徐莹，孙春志，吴晨光

(商丘师范学院 物理与电气信息学院，河南 商丘 476000)



基于LD3320的智能家居一体化声控系统的设计

徐莹，孙春志，吴晨光

(商丘师范学院 物理与电气信息学院，河南 商丘 476000)

摘要：智能家居一体化声控设备系统主要采用51单片机和射频卡技术，使用语言及可编程定时控制等多种功能和手段，将音频设备、照明系统、窗帘控制与语音声控模块完美的结合在一起，来实现刷卡开门、刷卡供电、照明控制、窗帘控制等等一些基本的家庭生活操作.当住户使用匹配正确的磁卡刷卡入门时，房门打开并且自动供电，住户使用正确的语音指令，即可声控操作使照明系统、窗帘控制和音乐播放系统，使用本智能家居一体化声控设备可以使家庭生活更加安全、节能、智能、便利和舒适.

关键词：51单片机；射频卡技术；语音声控模块；

0引言

科学技术的不断发展和单片机知识的普及推动了新型智能化系列产品的迅速发展.智能家居以住宅为平台，并结合计算机技术、综合布线技术、自动控制技术等，将与家居生活有关的各个子系统有机的结合到一起，用各种方法和设备实现家居生活的智能化、自动化，从而构建出高效的住宅设施与家庭事务的管理系统，让家居生活更加安全、舒适与便捷.

声控是指通过人的声音来实现设备的控制，当设备接收到人类的声音后可以将语音里的词语转换成计算机能够识别的输入语句，从而接受指令并实现声音控制设备的功能.

随着社会的进步和经济的增长，人们的物质文化追求目标越来越高，智能家居系列产品必定会融入人们的生活.目前人们广泛使用的普通家居功能较为单一且安全系数不高，已经不能满足人们的居住需求.而现如今已经研发出来的智能家居产品也由于高成本而未能得以广泛应用.所以低成本高成效的智能家居产品的研发具有广阔的空间.

针对以上特点提出了智能家居一体化声控设备，该设备具有较高灵敏度，使用时技术要求低，适用于家家户户，具有很好的推广性.

1整体方案的设计

本装置在建立房屋模型的基础上，采用电源模块，将AC220V交流家庭用电转换成为DC5V、DC12V电压，并分别供给单片机最小系统、继电器、和电子门锁等.然后将DC5V电压转换成DC3.3V供给射频卡模块使用.51单片机连接射频卡模块RFIDRC522以及电子锁，构成了门锁系统，通过RFIDRC522模块对不同IC射频卡的识别来判断刷卡人是否为家庭成员并作出相应的反应.当IC卡被识别为家庭卡后，家庭内电源电路和语音模块电路的电源开关将会被打开.语音模块由STC11L08XE单片机与LD3320声音识别芯片构成，与继电器、蜂鸣器及电机驱动板等构成语音控制电路，实现对门锁、灯光及窗帘开关的控制.其原理框图如图1所示

图1　整体方案设计原理

当刷卡时，蜂鸣器响一下，如卡权限获得允许，显示模块显示“welcome”，同时继电器动作将门锁打开，指示灯点亮，延时一段时间后继电器再次动作将门锁锁闭，指示灯熄灭.当按下出门按钮时，继电器动作将门锁打开，指示灯点亮，延时一段时间后继电器再次动作将门锁锁闭，指示灯熄灭.此外，程序中还增加了射频卡权限判断的功能，当遇到合法卡时显示卡号，门锁打开，当遇到非法卡时不显示卡号门锁不开.本系统设计简单、性能优良，具有一定的实用性.

2模块电路的设计

2.1电源电路

作为智能化设备，本设备首先具有低功耗的特点，设备电子锁采用DC12V供电，RFID射频卡模块部分采用DC3.3V供电，由于MCU电源电路需要高稳定、抗干扰的电源，所以采用模块化电源供电，这使得电源电路非常稳定，这为智能化家居的稳定性打下了基础.电源电路作为本设备的核心电路，DC5VMCU电源电路采用7805作为稳压芯片.7805三端稳压IC内部电路具有过压保护、过流保护、过热保护功能，这使它的性能很稳定.能够实现1A以上的输出电流.器件具有良好的温度系数，因此产品的应用范围很广泛.可以运用本地调节来消除噪声影响，解决了与单点调节相关的分散问题，输出电压误差精度分为±3%和±5%.DC5V电源电路如图2所示：

图2　电源电路设计原理

2.2射频卡模块

本装置的门禁系统采用STC89C52单片机作为控制核心，外围包括蜂鸣器控制电路、开门指示灯电路、电控锁控制电路以及LCD液晶显示电路等.门禁系统主要由CPU、工作指示电路、振荡电路、蜂鸣器电路、门控锁电路、读卡模块、显示模块等组成.射频卡模块通常作为现代门禁系统的必要部分，本装置的门禁系统正是使用了射频卡来完成刷卡进门和按刷卡出门的功能.

射频卡模块也称之为RFID模块，是用来读写射频卡RFID的一种中间件，由于射频卡的频率不同，所以射频卡RFID模块的频率也不一样，如125 K，13.56 M，2.4 G等.由于射频卡的只读和可写等性能，射频卡RFID模块也有只读模块和射频卡读写模块之分.首先，MF-RC522射频卡读写模块(下面简称读写模块)通过天线向射频卡发送无线载波信号，这些信号经过射频卡的天线耦合接收后，先进行波形转换，然后对其整流滤波，由电压调节模块对电压进行进一步的处理，包括稳压等，最终输出到射频卡上的各级电路上.此时，非接触卡接收到载波信号后就通过本卡片上的调制/解调电路对载波信号进行调制/解调，处理后的信号就送到卡片上的控制器以供控制及处理.非接触卡处理好数据后，也通过它本身的天线向MF-RC522返回载波信号，MF-RC522也通过自身的调制/解调电路来对这些信号进行处理.这些返回的载波信号的频率与MF-RC522发出的载波信号的频率是一致的.通过这样一个通讯回路，MF-RC522就可以对非接触卡的内容进行读写操作.射频卡模块的设计原理图如图3所示：

图3　射频卡模块的设计原理

2.3语音控制系统：语音识别模块

语音识别模块是本装置的重要组成部分，它也叫语音识别IC，与传统的语音芯片相比，语音识别芯片最大的特点就是能够语音识别，它能让机器听懂人类的语音，并且可以根据命令执行各种动作直接接受指令并且将指令转换为计算机能够识别的输入语句.

本装置选取的LD3320是ICRoute公司的产品，其内部逻辑图如图4.它采用ASR技术，提供了一种脱离按键、鼠标、触摸屏等GUI操作方式且基于语音的用户界面VUI(Voice User Interface),从而使得对系统的操作简单化、便捷化.此外，LD3320基于非特定人语音识别技术的语音识别及声控芯片，她的识别对象可以为大多数用户，且在51作为主要控制的系统中能轻松实现语音识别和声控的功能，并且识别的关键词语音列表是可以动态编辑的.它在3.3 V的单片机下进行工作，I/O口和串口连接均为3.3 V，并且在使用时添加电平转换和限流电阻来保证I/O口不会被损坏.该芯片拥有较高的集成性，能够在很大程度上减少电路板面积和元器件的数目，在降低系统成本的基础上提高了电路的可靠性.

图4　LD3320内部逻辑图

本装置接收外部语音命令的具体过程为：语音识别模块接收到外部语音，并对所接收到的外部语音做出识别并转换成对应的二进制代码，经由并行口传送至核心处理器，核心处理器接收二进制代码后执行对应的功能.语音控制系统的框图如图5所示：

图5　语音控制系统

此外，为了提高本装置声控时的灵敏度，我们采用了口令模式，给语音控制系统取名为“小杰”，当每次喊出“小杰”这个日常发音率不高的词语后，我们才会开始与语音控制系统的对话，从而避免日常对话对本设备的干扰，保证声控模式的正常运行.

2.4窗帘控制电路

考虑到控制窗帘的开启和闭合所需力矩较大，直流电动机不易控制好所需转动的圈数，且步进电机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，我们采用ULN2003与MCU引脚相连来驱动28BYJ-48型步进电机的方案，让ULN2003协助单片机输出大电流，满足电机电压，从而驱动电机.窗帘控制电路如图6所示：

图6　ULN2003驱动步进电机电路

3系统软件设计

系统的软件流程分为系统初始化、数据采集、数据处理三个部分.系统整体软件流程如图7所示：

图7　系统软件流程图

4结论

智能产品的研究对于创造舒适便捷的现代化快节奏的生活具有重要意义.本文详细地介绍了智能一体化声控设备的设计思路以及相关电路的设计原理，它是我们充分学习和运用相关的软件及硬件知识的结果，并成功实现了IC刷卡开门供电、声音控制灯光和窗帘的开关等功能.此外，本装置具有成本低，构造简单，操作简单便捷的特点，并且满足生产过程中实用性的要求，拥有很高的理论及实用价值.

参考文献：

[1]郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2010.

[2]江海波，王卓然，耿得根.深入浅出AVR单片机[M].北京：中国电力出版社，2008.

[3]马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[4]沈文，詹卫前.AVR单片机C语言开发入门指导[M].北京：清华大学出版社，2003.

[5]杨利平.基于嵌入式系统的智能家居网络实现[J].安徽工程科技学院学报，2006,21(4)：40-45

[6]谢希仁.计算机网络[M].北京：电子工业出版社，2008.

[7]周坚.单片机轻松入门(第二版)[M].北京: 北京航空航天大学出版社, 2007.

[8]刘卫国.C语言程序设计[M].北京: 铁道大学出版社, 2008.

[9]徐爱钧, 彭秀华.KeilCx51 V7.0单片机高级语言编程与uVision2应用实践[M].北京:电子工业出版社, 2004.

[责任编辑：徐明忠]

The design of intelligent home furnishing integrated voice equipment based on LD3320

XU Ying, SUN Chunzhi, WU Chenguang

(School of Physics and Electrical information Engineering, Shangqiu Normal University, Shangqiu 476000，China)

Abstract:Smart home integration of voice equipment Mainly takes the technology of 51 single-chip microcomputer and radio frequency card, it also uses the language, programmable timing control and other methods.Putting audio equipment, lighting system, curtain control and voice acoustic control module together perfectly to implement the basic operation of opening the door with the credit card, charging power supply, lighting, controlling curtain and so on in the life.The residents can enter their house when they use the right card, at the same time the automatic power supply.Besides, residents can use the correct voice commands to operate the system of curtain controlling, lighting and music playing.The use of the smart home integration acoustic equipment system can make family life more safer, energy efficient， intelligent, convenient and comfortable.

Key words:51 single-chip microcomputer; radio frequency card technology; voice acoustic control module

中图分类号：TN918.1

文献标识码：A

文章编号：1672-3600(2016)06-0037-05

作者简介:孙春志(1986-)，男，河南商丘人，商丘师范学院助教，硕士，主要从事电子与通信工程的研究.

基金项目：河南省科技厅项目(132300410262)

收稿日期：2015-11-04