基于單片機(jī)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

　　1 引言

　　隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對(duì)居住環(huán)境方便快捷的要求越來(lái)越高，智能家居系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。智能家居是現(xiàn)代電子技術(shù)、通訊技術(shù)及自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)家電設(shè)備的自動(dòng)控制和管理、對(duì)家庭的安全進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)警，能夠?yàn)橛脩籼峁┌踩孢m、高效便利的生活環(huán)境。本文結(jié)合語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，利用SPCE061A 豐富的語(yǔ)音處理功能，在已有的電力線和電話線的基礎(chǔ)上， 設(shè)計(jì)了一套智能家居系統(tǒng)， 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能完善并且具有較高的性價(jià)比。

　　2 系統(tǒng)架構(gòu)

　　系統(tǒng)主要由主控制器、分控制器（89C51）、電話接口和電力線載波通信等幾部分組成。本系統(tǒng)使用了大量的硬件電路來(lái)完成部分功能模塊，其目的就是充分利用硬件電路的可靠性和穩(wěn)定性以使系統(tǒng)達(dá)到較高的性能。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

　　本系統(tǒng)主要完成遠(yuǎn)程控制家用電器和自動(dòng)報(bào)警兩個(gè)功能， 下面我們簡(jiǎn)要介紹一下系統(tǒng)的工作過(guò)程：

　　當(dāng)用戶通過(guò)遠(yuǎn)方任何一部電話撥打家中的電話時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到電話線上出現(xiàn)的振鈴信號(hào)并開(kāi)始計(jì)數(shù)。如果五次振鈴無(wú)人接聽(tīng)， 主控制器則發(fā)出摘機(jī)信號(hào)， 實(shí)現(xiàn)模擬摘機(jī)，并播放語(yǔ)音提示。用戶根據(jù)語(yǔ)音提示輸入密碼，DTMF 電路將接收到的DTMF 信號(hào)進(jìn)行解碼，并將解碼后的數(shù)字信號(hào)送入CPU 驗(yàn)證密碼是否正確， 三次輸入密碼錯(cuò)誤則系統(tǒng)自動(dòng)掛機(jī)。如果密碼正確，則進(jìn)一步提示用戶輸入控制命令，這時(shí)用戶可以通過(guò)按鍵或者直接用口令對(duì)家用電器進(jìn)行控制。

　　如果采用口令來(lái)控制，則口令經(jīng)電話線，以及電話接口的語(yǔ)音通道進(jìn)入，SPCE061A 單片機(jī)則將采集到的話音與預(yù)先存儲(chǔ)的模板進(jìn)行比較，進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別并判斷出用戶的指令，然后發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)?？刂菩盘?hào)被送入電力線調(diào)制解調(diào)器調(diào)制后，通過(guò)電力線接口電路耦合到電力線上進(jìn)行傳輸，控制信息也就以廣播形式發(fā)送出去。

　　由電力線傳送的被調(diào)制信號(hào)由分控制器系統(tǒng)的電力線接口電路接收并被送入ST7537 進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)后的信號(hào)被送入分控制器。每個(gè)分控制器都有自己的固定地址，分控器讀取解碼后的地址信息，并判斷與自己的固有地址是否一致，若一致則接收數(shù)據(jù)信息并執(zhí)行相應(yīng)的操作，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)相應(yīng)家電的控制。操作完成后，分控制器向主控制器發(fā)回確認(rèn)信息，再由主控制器控制語(yǔ)音提示電路發(fā)出操作完成或失敗的語(yǔ)音提示，通知電話遙控者。

　　如果采用按鍵控制，用戶發(fā)出的按鍵信號(hào)（DTMF）經(jīng)解碼后送入CPU，CPU 接收到信號(hào)后從中分析出地址信息和控制信息并發(fā)出控制信號(hào)?？刂菩盘?hào)經(jīng)ST7537 調(diào)制后通過(guò)電力線傳輸?shù)椒挚刂破鳎煞挚刂破鲌?zhí)行相應(yīng)的操作。

　　當(dāng)傳感器檢測(cè)到警情時(shí)， 就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)， 分控制器接收到報(bào)警信號(hào)， 則將報(bào)警信號(hào)耦合到電力線上。

　　中心控制器接收到報(bào)警信號(hào)后則自動(dòng)撥打用戶預(yù)先設(shè)置的電話號(hào)碼， 電話接通后延遲兩秒， 系統(tǒng)自動(dòng)播放語(yǔ)音報(bào)警信息。

　　3 SPCE061A 芯片特性簡(jiǎn)介

　　SPCE061A 是一款基于μ ‘nSP 內(nèi)核的16 位單片機(jī)，其芯片特性如下：

　　1.工作電壓：內(nèi)核工作電壓VDD 為3.0-3.6V（CPU），I/O 口工作電壓VDDH 為2.4～5.5V（I/O）；2. CPU 時(shí)鐘：0.32MHz～49.152MHz;3. 內(nèi)置 2K 字SRAM 和32K 閃存ROM;4. 系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下（時(shí)鐘處于停止?fàn)顟B(tài)），耗電小于2 μ A@3.6V;5 。 具備觸鍵喚醒的功能；6 。 3 2 位通用可編程輸入/ 輸出端口；7 。 2 個(gè)1 6 位可編程定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器（ 可自動(dòng)預(yù)置初始計(jì)數(shù)值） ;8. 7 通道10 位電壓模- 數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和單通道聲音模- 數(shù)轉(zhuǎn)換器；9. 2 個(gè)10 位DAC（數(shù)- 模轉(zhuǎn)換）輸出通道；10.14 個(gè)中斷源可來(lái)自定時(shí)器A/B，時(shí)基，2 個(gè)外部時(shí)鐘源輸入， 鍵喚醒；1 1. 具備串行設(shè)備接口；12. 低電壓復(fù)位（LVR）功能和低電壓監(jiān)測(cè)（LVD）功能；13. 內(nèi)置在線仿真（ICE，In-Circuit Emulator）接口。

　　SPCE061A 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

　　4 語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)簡(jiǎn)介

　　語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)就是一種讓機(jī)器通過(guò)識(shí)別和理解過(guò)程把語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的文本或命令的技術(shù)。機(jī)器對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行識(shí)別、處理的過(guò)程與人對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行識(shí)別、處理的過(guò)程基本上是一致的。目前主流的語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)是基于統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別的基本理論。一個(gè)完整的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)可大致分為語(yǔ)音特征提取、聲學(xué)模型與模式匹配（識(shí)別算法）和語(yǔ)義理解三部分。其基本原理如下圖所示。

　　從圖中我們可以看出語(yǔ)音識(shí)別一般分為兩個(gè)步驟：

　　第一步是系統(tǒng)“學(xué)習(xí)”或“訓(xùn)練”階段，這一個(gè)階段的任務(wù)是建立識(shí)別基本單元的聲學(xué)模型以及進(jìn)行文法分析的語(yǔ)言模型， 即構(gòu)建參考模式庫(kù)。第二步是“識(shí)別”或“測(cè)試”階段，根據(jù)識(shí)別系統(tǒng)的類(lèi)型選擇能夠滿足要求的識(shí)別方法，采用語(yǔ)音分析方法分析出這種識(shí)別方法所要求的語(yǔ)音特征參數(shù)，按照一定的準(zhǔn)則和測(cè)度與參考模式庫(kù)中的模型進(jìn)行比較， 通過(guò)判決得出結(jié)果。

　　在本應(yīng)用中，語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)方面采用凌陽(yáng)SPCE061A作為關(guān)鍵器件，同時(shí)凌陽(yáng)公司提供bsrv222SDL.lib 庫(kù)函數(shù)支持，在使用時(shí)通過(guò)調(diào)用庫(kù)函數(shù)里相關(guān)的API 函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)所要求的功能。

　　5 主要硬件模塊設(shè)計(jì)

　　下面主要對(duì)主控制器和語(yǔ)音提示電路作介紹。

　　5.1 主控制器

　　系統(tǒng)主控制器主要由MIC 輸入模塊、控制模塊、存儲(chǔ)模塊、功放和喇叭輸出模塊四部分組成，其結(jié)構(gòu)如下。

　?。?） 控制單元與語(yǔ)音識(shí)別：由SPCE061A 單片機(jī)完成。

　?。?） MIC 輸入模塊：SPCE061A 的A/D 轉(zhuǎn)換器有8個(gè)通道，其中有一個(gè)通道是MIC_IN 輸入，專(zhuān)門(mén)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采樣。選用駐極體話筒，其偏壓由SPCE061A 的VMIC 腳提供。該模塊電路比較簡(jiǎn)單，只需外接三個(gè)電阻和電容對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行濾波就可以了。

　?。?） 功放和喇叭輸出模塊：SPCE061A 提供雙通道10 位的D/A 輸出AUD1、AUD2，每個(gè)通道的輸出能力是30mA。為了能驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器放音，我們將輸出電路設(shè)計(jì)為由負(fù)載電阻和三極管8050 組成的功放電路。

　　（4） 存儲(chǔ)模塊：由于芯片內(nèi)置的存儲(chǔ)空間有限，為了運(yùn)行復(fù)雜的識(shí)別程序，必須通過(guò)擴(kuò)展必要的存儲(chǔ)芯片來(lái)完成系統(tǒng)的功能。在本系統(tǒng)中我們采用SPBA01B 和W29C040 來(lái)對(duì)SPCE061A 進(jìn)行Memory 擴(kuò)展。

　　5.2 語(yǔ)音提示單元

　　本系統(tǒng)主要由語(yǔ)音識(shí)別電路和語(yǔ)音提示電路來(lái)完成人機(jī)交互，其中語(yǔ)音提示電路的電路原理圖如圖4 所示。

　　圖4 語(yǔ)音提示電路

　　數(shù)碼語(yǔ)音芯片選用的是單片語(yǔ)音錄放集成電路ISD25120，它具有抗斷電、音質(zhì)好、使用方便、無(wú)需專(zhuān)用的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。錄音時(shí)間為120s，能重復(fù)錄放達(dá)10 萬(wàn)次。芯片采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)專(zhuān)利技術(shù)，省去了A/D、D/A 轉(zhuǎn)換器。每個(gè)采樣值直接存儲(chǔ)在片內(nèi)單個(gè)存儲(chǔ)單元中， 因此能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語(yǔ)音、音樂(lè)、音調(diào)和效果聲。

　　SPCE061A的IOA11~IOA15 與ISD25120 的地址線相連，用以設(shè)置語(yǔ)音段的起始地址。IOB11 和IOB13 用以控制錄放音狀態(tài)。IOB12 連接一按鍵，供錄放音測(cè)試時(shí)使用。ANA IN 與ANA OUT 是模擬信號(hào)的輸入端和輸出端，它們之間連接耦合電容，通常取值為0.22~1uF。

　　語(yǔ)音信號(hào)由SP+ 和SP- 端經(jīng)耦合器耦合到電話線或由揚(yáng)聲器直接播放。錄音時(shí)，單片機(jī)通過(guò)口線設(shè)置語(yǔ)音段的起始地址，再使端PD 端和P/ R 端和CE 為低電平啟動(dòng)錄音。結(jié)束時(shí)，單片機(jī)又讓CE 端回到高電平，即完成一段語(yǔ)音的錄制。放音時(shí)，根據(jù)需要播放的語(yǔ)音內(nèi)容，找到相應(yīng)的語(yǔ)音段起始地址，并通過(guò)口線送出。再將P/ R端設(shè)為高電平， PD 端設(shè)為低電平，并讓CE 端產(chǎn)生一負(fù)脈沖啟動(dòng)放音，這時(shí)單片機(jī)只需等待ISD25120 的信息結(jié)束信號(hào)，即低電平EOM 的產(chǎn)生。結(jié)束信號(hào)為一負(fù)脈沖，在負(fù)脈沖的上升沿， 標(biāo)志著該段語(yǔ)音播放結(jié)束。

　　6 軟件設(shè)計(jì)

　　6.1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

　　軟件的設(shè)計(jì)不僅要考慮到各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)的功能，而且要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行有效的管理和協(xié)調(diào)。在此基礎(chǔ)之上，才能夠從整個(gè)系統(tǒng)的角度全面完善地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需要的各項(xiàng)功能。本系統(tǒng)的軟件主要包括一個(gè)主程序和四個(gè)子程序， 其總體結(jié)構(gòu)如下圖所示。

　　主程序主要負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)控制器的工作進(jìn)行管理、協(xié)調(diào)和對(duì)子程序的調(diào)用以及對(duì)用戶的各種服務(wù)的響應(yīng)。

　　四個(gè)子程序分別是語(yǔ)音識(shí)別、DTMF 收發(fā)、語(yǔ)音錄放、信號(hào)音檢測(cè)四個(gè)子程序。限于篇幅，下面只對(duì)語(yǔ)音識(shí)別子程序的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

　　6.2 語(yǔ)音識(shí)別子程序設(shè)計(jì)

　　語(yǔ)音識(shí)別程序設(shè)計(jì)包括三部分： 訓(xùn)練樣本； 識(shí)別； 語(yǔ)音提示。

　　訓(xùn)練過(guò)程即提取語(yǔ)音樣本的特征參數(shù)過(guò)程主要調(diào)用庫(kù)函數(shù)BSR_Train 完成。為了防止誤命令，每條語(yǔ)音命令訓(xùn)練2 遍，只有2 次命令相同時(shí)才成功，BSR_Train函數(shù)有8 種可能的返回值， 如： 0 - 訓(xùn)練成功； - 1 - 沒(méi)有語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)方面有bsrv222SDL.lib 庫(kù)函數(shù)支持，在使用時(shí)通過(guò)調(diào)用庫(kù)函數(shù)里相關(guān)的API 函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)所要求的功能。下面給出語(yǔ)音識(shí)別的流程圖及具體代碼。

　　圖7 語(yǔ)音識(shí)別流程圖

　　其中，BSR-GetResult 函數(shù)為啟動(dòng)辯識(shí)，當(dāng)無(wú)命令識(shí)別出來(lái)時(shí)，返回0;識(shí)別器停止、未初始化或識(shí)別未激活返回-1 ;當(dāng)識(shí)別不合格時(shí)返回-2 ;當(dāng)識(shí)別出來(lái)時(shí)返回命令的序號(hào)。部分程序源代碼如下：

　　7 結(jié)語(yǔ)

　　本系統(tǒng)主要有以下性能特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音控制家用電器的啟動(dòng)和關(guān)閉；實(shí)現(xiàn)雙向的功能：能夠遠(yuǎn)距離控制家用電器，又能快速及時(shí)地傳送報(bào)警信息；設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)組織靈活，控制范圍可大可小，利用已有電力線和電話布置設(shè)施成本低，且不受供電范圍和距離的限制；使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別控制功能，提高了系統(tǒng)的性價(jià)比。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)物質(zhì)文化需求的日益增長(zhǎng)，智能家居系統(tǒng)必將受到人們的青睞，相信這種功能強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)會(huì)有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。