集，使用了温湿度一体化数字传感器、光敏电阻、雨滴传感器。

温湿度采集利用DHT11 实时采集温湿度数据，并单总线传输给单片机。采用单线制串行接口，只需加适当的上拉电阻，信号传输距离可达20 米以上。

图2 STC11LX08XE 单片机最小系统

光照强度采集使用体积小、反应速度快、安全性能高、寿命长的光敏电阻5506，其暗电阻为0.2 兆欧，亮电阻为2-5 千欧。当光照强度大于一定数值时，电路输出高电平，否则输出低电平，且灵敏度可调。

雨滴传感器采用高品质FR-04 双面材料，5.0*4.0CM 的超大面积,表面使用镀镍处理的感应板。具有抗氧化、导电性及寿命方面更优越的性能。当感应板没有雨滴时，电路输出高电平，否则输出低电平，灵敏度可调。

2.3 人机交互

人机交互包括独立按键电路和语音识别两个部分，其中独立按键部分设置了3 个按键，2 个按键分别用于收衣、晾衣人工操作，第三个按键用于打开语音识别。

语音识别电路[3]由语音识别芯片LD3320 和外围一些元件构成，用于接收语音指令，其电路如图3 所示。LD3320 是一款基于SI-ASR 技术的语音识别芯片，集成了一系列与其功能相关的外部电路，只需外接少量元件，就可实现语音识别，语音识别的准确率高达95%。

2.4 电机驱动

图3 LD3320 语音识别电路

系统使用1 个减速直流电机[4]作为动力源，控制衣架伸缩，衣架伸缩停止控制使用两个限位开关。由于单片机输出的脉冲信号功率太小，不足以直接驱动电机，所以这里选用L298N 电机驱动模块。L298N 具有驱动能力强，发热量低，抗干扰能力强等特点，使用续流保护二极管、大容量滤波电容可提高其可靠性。该驱动芯片可以驱动2 路直流电机，其电路如图4 所示。IN1和IN2 的逻辑组合控制电机的正转和反转，ENA、ENB 接PWM信号可以调节电机转动速度。

图4 L298N 直流电机驱动电路

2.5 直流电源

系统各部分对电源需求如下：STC11LX08XE 需要5V 供电，各传感器使用5V 供电，直流电机需要12V 供电，语音芯片需要3.3V 供电。电源模块使用变压器，桥式整流、电容滤波输出12V直流电压，再使用集成稳压得到5V 和3.3V 的直流电。

3 系统软件设计

本设计的目的是在有人晾晒的情况下，通过语音控制晾衣架。在晾衣架系统接收到不同语音指令后能做出对应动作。为了减少语音识别模块的能量损耗，特设置一个按键用于打开语音识别。本系统的指令比较简单，只需设置“打开晾衣架”和“关闭晾衣架”两条指令。整个系统的工作模式分为自动和人机交互两种工作模式，而人机交互工作模式下包含手动和语音。系统在完成初始化后，首先检测语音识别是否开，如果语音打开，便进入语音交互工作模式，否则进入手动交互工作模式；而在系统初始化后，没有检测到按键输入信号，那么系统会进入自动工作模式，在该工作模式下，系统会依次判断传感器采集到的数据是否合适，然后完成晾衣架的自动伸缩。系统流程图如图5 所示。