全方位解析智能型家電控制

“設(shè)計以恩智浦半導(dǎo)體的LPC2478嵌入式發(fā)展系統(tǒng)結(jié)合凌陽科技的SPCE061A芯片作為家電的主／副控端及監(jiān)控系統(tǒng)界面，進(jìn)而搭配WSN通訊模組的藍(lán)牙通訊系統(tǒng)應(yīng)用在“全方位智能型家電控制”的系統(tǒng)研

前言

面對二十一世紀(jì)以人為本的科技發(fā)展趨勢，世界先進(jìn)國家紛紛積極投入智能化生活空間科技之研發(fā)，建立健康舒適的環(huán)境，提高人們的生活品質(zhì)與工作效能。本本主要探討人類在步入二十一世紀(jì)后在生活中處處引用3C概念所衍生出來一系列的議題。近幾年來，日本與韓國投注大量資源研究數(shù)字生活空間且已經(jīng)有極大成效，臺灣在遠(yuǎn)雄建設(shè)積極推動“數(shù)字城”的概念下也引發(fā)了將3C產(chǎn)品應(yīng)用在平時生活空間的研發(fā)上，其內(nèi)涵包括家庭電器的自動控制、安全系統(tǒng)自動化、門禁系統(tǒng)監(jiān)控、甚至納入個人醫(yī)療保健等議題，也提供產(chǎn)業(yè)界另一個明星產(chǎn)業(yè)發(fā)展的契機(jī)。微軟前總裁比爾·蓋茨在“擁抱未來”一書中提到“在未來的五年當(dāng)中，語音識別、社會界面和高速公路連結(jié)器，都將放入主要的應(yīng)用軟件中。到時候，不論公司或個人都會對那些可提高效率及生產(chǎn)力的新版本趨之若鶩?！边@也意味著語音識別技術(shù)是未來軟件的三個新興技術(shù)之一。

智能型生活空間已經(jīng)被列為重點(diǎn)發(fā)展科技項(xiàng)目之一，智能型生活空間是利用嵌入式系統(tǒng)結(jié)合Wireless Sensor Network（WSN）技術(shù)應(yīng)用于人類生活空間中，使生活更便利、舒適。本設(shè)計以恩智浦半導(dǎo)體（NXP）的LPC2478嵌入式發(fā)展系統(tǒng)結(jié)合凌陽科技的SPCE061A芯片作為家電的主/副控端及監(jiān)控系統(tǒng)界面，進(jìn)而搭配WSN通訊模組的藍(lán)牙通訊系統(tǒng)應(yīng)用在“全方位智能型家電控制”的系統(tǒng)研發(fā)，包括LPC2478嵌入式系統(tǒng)軟、硬件驅(qū)動程序設(shè)計、LPC2478嵌入式周邊硬件電路開發(fā)、SPCE061A芯片語音聲控、音頻壓縮編碼、API函數(shù)設(shè)定、藍(lán)牙無線UART傳輸、藍(lán)牙通訊主-從一對多通訊系統(tǒng)技術(shù)、家電受控端以單接點(diǎn)及多接點(diǎn)改良設(shè)計等。系統(tǒng)功能經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證后效果良好，確實(shí)能達(dá)到智能型家電與數(shù)字家庭控制，產(chǎn)品實(shí)用性與創(chuàng)意性極高。

產(chǎn)品設(shè)計目的

本產(chǎn)品主要是以LPC2478嵌入式研發(fā)系統(tǒng)作為核心，結(jié)合LinkMatik2.0藍(lán)牙模組構(gòu)建一套全方位數(shù)字家庭人機(jī)監(jiān)控界面，完全取代之前以PC高成本設(shè)備，并結(jié)合SPCE061A芯片與藍(lán)牙模組自行開發(fā)智能型家電控制，由于語音聲控具有直接性，將其整合于數(shù)字家庭中能夠使人機(jī)界面更具有親和力， 所以本設(shè)計的目的為下列幾點(diǎn)：

（1） 以LPC2478嵌入式研發(fā)系統(tǒng)作為監(jiān)控服務(wù)器;

（2） 以藍(lán)牙模組建立智能型系統(tǒng)的相關(guān)通訊技術(shù)研究;

（3） 以語音識別結(jié)構(gòu)與藍(lán)牙進(jìn)行LPC2478嵌入式人機(jī)界面的研究;

（4） 以LPC2478研制嵌入式語音識別及藍(lán)牙技術(shù)聲音無線感測器。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

LPC2478嵌入式全方位智能型家電人機(jī)監(jiān)控界面

現(xiàn)代人生活已邁向高科技數(shù)字空間，在家中以微控芯片設(shè)計的電器產(chǎn)品已很多，雖然有些超級豪宅已有整合性的家電控制，但一般家庭中還是只有一對一遙控的方式，現(xiàn)代嵌入式科技已成熟穩(wěn)定，市面上以嵌入式系統(tǒng)取代PC結(jié)構(gòu)產(chǎn)品很多，但極度缺乏整合型家電控制界面，本系統(tǒng)將LPC2478嵌入式系統(tǒng)結(jié)合LinkMatik2.0藍(lán)牙模組構(gòu)建數(shù)字家庭人機(jī)監(jiān)控界面，將與智能型家電達(dá)到同步監(jiān)控，并可通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)PC Anywhere軟件經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)連結(jié)LPC2478嵌入式系統(tǒng)監(jiān)控，成為一套整合型數(shù)字家庭監(jiān)控伺服中心，如圖1所示的嵌入式系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)。

本系統(tǒng)主要設(shè)計產(chǎn)品為掌上型嵌入式藍(lán)牙無線聲控遙控器，此遙控器已將多種電器產(chǎn)品作整合即可達(dá)到一對多的遙控，控制方式為觸碰式LCD面板選擇及多普通話聲控方式，可直接通過人的聲音經(jīng)由藍(lán)牙無線聲控遙控器作為室內(nèi)較遠(yuǎn)距離的聲控控制，遙控器可準(zhǔn)確辨識使用者的聲音，如果要換其它使用者操控時，只要選取重新錄制聲音鍵，就可以通過語音自動提示來完成新使用者的聲音錄制，達(dá)到不因使用者的語音信號不同卻能任何使用者都可以控制的功能。

本產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)勢在于目前市面上尚沒有以藍(lán)牙作為無線傳輸遙控界面產(chǎn)品，且不用擔(dān)心像傳統(tǒng)紅外線傳輸需要對準(zhǔn)接收端的方向，以高頻傳輸?shù)乃{(lán)牙模組來取代低頻的RF射頻，受其它頻率干擾的程度也大幅降低，由于運(yùn)作頻率高達(dá)2.4 GHz，不易造成儀器的干擾，故適合用于家庭、醫(yī)院或工廠自動化的情境，并設(shè)計家電受控結(jié)果回授機(jī)制由LCD面板顯示，隨時掌握家電即時狀態(tài)。

智能型家電受控端

智能型家電受控端可分為四大類別：

（1）區(qū)域型電燈控管系統(tǒng)（客廳、廚房、臥室）;

（2）家庭影音設(shè)備系統(tǒng)（DVD播放機(jī)、喇叭音量控制、TV/AV頻道影像切換）;

（3）周邊環(huán)境家電控制系統(tǒng)（電動窗簾、陽臺遮雨棚）;

（4） DIY智能型安全系統(tǒng)（警報觸動立即通知使用者）。

本系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示已建成模型屋，內(nèi)部架設(shè)的電器產(chǎn)品有電燈、電視、電動窗簾、DVD播放機(jī)、遮雨棚、警報系統(tǒng)，全部都以藍(lán)牙無線控制，所有家電均可以使用多功能聲控遙控器（具有自我學(xué)習(xí)功能）、戶外電話（手機(jī)、公共電話、市話），LPC-2478嵌入式人機(jī)界面以及遠(yuǎn)端網(wǎng)絡(luò)遙控。

系統(tǒng)運(yùn)作功能

本系統(tǒng)運(yùn)作功能區(qū)分為室內(nèi)與室外控制（如圖3所示），當(dāng)使用者于室內(nèi)時可選擇直接聲控、掌上型藍(lán)牙聲控?zé)o線遙控器、嵌入式監(jiān)控中心監(jiān)控，三大系統(tǒng)控制。當(dāng)使用者身處室內(nèi)空間且靠近家電時可直接呼喊家電名稱，智能型家電受控端會有語音反應(yīng)使用者欲控制家電狀態(tài);如果室內(nèi)空間較大不適宜大聲下達(dá)控制命令時，或使用者距離智能型家電距離較遠(yuǎn)時，可使用掌上型藍(lán)牙聲控?zé)o線遙控器，此遙控器又可分為LCD觸控及聲控方式以供選擇。嵌入式監(jiān)控中心控制方式與掌上型藍(lán)牙聲控?zé)o線遙控器一樣，差別在于LCD面板大小與設(shè)置地點(diǎn)，監(jiān)控中心設(shè)置于靠近門口墻面上，當(dāng)使用者回來或外出可直接在門口一次控制完畢所有家電狀態(tài)。

使用者于戶外時可選擇PC Anywhere遠(yuǎn)端監(jiān)控及電話網(wǎng)絡(luò)控制，在有網(wǎng)絡(luò)的地點(diǎn)還可直接通過有線及無線網(wǎng)絡(luò)來連接家中監(jiān)控中心，進(jìn)而操控嵌入式監(jiān)控人機(jī)界面。身處戶外又無網(wǎng)絡(luò)地點(diǎn)時，可直接使用市話或隨身手機(jī)直接撥打家中電話號碼，并選擇與家電相對應(yīng)的控制代碼操控，當(dāng)家電已完成我們預(yù)期動作狀態(tài)后，會由手機(jī)聽筒中聽到語音播報控制結(jié)果，達(dá)到準(zhǔn)確地控制家電。

系統(tǒng)功能設(shè)計

掌上型藍(lán)牙聲控?zé)o線遙控器

操作方式為直接點(diǎn)選LCD面板家電圖示及直接聲控方式操控家電，遙控器經(jīng)由藍(lán)牙傳送控制命令至家電受控端，使用者可以直接對遙控器做語音識別訓(xùn)練;系統(tǒng)通過語音提示來完成使用者的聲音錄制，并內(nèi)建普通話、閩南語、英語三種語言提示。如圖4所示為聲控家電硬件結(jié)構(gòu)圖，語音信號輸入后由SPCE061A芯片作語音識別，依辨識結(jié)果做其所對應(yīng)的控制，并且隨即播放語音，提示使用者目前控制動作的狀態(tài)，待家電的控制動作完成后，再將反應(yīng)碼經(jīng)由藍(lán)牙模組傳送至LPC2478嵌入式系統(tǒng)。

如圖5所示，LPC2478以RS232界面經(jīng)由MAX232轉(zhuǎn)換IC與藍(lán)牙模組做界面整合。如圖6所示為伺服端的界面電路圖，藍(lán)牙模組的通訊界面中有一個ESC的控制信號，用來切換模組的命令方式與數(shù)據(jù)方式，PC端通過DTR的信號控制模組的ESC pin以達(dá)到切換方式的目的。藍(lán)牙模組的ATN pin于數(shù)據(jù)方式時，為連線指示信號pin。伺服端經(jīng)由此信號的狀態(tài)判定藍(lán)牙連線是否建立。

由于系統(tǒng)大多以語音與使用者互動以提高人機(jī)界面的親和力，所以在流程中大多有語音錄制與語音識別訓(xùn)練的部份。圖7中是SPCE061A語音播放的片段程序，播放語音時必須呼叫此子程序void PlaySnd，進(jìn)入子程序后必須先停止識別器，不做語音識別動作，并且初始化SACM_S480_Initial函數(shù)，函數(shù)值若設(shè)為1是表示語音設(shè)定為自動播放，不須經(jīng)由外部觸發(fā)啟動。另外，呼叫語音播放函數(shù)SACM_S480_Play時，SndIndex為欲播放之語音所相對應(yīng)的段數(shù)，DAC_Channel為設(shè)定數(shù)字轉(zhuǎn)模擬輸出通道的參數(shù)，括號內(nèi)的值設(shè)為3是表示DAC1與DAC2兩個頻道同時播放，以達(dá)到雙聲道輸出的效果，SACM_S480_Status函數(shù)是用來判別語音是否播放完畢。

智能型家電受控端

依照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，遙控器軟件規(guī)劃分為聲控及選單式兩大類，家電受控端軟件規(guī)劃可依所控制的接點(diǎn)數(shù)分為單一接點(diǎn)與多接點(diǎn)兩大類，如圖8所示。

電話網(wǎng)絡(luò)控制

任何一部手機(jī)都可直接撥打家中電話號碼控制家電，如圖9所示為家電控制代碼，“#”為進(jìn)入電話控制系統(tǒng)，“*”為離開系統(tǒng)，其余為控制代碼。

電話控制家電系統(tǒng)實(shí)體圖以EEPROM存儲器設(shè)計存儲使用者輸入欲撥打的電話號碼，并由LCD（16×2）面板顯示，此系統(tǒng)功能有查詢目前輸入號碼、更改已輸入號碼、直接撥號及掛斷電話機(jī)制，如同一部家用電話。

DIY自動安全系統(tǒng)

DIY自動安全系統(tǒng)以磁簧開關(guān)作為感測器，使用者可自行將感測器連接至窗戶、大門上，并可通過電話控制家電及遠(yuǎn)端監(jiān)控系統(tǒng)啟動警報，當(dāng)警報觸發(fā)時系統(tǒng)會傳送觸發(fā)協(xié)定碼至電話控制家電系統(tǒng)中，并馬上撥打預(yù)設(shè)電話告知使用者竊賊入侵，圖10為警報器實(shí)體圖。

PC Anywhere遠(yuǎn)程監(jiān)控

應(yīng)用PC Anywhere軟件作為遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)控制界面如圖11所示，通過有線及無線網(wǎng)絡(luò)來連結(jié)家中伺服電腦進(jìn)而操控上圖之人機(jī)界面，使用者無論在公司上班或是在國外都可以通過網(wǎng)絡(luò)達(dá)到控制。

首先開啟家中伺服電腦的PC Anywhere軟件，選擇黃色框內(nèi)的被控端并雙擊啟動，再由遠(yuǎn)端電腦或者于有無線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域使用Notebook及PDA啟動PC Anywhere，并選擇框內(nèi)的遠(yuǎn)程遙控，輸入使用者PASSWORD即可連線成功，如圖12所示。

監(jiān)控中心界面

通過遠(yuǎn)程監(jiān)控連結(jié)LPC2478嵌入式監(jiān)控中心之人機(jī)界面控制家電，如圖13所示，直接選取下方OPEN或是CLOSE鈕來控制家電，當(dāng)家電達(dá)到使用者預(yù)想的控制狀態(tài)后，在家電受控端開關(guān)設(shè)計感測回路，并將感測到的信息回傳至監(jiān)控中心，家電受控端會自動反應(yīng)信號至人機(jī)界面，改變顯示在圓圈圖示中的顏色，可用白色圓圈代表“家電未啟動”以及“家電已關(guān)閉”的狀態(tài)，黃色圓圈代表“家電啟動中，且未完全啟動完畢”的狀態(tài)，紅色代表“家電確實(shí)啟動完畢”的狀態(tài)，顛覆傳統(tǒng)以CCD圖像監(jiān)控的高成本設(shè)計來達(dá)到家電控制的效果。

編輯：jq