1、 基于 LIN总线的语音控制智能家居系统 speach recognition control based on LIN-bus intelligent household system 组 长：张荣春 学号： 200730580331 年级专业班级： 07 电信 3 班 成员一：刘凌凌 学号： 200730580321 年级专业班级： 07 电信 3 班 成员二：许锦海 学号： 200730580327 年级专业班级： 07 电信 3 班 原创性声明 兹呈交的比 赛设计论文，是本小组人员在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方
2、式标明。本小组人员依法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。 声明人签名： 日期： 年 月 日 摘 要： 设计一种基于 lin 总线的语音控制智能家居系统，该系统采取分布式控制方式，即一个中央处理器，多个从机组成控制网络。在本系统中，我 们采取凌阳SPCE061A 作为中央处理器， 51 单片机作为从机。由凌阳 SPCE061A 对语音命令进行识别，识别结果通过 LIN 总线传给特定的从机，再由从机执行对家电操作。语音识别部分采用特定人识别和命令分层技术，系统对家庭的各个成员语音命令进行采样，存储，从而实现家庭各个成员的语音识别。 关键字： 智能家居 分布式控制 语音识别 lin 总线 特定人
3、 命令分层 Substract: Design a speach recognition intelligent household system which is base on LIN bus, this system use control of distributing, it means one central processor and other subordinate processors make up the control net. In this system, We use SPCE061A as the central processor, 51 MCU as th
4、e subordinate processor .The main task of central is speach recognition, then pass the result to subordinate processors by LIN bus, the subordinate processors carry out the handle. In the speach recognition, we use the specified people recognition and command layered technology, the system carry out
5、 the sampling of sound command, storing, and then achieve the speach recognition of the home people. KEY WORDS: Intelligent household system Distributing control Sound recognition LIN bus Specified people Layered command目 录 1. 引言 . 1 2. 系统方案设计 . 1 3. 工作原理 . 2 4. 功能特色指标 . 2 5. 方案比较和选择 . 3 6. 硬件电路设计 .
6、 4 7. 系统软件设计 . 9 8. 系统调试与测试 . 21 1 一、 引言 智能电子技术在现实生活中的智能家居电子产品中得到广泛应用。特别是计算机技术、网络通信技术、信息控制技术的迅猛发展与提高，促使家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量，智能 化家居也正是在这种形势下应运而生的。智能家居的日渐兴起给人们的家居生活带来了全新的感受，家居智能化正成为一种趋势。 住宅智能化系统的概念是从上世纪 70 年代末起源于美国，随后，欧洲、日本等国家住宅智能化也得到了飞速发展。在我国，智能家居这一概念推广较晚，约在
7、90 年代末住宅智能化系统进入国内，但其发展的速度非常快，全国已建立了一些具有一定智能化功能的住宅小区和家庭智能化住宅。 智能家居是通过统一的网络总线和控制平台将家庭的电器设备、灯光系统、安全系统、能源系统等连成一体的。目前智能家居的发展趋势是由集中控制 到分布控制。与集中式控制相比，分布式控制不仅能减少布线，而且能提高系统的可靠性，当某一个节点出现故障时，只需将该节点从网络中拿走，而其它节点不受影响。同样，在网络中接入新节点也非常方便，因为不需改动系统的软硬件。 一些对科技发展动向和市场趋势敏感的科研机构和有实力的公司，也已经看到这个市场的广阔前景，意识到这是一个难得的机遇，开始为研究和开发
8、相关系统和产品进行先期的部署和规划，开始介入智能家庭网络这个全新的领域。 二、 系统 方案 设计 本系统以凌阳 SPCE061A 加一个 51 单片机作为语音识别和中央处理器，采用 LIN 总线协议与多个 51 从机组成分布式控制网络。各个从机安装在房子的各个重要处，例如主人房，客厅，厨房，阳台等。中央处理器的任务是对家庭的各个成员语音命令进行识别，然后把地址命令与控制命令传到 LIN 总线上，再由连接在 LIN 总线上的各个从机进行匹配，由从机对家电做出具体的控制。系统框图如 图 1 所示。 2 图 1 系统框图 三、 工作 原理 凌阳 SPCE061A 是一个 16 位单片机，并且具有 D
9、SP 处理功能。在训练时，说话人的声音 通过麦克风进入说话人语音信号采集前端电路，由语音信号处理电路对采集的语音信号进行特征化和语音处理，提取说话人的个性特征参数存储到FLASH 中，形成说话人特征参数数据库。在识别时，将待识别语音与说话人特征参数数据库进行匹配，匹配后发出相应的命令到 LIN 总线的主节点，主节点再按照 LIN 总线所规定的的协议发出相应的报文帧到 LIN 总线上， LIN 各从节点接收到报文帧后匹配自己的 ID，然后执行发过来的命令去驱动外部设备。 四、 功能 特色 指标 功能特点之一 ： 语音 命令 控制 采用语音命令控制智能家具，摆脱传统的遥控器控制，使系统 更具智能化
10、。而且语音系统还预设了应答命令，及时反馈目前命令的执行情况，人机交互友好。通过预先对系统的训练，各个房间中的各种电器的 语音 操作命令通过凌阳单片机的采样，经过 系统 识别得到控制命令 ，实现对电器的控制 。 功能特点之二 ： LIN 总线系统的扩展性 良好，且不互相干扰 本次设计不仅仅是语音控制，而且还包括 LIN 总线的软件硬件设计。根据LIN 总线和本次设计的特点只要将主机发送的控制命令稍作修改增加，该总线就可以在不改变主机硬件的情况下增加相应节点从机（小于 12 个），从而控制更多3 其他传输速率要求不高的设备，例如可以 加入控制 洗衣机工作模式 的从节点。这体现了该系统的易扩展性。
11、功能特点之三： 较低成本 本次设计选用 89S52 单片机作为与 LIN 接口的 MCU，语音识别控制使用凌阳单片机，在实现功能的前提下降低了成本。 五、 方案比较和选择 1 语音控制模块： 方案一：采用 AT89S52 片机控制，外加专门 DSP 处理芯片或者语音处理模块。 52 单片机具有编程灵活，控制简单的特点，但外加的芯片或模块无疑增加的技术的难度，并且提高了制作的成本。 方案二：采用凌阳单片机作为我们的控制电路核心，凌阳 SPCE061A 十六位单片机不仅内置 32kFlash，而且集成了语音处理模块。 通过比较，方案一无论从技术上还是从经济上都没有方案二好，基于SPCE061A 构
12、建的语音控制系统具有成本低、使用方便、保密性好等优点。所以选择方案二。 2组网总线的选择： 智能家居系统最重要的就是能够统一控制，那就要求整个住宅的家具能够组成一个网络，采用何种总线组网决定了网络的稳定性与健壮性。各种总线之间的比较如 图 2 所示。 图 2 总 线比较 从图中我们可以看到， UART、 SPI 以及 I2C 总线虽然传输速度快，但是线缆长度短，总线上子节点数量也不多，不适用于智能化家居网络。 CAN 总线传输速度快，线缆长，支持扩展节点多，但是价格昂贵，对于家居网络的低端信号4 传输， CAN 总线的作用就大打折扣。 LIN 总线价格便宜，单主机模式，无需总线仲裁，控制简单，
13、而且线缆长，支持扩展节点多，符合智能化家居网络要求。综上，我们采用 LIN 总线来作为组建网络的协议。 3 LIN 总线收发芯片模块： 方案一： MC33399 资料相对较少，且主要配合 MOTOROLA 型 单片机使用，本次设计不使用 MOTOROLA 单片机，所以故不采用。 方案二：现在市场上主流用 TJA1020 芯片作为收发芯片，其 优势 有 能够直接控制稳压器，从而可以使用低成本稳压模块同类产品中耗电最低（整个节点只需3A） ， 发送数据（ TXD）显性超时功能，防止网络锁死 ， 通过各项独立测试的高电磁兼容性（ EMC） ，并且 TJA102 还有详细的中文资料和相应的技术支持，这
14、样方便我们的设计。 通过比较，方案二中 TJA1020 加上 52 系列单片机便可以构成一个 LIN 总线的节点，并且每个节点电路简单，编程控制方便，从经济和功 耗的角度考虑，我们选择方案二。 六、 硬件 电路 设计 本系统包括凌阳 SPCE061A 单片机硬件设计， SPR4096 外扩 Flash 模块， LIN总线主从机电路模块的设计，系统电源设计及液晶显示电路模块的设计。 1 凌阳 SPCE061A 单片机 硬件设计 1.1 凌阳 SPCE061A 单片机最小系统 SPCE061A 最小系统当中，包括 SPCE061A 芯片外围的基本模块，晶振输入模块（ OSC）、锁相环外围电路（ P
15、LL）、复位电路（ RESET）、指示灯（ LED）等，如下图所示。 5 图 3 SPCE061A 最小系统 1.2 凌阳单片机语音采集模块 凌阳单片机语音采集模块由音频输出和音频输入两部分组成。图 5 是音频输出电路图。 SPCE061A 内置 2 路 10 位精度的 DAC，只需要外接功放电路即可完成语音的播放。图中的 SPY0030 是凌阳的一款音频放大芯片，可以工作在2.46V 范围内，最大输出功率可达 700mW。 图 4 音频输出电路图 SPCE061A 芯片中已经集成了音频输入专用 ADC 以及 AGC 放大电路，因6 此芯片外部的电路比较简单，图 6 是 61 板的音频输入电路
16、模块。 图 5 音频输入电路 2 SPR4096 外扩 Flash 模块 在本系统中，当我们对系统进行训练、识别、操作时，有一些语音提示，由于 SPCE061A 内部只有 32k 字的 flash 空间，除了一部分空间作为程序的存储之后，剩下的用来存储语音数据时远远不够的，于是系统外扩了 flash。 SPR4096 是凌阳公司推出一款 flash 芯片，其内部具有 512Kbyte 的 flash 空间， 4Kbyte 的 SRAM，具有并行与串行接口。该芯片可以通过凌阳公司开发的软 件，配合上位机，可以将音频数据烧录到芯片相应的地址单元中去，同样，也可通过上位机将芯片内部的数据读取出来。 SPR 4096 内部具有串行总线接口， SPCE061A 内部没有该接口，于是我们通过 SPCE061A 的 I/O 来模拟该时序 ，实现对模块的读写操作 。 该模块与单片机的接口电路如下图所示。
