語音控制電視系統的設計實現

陳威沖 張家田 吳銀川 嚴正國

摘 要：文中介紹了一種以STM32單片機為控制核心，集成語音識別模塊和紅外收發模塊的一種語音控制電視系統。該系統可以使用語音指令實現對電視機的遙控，達到替代傳統遙控器的效果，具有控制靈活、性能穩定、擴展性強等優點。隨著智能家居的普及和發展，該設計具有廣闊的市場應用空間。

關鍵詞：智能控制;語音識別;無線通信;紅外收發;STM32;物聯網

中圖分類號：TP274文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）04-0-04

0 引 言

隨著物聯網技術的發展，各種智能化家居產品順應市場需求大量出現[1]。目前用戶對于智能家居互動的靈活性要求也越來越高，例如在電視操作過程中由于遙控器按鍵繁多復雜，其設計的人機交互方式已經落伍。最近幾年，通過“單片機”對紅外線遙控信號進行存儲、轉發的技術已經取得長足發展，進而利用嵌入式系統不斷增強的技術優勢產生更為智能的應用也變得簡單可行[2];另一方面，隨著語音識別技術的普及，當前語音識別功能的實現也越來越廉價易行。本設計采用非特定語音識別技術，將其利用到電視機的遙控功能當中，當需要實現復雜且重復性功能時，可以利用當前設計的可編程性及語音識別的靈活性代替遙控器，讓電視機的人機交互走向更高的臺階。

1 系統需求分析及總體設計

1.1 系統需求分析

參考現有的智能家居設計[3]，本系統主要實現以下功能：

（1）語音控制電視機的開關;

（2）通過語音指令打開電視機某頻道;

（3）通過語音指令調整頻道和音量。

1.2 系統總體設計

語音控制電視系統主要由STM32F103C8T6主控制器、LD3320語音識別模塊和紅外信號發射接收模塊組成[4]。系統框圖如圖1所示。

用麥克風采集聲音信號，經過濾波、放大處理后送入LD3320非特定語音識別模塊進行語音識別處理，將處理結果保存在寄存器中，通過SPI與主控芯片STM32F103C8T6通信。經主控芯片處理后控制紅外模塊發射對應的信號，電視機頂盒接收到信號后則能實現對應的功能，達到語音控制電視的效果。

2 硬件設計

硬件設計主要包括主控芯片STM32F103C8T6，語音識別模塊LD3320和紅外發射接收模塊三部分。利用紅外發射接收模塊對電視機頂盒遙控器鍵值進行解碼，將其記錄、處理后保存在MCU中，輸入特定的語音指令時，MCU通過紅外模塊發送相應的紅外指令，代替遙控器。

2.1 STM32F103C8T6最小系統

將STM32F103C8T6微控制器作為核心的最小系統板，其內核為ARM的CortexTM-M3，它為實現MCU的需求提供了低成本的平臺、縮減的引腳數目、較低的系統功耗，同時提供了卓越的計算性能和先進的中斷系統響應[5]，性價比高。

2.2 LD3320芯片

LD3320 芯片是一款“語音識別”專用芯片，由ICRoute公司設計生產。該芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路，包括A/D，D/A轉換器、麥克風接口、聲音輸出接口等。本芯片在設計上注重節能與高效，不需要外接任何輔助芯片如FLASH，RAM等，直接集成在現有產品中即可實現語音識別/聲控/人機對話等功能。并且識別的關鍵詞語列表可以被動態編輯。每次識別最多可以設置50項候選識別句，每個識別句可以是單字，詞組或短句，長度為不超過10個漢字或者79 B的拼音串[6]。

另一方面，識別句內容可以動態編輯修改，因此可通過一個系統支持多種場景模塊對外引出7個引腳，包括3個SPI引腳MISO，MOSI，SCK，復位引腳RST，片選引腳CS，中斷產生引腳IRQ和設置引腳SPIS。其中，STM32最小系統板可通過SPI引腳、SPIS引腳和CS引腳對LD3320芯片進行設置，當模塊接收到語音信號時會產生中斷信號，將IRQ引腳置高電平，STM32微處理器在中斷服務函數中執行語音識別程序，最終實現語音控制功能。LD3320語音識別模塊電路如圖2所示。

2.3 紅外發射接收模塊

紅外遙控是一種無線、非接觸控制技術，具有抗干擾能力強、信息傳輸可靠性高、功耗低、成本低、易實現等優點[7]。

NEC紅外編碼解碼模塊由紅外發射頭、紅外接收頭和串口通信接口組成。紅外發射頭用于發射紅外信號，其波長為940 nm 38K NEC;紅外接收頭用于接收 NEC紅外信號，單片機進行分析解碼操作;串口通信接口為單片機串口（TTL），作為與外界單片機通信的橋梁，其默認設置的波特率為9 600 bps。

編碼信號的發射使用NEC紅外編碼解碼模塊可以通過串口與MCU通信對普通紅外信號進行發送接收以及解碼操作，在本設計中使用該模塊對遙控器指令進行解碼并按照程序發送，達到使用MCU進行紅外遙控的目的。紅外模塊電路如圖3所示。

3 STM32與電視機頂盒通信

電視機頂盒與遙控器通過紅外信號通信，因此在本設計中只有STM32將紅外信號通過紅外模塊發送，才能達到代替遙控器的目的。STM32主控模塊通過全雙工異步串行通信方式與紅外模塊通信，數據格式為1個起始位、8個數據位、1個奇偶校驗位和1個停止位，波特率為9 600 bps。使用紅外模塊對遙控器按鍵鍵值進行解碼后再使用STM32在程序內將其進行處理發送即可代替遙控器的功能。

3.1 紅外信號協議

（1）發射指令說明

本設計中地址位默認地址A1。操作位表示當前工作狀態，在此設計中只使用了紅外模塊發射狀態，不改變其通信地址狀態和波特率，因此操作位為F1。數據位1，2，3則為接收到的紅外編碼信息[8]。紅外信號協議見表1所列。

3.2 紅外信號解碼內容

4 系統軟件設計

本系統軟件設計主要介紹語音識別程序設計及紅外指令發送程序設計。語音識別程序主要參考LD3320芯片手冊對其進行配置，紅外指令發送程序則將加碼后的紅外信號進行處理，形成NEC制式的紅外指令，并發送。

4.1 主程序設計

系統主程序上電后進行通用初始化，開啟中斷，使其能接收來自LD3320芯片的中斷信號，在其中進行語音識別操作。當按鍵按下時執行LD3320子程序。主程序流程如圖4所示。

4.2 語音識別程序設計及語音指令

在進行LD3320子程序時，對LD3320芯片進行相關初始化，并初始化MCU的SPI通信，相關I/O口及開啟中斷。LD3320芯片啟動一次ASR識別流程：ASR初始化，ASR添加關鍵詞語，啟動ASR運算，等待語音輸入。當有語音輸入時，芯片將IRQ引腳置高，微控制器進入中斷服務函數，進行語音識別處理。識別成功后，串口發送相關指令;若未成功，則等待下一次語音輸入。LD3320語音識別流程如圖5所示。

在中斷服務子程序中，程序首先通過讀取LD3320寄存器2B，B2，BF值判斷當前LD3320 ASR是否空閑，若空閑，則進行下一步，若忙，則本次語音識別失敗，返回LD3320程序。此功能可防止當前語音識別被噪音或其他語音指令打斷。當ASR空閑時，通過讀取寄存器BA的值并判斷其是否有效，即是否大于0且小于等于4，若是，則將此值返回主程序，進行相關操作;否則視為語音識別失敗，等待下一次語音輸入。圖6所示為中斷服務子程序流程圖。

4.3 紅外指令發送程序設計

利用紅外發射接收模塊將紅外信號進行解碼得到表2所列結果，若想讓本設計實現與遙控器同樣的功能，則需為解碼后的值加上地址和操作碼，構成5個16進制的一串一維數組，串口按照下面的程序輸出，就可以使電視機頂盒接收到與遙控器相同的紅外信號：

5 結 語

本文以STM32為控制核心，設計并制作出一套針對電視機遙控的智能語音控制系統，其具有控制靈活、性能穩定等優點，因為是基于微控制器的開發，其具有擴展性強的潛力。隨著科技的發展，類似技術已經成熟，因此系統易于制造，造價低廉，滿足智能家居和物聯網的發展需求。隨著智能家居系統的快速發展，語音控制電視系統的實現將越來越容易，推廣前景廣闊，應用價值良好。

參 考 文 獻

[1]吳文忠， 李萬磊.基于ARM和ZigBee的智能家居系統[J].計算機工程與設計，2011，32（6）：1987-1990.

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[3]申斌，張桂青，汪明，等. 基于物聯網的智能家居設計與實現[J].自動化與儀表，2013，28（2）：6-10.

[4]王俐偉，廉小親，安颯，等.智能空調語音控制系統的設計與實現[J].家電科技，2018 （7）：46-50.

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[6]洪家平.LD3320的嵌入式語音識別系統的應用[J].單片機與嵌入式系統應用，2012，12（2）：47-49.

[7]李從宏.基于功能碼的紅外遙控軟件解碼技術[J].單片機與嵌入式系統應用，2010（9）：72-73.

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[9]許子明，李笑茹.電氣自動化控制的人工智能技術[J].科技風，2018（7）：6.

[10]陳洪峰.國內電氣自動化發展狀況與趨勢[J].科技創新導報，2006（1）：12.