摘要：以具有红外功能的空调遥控和空调主机为研究对象，针对有红外遥控的家用电器设计开发了一款语音控制的智能开关系统。利用STC11LO8XE单片机、LD3320芯片以及IR02红外学习模块等设计语音识别控制的智能开关并构建硬件电路，采用Keil5单片机开发软件环境对语音识别控制的智能开关进行C语言软件设计，使用MR-LD3320语音识别模块对MP3-TF-16P音乐模块和IR02红外学习模块进行调用，实现语音交互的智能控制效果。对软件程序烧录、测试和修正之后，连接实物并对智能开关系统做运行效果测试，结果表明该智能开关实现了红外学习、语音交互以及控制设备的各个功能，准确率高，系统接收一级指令后正确率为100%。通过修改相应的一级口令进行学习，具有红外遥控的家用电器都可以借助该开关系统实现家用电器的智能控制。

　　关键词：语音控制；STC11LO8XE单片机；LD3320芯片；智能控制

　　Abstract:Taking the remote control of air conditioner and air conditioner host with infrared function as the object,a voice control intelligent switch was designed and developed for household appliances with infrared remote control.The STC11LO8XE single-chip microcomputer,LD3320 chip and IR02 infrared learning module were used to design the intelligent switch with voice intelligent control and build the hardware circuit.Using Keil5 single-chip microcomputer development software to design the intelligent switch with voice recognition control in C language software,and using MR-LD3320 voice recognition module to call MP3-TF-16P music module and IR02 infrared learning module realized intelligent control effect of voice interaction.After burning,testing and correcting the software program,the physical object was connected,and then the operation effect of the intelligent switch system was demonstrated.The results show that the intelligent switch realizes infrared learning,voice interaction and control equipment with high accuracy.The accuracy rate of the system after receiving the first-level command is 100%.By modifying the corresponding first-level password for learning,household appliances with infrared remote control can realize intelligent control of the household appliances with the help of the switch system.

　　Key words:voice control;STC11LO8XE MUC;LD3320 chip;intelligent control

　　0引言

　　智能家电不断受到研究人员和企业的重视[1]。智能开关是必然趋势[2]，是智能家居构成的重要一环，各大厂商比较常见的智能开关都是通过蓝牙或者WiFi接入智能家居的终端，如小爱同学、天猫精灵、小度等，再进行语音控制智能开关的打开与关闭。语音控制芯片方面，LD3320语音识别模块较为受欢迎[3-4]，采用的STC11/10xx系列单片机，指令执行速度快[5]、单元模块齐全[6]；音乐模块也支持FAT16和FAT32文件系统[7]。虽然智能家居发展迅速，且生态也发展到了相当纯熟的地步，各大厂商都能够令智能家居的引入变得方便且轻松，但智能家居这一思想在实际生活中普及程度并不高，人们也在不断致力开展这方面的研究[8-12]。造成这种现象的原因是各大企业生产的智能开关都会与智能终端捆绑销售，这意味着一些老旧的、非智能的家电，尤其是由红外控制的家电，虽然包含有红外遥控发射与红外遥控接收两部分构成[13]，但是目前难以融入智能家居中；即使是能够融入，也只能完成较为单一的开与关操作。这对智能家居的推进普及并不能起促进作用。在这种情况下，独立的语音红外智能开关研制的需要就显得更为迫切。语音控制的程序开发方面可以借助Keil系列软件，它支持C语言和汇编语言开发[14]。

　　根据智能家居的思想，本文设计开发一种语音智能控制的红外发射接收开关，利用冰箱、空调、风扇的不同红外遥控频率，语音控制开关在接收到打开/关闭空调或其他电器的命令时分别发射空调或其他电器的红外遥控信号，从而实现对电器的语音智能控制。

　　1硬件模块及电路设计

　　1.1 LD3320语音识别

　　现今各种智能识别技术都可以还原为一种数学公式的计算过程。语音识别技术能够把复杂的语音信息转化为数学模型，然后令计算机进行识别。语音识别技术的基本原理方程表达如下[15]：

　　ω*=arg maxωP(W|Y)(1)

　　式中：P为一个事件发生的概率；W为语音信息文字序列；Y为语音信息的输入；P(W|Y)为在Y前提下，W事件发生的概率。

　　比较基本的语音识别过程有特征提取、模式匹配、参考模式库这3个基本内容。LD3320语音识别芯片基于自动语音识别(Automatic Speech Recognition，ASR)技术，是基于预设关键词表的非特定人语音识别技术。其通过训练得到语音字节的微小特征，得出相同语音的特定差别。再在统计的基础上得到各种语音在数学概率意义上的特征，将算法和建立的数学模型转化为特征相同的硬件上，并且应用于嵌入式系统中。在语音识别的过程中，把所获得到的语音内容转换为语音的频谱特征，然后和预设的关键词频谱进行相应对比，得出的最匹配结果即为识别的结果。

　　LD3320芯片基于ASR技术，集成了语音识别处理器与外部电路，包含且不限于麦克风、AD转换器、DA转换器、输出接口。LD3320语音识别芯片所能识别的关键词能够在软件编程中进行自定义，可支持MP3格式播放，主控微操作系统可将MP3格式的数据送入LD3320语音识别芯片，从芯片的相应管脚输出音频信息。产品设计开发时，可以从立体声道耳机和单声道喇叭获得音频输出。

　　单片机主控芯片选用STC11LO8XE单片机。STC11/10xx系列单片机是STC公司生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是具有高效、低耗、超强抗干扰特性的新一代51单片机。其指令代码完全兼容传统8051，但运算速度比传统8051单片机快8~12倍。STC11/10xx系列单片机的定时/计数器0、定时/计数器1、串口兼容传统8051单片机，并且新增了独立的波特率发生器。111条指令的执行速度，相较于传统8051单片机全面提高，最高提升至24倍，最低提高3倍以上。

　　模块的硬件电路主要包括语音识别和主控两个部分。语音识别部分为LD3320语音识别芯片，主控部分为STC10L08XE单片机。如图1所示。

　　1.2 MP3-TF-16P音乐模块

　　MP3-TF-16P音乐模块提供了串口输入输出的模块，它集成了MP3、WAV和WMA的硬解码功能，支持TF卡驱动程序、FAT16和FAT32文件系统。通过简单的串口通信，即可播放指定序号的音频文件，而无需繁琐的底层操作。

　　模块支持异步串口通信模式，通过串口接收上位机发送的命令。通过串口发送如表1格式的一串10字节16进制数，即可实现对MP3-TF-16P音乐模块的控制。

　　1.3 IR02红外学习模块

　　红外遥控发射的输入电路获得了相应的操作指令之后，由大规模集成电路进行信息编码，最后由驱动电路将编码经过红外线的二次调制之后进行发射。红外遥控接收器对红外发射器所发射的红外遥控信号执行解调操作。

　　IRO2模块是一个通用的红外遥控学习模块，支持学习普通NEC编码的红外遥控，然后根据指令重新发送学习到的代码，将遥控复制或集成到智能设备中。它有多种控制模式，串口简码或485MODBUS，可提供给上位机软件进行开发。可以通过配套的上位机，进行红外编码的学习与管理。

　　串口控制设备的串口数据类型支持2种通信协议，由IRO2模块的CFG引脚决定。MODBUS协议：采用标准的工业控制MODBUS-RTU协议，方便直接应用到工业领域。简码通信协议：55 AA 03 01 03通信协议比较简单，带有校验位，简单可靠，适合单片机控制。这种通讯也是该芯片在本文的项目中所用的唯一通信方式。

　　1.4开关系统的硬件设计

　　系统硬件设计原理如图1所示。对所有模块进行5 V电源上拉与接地。MD-LD3320模块的RXD接口与MP3-TF-16P音乐模块和IR02红外学习模块的TXD端口连接，MD-LD3320模块的TXD接口与MP3-TF-16P音乐模块和IR02红外学习模块的RXD端口连接。MP3-TF-16P音乐模块的SPK1端口接小喇叭的负极，SPK2端口接小喇叭的正极。

　　根据硬件系统的模块连接原理图进行实物模块的连接，连接实物如图2所示。

　　2开关系统的软件设计

　　2.1程序设计

　　本文采用的Keil版本为Keil5。其功能完整，包含了主包与大量的工具包，可先安装主包再根据需要安装工具包。

　　在基本的硬件电路设计完毕后，需要对该系统进行软件设计，该系统的软件设计主要包括两个部分，即LD3320语音识别模块中STC11LO8XE单片机的程序设计，以及IR02红外模块的键值学习。模块间采用串口进行通信，所以程序主要为主函数调用字节发送子函数，进行串口信息的发送，实现语音控制功能。

　　该系统的软件设计思路如图3所示。以LD3320模块为信息输入端，LD3320语音识别芯片对信息进行判断。STC11LO8XE单片机根据所获得的，由LD3320芯片处理过的输入信号，输出两串不同的串行数据，分别控制MP3-TF-16P音乐模块和IR02红外学习模块，进行语音反馈和发射对应的红外开关信号。

　　本文的开关系统测试对象是空调。因此，预期主要实现的功能：系统根据不特定人的语音指令，如打开电视、关闭电视、打开空调、关闭空调、空调温度设定等，进行相应的操作。并且在操作完成的同时予以语音反馈，使用户能够得知，所需求的指令已经完成。

　　本文用到的LD3320语音控制模块为MR-LD3320，其有两种语音触发方式。采用的触发方式：用户需要说出预设的一级口令(MR-LD3320一级口令设置为“小kun”)，在MR-LD3320捕捉到一级口令“小kun”后，就会处于待机状态，这个时候只要用户再说出命令，MR-LD3320模块就会作出响应。这种触发方式较为常用，误触发概率小，响应精准。因此，为了实现语音控制，空调的口令触发为：一级口令为“小kun”，二级口令有：“打开空调”、“关闭空调”、“多少度(以具体的温度值进行语音发射和接收)”“开灯”、“关灯”、“打开电视”、“关闭电视”、“打开冰箱”、“关闭冰箱”、“全部打开”、“全部关闭”。当说出相应的口令时，经过LD3320芯片处理后，STC11LO8XE单片机就会在串口打印出预设的答复语句。打印的语句的实现方式为循环调用字节输出子函数。

　　对于音乐模块，本文为空调预设了一些类似如表2所示的口令答复语句，在空调接收到语音触发信号时做相应的应答。

　　2.2红外键值学习

　　在进行IR02红外学习模块的调用前，需要IR02红外学习模块学习需要模拟的红外信号。将IR02红外学习模块连接TTL转USB口，并接入电脑。根据IR02红外学习模块所配套的学习程序指示，进行键值的学习。点击“学习”按钮，指示LED灯亮起，如图4所示，然后将所需要的红外线对准IR02红外学习模块发射，学习完毕，指示LED灯熄灭，红外键值学习完毕。

　　另外，为了能够使该语音控制红外遥控系统能够更方便地使用更多的功能，而不需要在电脑操作系统上进行编程更改。因此，本文也为该智能开关系统设计程序，使其能够直接通过语音控制进行功能学习的操作位。当喊出“学习操作一”指令后，调用红外键值学习函数，此时IR02红外学习模块进入键值学习模式，且将键值存放于键值0x0C(也是该函数的实参，可自定义)中。学习完毕后，当用户喊出“执行操作一”口令后，调用红外发射函数，将先前所学习的“操作一”红外信号进行发射，然后回复语音“已经完成操作”。

　　使用时只需要喊出二级口令“执行操作一/二/三/四/五”即可实现智能开关通过语音智能地控制对应的家用电器。

　　3系统运行实验与结果

　　如图5所示，使用系统对设备进行控制。受控端(测试设备是具有红外遥控功能的空调。按照预期，设置和修改一级、二级口令，使用其他红外遥控设备一样有效。)的执行结果如表3所示，测试项目有：打开/关闭空调、调整空调至23/24/25/26/27/28℃、打开制冷/抽湿/通风。空调端效果如图6所示(因为打开制冷/抽湿/通风，3种操作在空调屏显上无特殊显示，故不做展示说明)。

　　作为一个语音识别系统，语音识别的响应情况是衡量该系统稳定性，可靠性的重要指标。为此需要对系统进行响应测试。测试的内容包括喊话系统响应情况、系统响应后语音反馈的正误情况、系统反馈后的操作执行情况。结果如表4所示。

　　从测试的结果可得到如下结论。

　　(1)从喊话系统响应情况进行分析，唤醒该系统的第一级口令会存在喊话不呼应的情况，发生的概率约在17%，造成这个这种现象的原因：第一级的口令较短，系统能捕捉的特征较少，可以通过一级口令修改为“小kun小kun”口令增加口令长度改善。而第二种口令在实验中没有出现过不响应的情况，因为这若干个二级口令较为相似，所以系统即使出现误判，也不会出现不响应的情况。

　　(2)系统正确响应后，操作出现错误在的情况实验中没有发生过，正确率达到100%，换言之，只要系统响应正确，那么该系统操作红外家电几乎不会出现失误。

　　因此，在环境较为安静，喊话距离适中的情况下，该系统具有很高的响应准确度和正确操作率。

　　4结束语

　　站在智能家居普及层面来看，一款能够解决具有红外遥控的旧家电的语音控制、能够兼容红外遥控家电的智能开关，对智能家居的普及推进具有积极作用。本文以此为背景，研究设计了一款语音控制家用电器的红外智能开关，该系统能捕捉人说出的语句，并且根据预设语句的内容，进行相应的语音反馈和红外信号发射，达到语音控制红外家电开关的效果。具有高度的自定义上限，用户能根据自己的需求，进行语句的预设，进行红外键值的学习与模拟发射。以空调为测试对象，经过测试，本系统能够准确控制家用电器

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