基于Arduino的语音智能照明识别系统设计与实现外文翻译资料

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基于Arduino的语音智能照明识别系统设计与实现

摘　要

Arduino是一个用于电子开发的硬件和软件平台的互动产品。基于Arduino单片机的语音识别系统配置构建智能照明系统实现家居照明，可以根据人声指令自动调节灯光亮度，根据环境温度调整灯光颜色。在日常生活中，这样的智能照明系统可以使人们的生活更加舒适，并能有效地实现照明节能。

关键词：Arduino，单片机，智能照明，语音识别

第1章 简介

以电子系统为核心的家居系统是未来智能的发展趋势家。本文介绍了一种基于Arduino语音识别的智能照明控制系统。建立语音识别智能灯光控制系统，硬件为关键和基础，它直接影响到整个系统的稳定性、控制和反馈准确，节能，智能家电通过电子处理技术，集成或控制家用电子电器产品让家居生活更舒适、安全、有效。与普通家电相比，智能家电不仅具备传统家电功能，还可以从被动变被动基于人的声音主动识别语音执行的智能工具的结构指挥，优化人们的生活方式^[1]，帮助人们有效地安排时间，提升安全舒适的居家生活。目前国内灯光控制主要采用传统按键控制。在灯光昏暗的情况下，用户难以方便控制，碰撞经常发生。设计一个基于语音识别的照明控制系统，可以识别用户的声音并根据用户的要求控制照明。它可以提高用户居住的智能化和舒适性，并具有良好的实用性^[2]。

第2章 语音识别智能照明控制系统的需求

目前常见的灯光控制系统是传统的按键控制系统。当用户需要开灯或关灯，需要手动触摸开关按钮。因此，在夜间，当用户需要开灯时，经常会发生碰撞。这样的传统照明控制系统不方便。随着生活水平的不断提高居民标准，传统照明控制已不能满足人们对品质的需求的生活。智能控制采用先进的计算机技术和嵌入式设备来控制家中的照明设备，为人们提供安全和舒适、宜人的高品位家庭生活^[3]。现有的照明控制系统主要采用光敏传感器测量外部灯，然后自动控制照明。这些控件都设置好了，可能不方便用户需要其他控制。本文设计了一种照明控制系统采用语音识别技术，实现灯光的智能控制。用户可以控制根据自己的要求通过语音“开灯”和“关灯”进行照明^[4]。语言是人们常用的语言，是最方便的交流方式。将语音识别技术应用到灯光控制中，可以降低操作的复杂度，增加操作的便利性^[5]。

第3章 语音识别智能灯光控制系统设计

语音识别智能照明控制系统的硬件部分主要包括Arduino控制器、传感系统、无线控制系统、语音播报部分和液晶展示。Arduino是比较流行的电子交互产品开发平台。该平台由硬件和软件组成。硬件和软件都是开源的。任何人都可以在 Arduino 的官方网站上获得最新的 PCB 设计。在软件方面，Arduino有自己的IDE软件开发环境，采用类C 的高级开发语言，并有大量库函数支持，大大简化程序开发。鉴于 Arduino 开发平台的诸多优势，本文基于Arduino微控制器，在一些创新方面有很多优势特殊功能设计^[6]。

3.1 系统基本原理

语音识别实际上是一种模式识别。计算机首先预置输入语音信号的前端信号。数字化和去噪后，特征提取对输入的语音信号进行建立所需的模型库。在实际识别部分，计算机仍然执行相同的预置和特征提取过程在测试语音信号上。提取对应特征后，与语音进行对比根据建立的语音模板库中的信息，判断是否匹配到已建立的判别系统，并识别相应的结果输出匹配。

3.2 语音识别系统在照明中的应用

家庭照明系统的语音识别由语音采集设备和控制中心。与智能电视和空调不同，家庭照明系统需要有线连接，但语音输入法是一样的。同样可以通过远程设备或内置实现麦克风和其他语言获取设备，但由于使用了大部分照明系统内置麦克风用于语音信号采集，室内环境嘈杂。这需要更深层次的降噪。和家用空调一样，家用照明系统还有未连接到网络的设备。因此，语音信号的识别必须也可以在本地进行。这也可以通过建立词库来实现，并且建立词库比家用空调要简单得多。最后，已建立的词库存储在控制中心的内存中，家庭的智能可以实现。

3.3 Arduino控制器介绍

Arduino 是一个开源 MCU 电子设计平台。硬件部分由AVR微控制器、I/O接口及相关电路。软件部分包括一个标准程序编译器和程序下载器。它使用类似的 Java 和 C 开发语言处理/接线。周围环境。与传统MCU相比，Arduino的特点包括免费的开源 ID 和开源硬件（包括原理图和 PCB 图）。所有资源均可免费下载，并可按需修改，方便传感器和各种类型。连接的电子元件的种类。

第4章 基于Arduino语音识别的智能灯光控制系统设计

本系统主控制器采用ArduinoMega2560。 ArduinoMega2560是核心带USB接口的电路板，核心是ATmega2560单片机，有54位数字输入/输出端口（16路可作为PWM输出），16路模拟输入，4路UART接口，一个16MHz晶振、一个USB接口、一个电源插座、一个ICSP接头和一个复位按钮。控制板通过标准USB线连接到电脑，方便在线调试。

4.1 无线语音模块

无线语音采用YSV0.7模块，核心为LD3320语音识别专用芯片。该模块将 LD3320 芯片与必要的周围电阻元件集成在一个印刷电路板。 LD3320的芯片管脚通过2times;20排针引出，方便快速开发面包板上的 LD3320 芯片或标准 DIP40 插座。模块主控MCU是一个51核微控制器STC90LE52。电源设计采用LM1117-3.3芯片提供LD3320为 3.3V。将主控MCU的引脚连接到LD3320模块的引脚，并向LD3320模块提供晶振（4MHz~48MHz）晶振信号。写一个程序在主控MCU识别LD3320。

4.2 无线通讯模块

目前国内已经使用的Arduino模块有Falcom的A2D系列，Wavecome的WMO2系列、西门子的MC39i系列、爱立信的DM10/DM20系列、ZXGM18系列。这些模块在功能和用途上差别不大。这种无线通讯控制部分采用MC39i模块，MC39i是新一代双频无铅产品西门子推出的GSM/GPRS通讯模块。 其简单的包装是理想的解决方案用于许多应用系统中的无线高速数据传输，并且可以对数据进行处理。语音、短信和传真应用，以及低功耗，为用户提供始终在线、通过独特的 40 针连接器实现高速、更简单的移动数据通信访问方式（ZIF）实现电源连接指令、数据、语音信号和双向传输控制信号。 是具有电话报警功能的监控系统。 系统使用网络远程控制房子。当系统检测到屋内有无线语音时，通讯模块可用于控制照明灯具。

图 1 Arduino 控制器配置文件

4.3 无线控制部分

系统的 Arduino 协调节点和终端节点均使用 TI 的 CC2530美国。该芯片是 IEEE 802 协议的片上系统解决方案。内部集成了增强型 8051 内核、256K 可编程存储器、8K RAM、8 至 14 位 A/D转换器、4 个定时器/计数器、2 个支持多种串行通信协议的强大US，以及性能卓越的射频收发器、看门狗定时器等。硬件支持CSMA/CA协议，减少发送数据时的错误。同时，它还支持精确数字化接收信号强度指示器 (RSSI)/链路质量指示器 (LQI)，使可编程输出功率高达4.5，使单片机数据传输无需功放可达70至100m。芯片的MAC固化在收发器中。 MAC层和PHY层是集成的。2.4GHz ISM频段，无需申请，成本低，成本低功耗，由3.3V电源供电。

4.4 语音控制技术的设计与实现

语音控制技术是系统的主要控制技术之一。当用户语音控制智能照明系统，系统识别用户语音指令通过语音识别。当与模块的pre-teen指令匹配成功时，控制命令用于消息。队列被发送到设备控制线程。本节将专注于语音识别模块的设计和实现。

4.4.1 语音识别系统主程序

Arduino语音识别芯片可以工作在触发识别模式或循环识别通过软件编程模式。触发方式是指Arduino芯片启动接收到主动触发信号后进行识别工作，如用户主动触发通过外部按钮或其他方式。虽然触发方式可以减少干扰将外界无关语音对识别过程的影响，提高系统的正确性语音识别，每次语音识别都需要用户提供主动触发信号，操作繁琐。

4.4.2 语音识别系统硬件设计

Arduino芯片由IC Route Corporation设计生产，用于语音认出。Arduino使用快速稳定的优化算法完成非特定人语音识别，即没有音调限制。通过软件编程，一个语音模板库可动态建库，支持50个候选识别项，可满足智能照明系统的各种场景切换和控制。请求。而且，用户无需事先培训，识别准确率高达95%。除此之外芯片还集成了多条外围电路，包括高精度A/D和D/A通道，音频输入和输出接口。Arduino的效率在于它不需要外部RAM、Flash等辅助芯片，实现稳定准确的语音识别。

4.4.3 芯片内部逻辑及部分管脚说明

1) 工作电压。VDD为3.3V，芯片管脚输入电压范围：高电平（“1”）为2.3V3.3V，低电平（“0”）为0 1V。

2) 时钟。芯片需要提供外部时钟。时钟频率范围为 448MHz。在内部 PLL 之后，可以生成每个模块的指定频率。

3) 重置。使用复位时，必须在输入电压稳定的情况下进行。复位信号返回芯片恢复到初始状态并重置每个寄存器。复位后进入休眠状态并唤醒该芯片通过片选信号。

4) 并行接口。使用并行通信方式时，需要使用8个数据线(P0-P7)和4个控制信号 (WRB*, RDB*, CS*, A0) 和一个中断返回信号INT。

5) 串行接口。使用串行通信时，只需要四个芯片引脚：片选(SCS*)、SPI时钟 (SDCK)、SPI输入(SDI)和SPI输出(SDO)。将MD连接到高电平并SPIS* 接地以选择SPI通信模式。

6) 寄存器。寄存器的地址空间为8位，可能的值是00H到FFH。这芯片的操作是通过读写寄存器来实现的。

图 2 语音识别系统硬件示意图

4.5 语音识别模块软件设计

语音识别程序使用密码模式，用户必须先说出密码才能启动语音识别程序。使用密码模式可以大大减少模块由环境噪声引起的误识别。Arduino语音识别系统写关键字识别列表，然后Arduino语音识别系统开始循环识别语音信号。 Arduino语音识别系统首先将采集到的语音信号与预设触发密码，比赛结束后开始计时，继续收集语音信号，在指定时间内收集语音。发出信号后，将继续匹配关键字列表中的密码，如果匹配结果符合预设密码，则识别结果将传送到微控制器，微控制器将执行无线传输程序将密码发送到控制节点。如果不匹配，它将

放弃当前收集结果，重新获取触发密码。

本系统语音识别的工作流程是初始化、添加识别列表、启动识别，并获得识别结果。这些任务是通过阅读和写作来完成的对应的寄存器。具体识别过程如下：

(1) 初始化。根据数据手册，初始化相应的寄存器。

(2) 增加识别列表。每个标识条目对应一个 1 字节的特定编号，不同的标识条目可以使用相同的编号。数字可以不连续，但编号必须在 00H~FFH 之间。每个标识项都是普通话小写拼音，每个2个拼音用空格隔开。 Arduino系统可以支持50个识别项，这可以通过操作相应的寄存器来添加标识条目。语音识别模块添加以下标识条目，对应编号为 00H~06H。

(3) 开始识别。通过设置几个相关的寄存器，可以控制Arduino系统开始语音识别。并打开中断使能位，等待中断发生。

(4) 得到识别结果。如果麦克风采集到声音，就会产生中断信号不管识别结果如何。中断程序需要获取分析结果基于寄存器的值。寄存器 BA 存储候选答案的数量，以及寄存器 C5 存储匹配分数最高的答案。可以得到识别结果通过读取寄存器 C5 的值。语音控制主程序Arduino系统语音识别芯片可通过软件工作在触发识别模式或循环识别模式编程。触发工作模式是指Arduino系统芯片启动接收到主动触发信号后进行识别工作，如用户主动触发通过外部按钮或其他方式。虽然触发方式可以减少干扰将外界无关语音对识别过程的影响，提高系统的正确性语音识别，每次语音识别都需要用户提供主动触发信号，操作繁琐。为了提高语音控制的便利性智能照明系统，语音识别系统采用循环运行方式。什么时候识别芯片无语音输入指令或语音指令后无匹配结果识别，识别过程结束后直接开始下一个识别过程；如果语音输入指令与模块的青春期指令匹配成功，根据匹配结果执行相应的处理。然后开始下一段演讲识别过程。本方案语音控制方式的实现是由主控软件系统中的语音控制线程。

4.6 控制节点软件设计

在控制节点，Arduino系统首先由单片机初始化为接收模式，然后等待语音识别模块发出的控制信号。 Arduino系统之后接收到无线信号，发送给单片机，单片机对信号进行处理，如对于来自语音识别模块的开关灯指令，控制继电器执行相应的拉入或突破动作，否则丢弃当前信号，从而实现声控灯光系统的实现。

4.7 识别系统

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