【正文】 T / G TUrE S TS T DQ3O S C 1 Q2O S C 2 Q1U s s Q0214356789181017161514131211M T 8 87 0C 1 2C 1 1Y2C 1 3V C CX1P 1. 2UddX2USSP 3. 2P 3. 4P 3. 3P 1. 3P 3. 1P 1. 4P 3. 0P 1. 5P 1. 6P 1. 7P 3. 5R S TP 1. 1P 3. 7P 1. 0A T 89 C 2 05 1D5T8R 1 4R 1 3R 1 5T7音樂片V C CJKV C CR 1 1 圖 摘掛機(jī)控制電路 DTMF 解碼電路 DTMF 解碼，接收電路使用 DTMF 解碼集成電路 MT8870。只有當(dāng)這兩個條件同時滿足時與門 G5 才輸出正跳變信號， 74LS273 才能接受外部信息，這就大大提高了電路的抗干擾能力，防止 AT89C2051 因受到意外干擾而可能導(dǎo)致的受 控對象的誤動作。可見 AT89C2051 從 ～ 輸出 的信號只不過是先由 74LS273 記憶后再送出，其控制邏輯與直接接到的 T1～ T5 是一樣的。 74LS273 是一個 8D 鎖存器也就是芯片內(nèi)部包含了 8 個 D 觸發(fā)器，輸入端為 D0D7，輸出端為 Q0～ Q7。而控制受控對象動作的信號是從 ～ 共 5 路輸出的，例如若=1 能使 T1 導(dǎo)通，繼電器 J1 吸合 ； 若 =0，則 J1 釋放 ?? 若 =1,則能使 T5導(dǎo)通，繼電器 J5 吸合 ； 若 =0，則 J5 釋 放。然后 等待 DTMF 解碼器 STD 端正脈沖的到來 ，一旦識別到 STD 端的正脈沖， ～ 即讀入 DTMF 解碼器的輸出的二進(jìn)制碼信息，這個信息就是遙控命令， AT89C2051 能對其進(jìn)行判別 究竟是密碼還是控制某路開，關(guān)的命令，或是掛機(jī)命令。 根據(jù)振鈴信號的特征，設(shè)計振鈴檢測電路如圖 所示。 15V,振鈴以 5s 為周期，即 1s 送 4s 斷。振鈴信號為 25177。此時光耦 LE 的發(fā)光二極管導(dǎo)通，使光敏晶體管導(dǎo)通，于是 +5V 電源通過 1K 電阻和二極管向 100uF 電容充電。電話線路沒有鈴流時，電話交換機(jī)提供的線路電壓為 48V～ 60V 的直流信號。 MT8870 管腳封裝圖如圖 所示。芯片 STD 引腳提供 DTMF 信號檢測輸出，當(dāng) MT8870 接收到 DTMF信號并解碼完成后該引腳為高電平，平時該引腳為低電平，該信號通過反相后可向單片機(jī)申請中斷， TOE 引腳為輸出使能端，當(dāng) TOE 為高電平時解碼結(jié)果可以從 Q1～ Q4 輸出。信號在MT8870 內(nèi)經(jīng)過濾波、放大、高低頻分離，再經(jīng)過數(shù)字處理轉(zhuǎn)化為與 DTMF 信號相對應(yīng)的二進(jìn)制編碼。 家用電器語音控制系統(tǒng)設(shè)計 11 1 202 193 184 175 166 157 148 139 1210 11R X D / P 3 . 0T X D / P 3 .1X T A L 2X T A L 1I N T 0 / P 3 . 2I N T 1 / P 3 . 3T 0 / P 3 . 4T 1 / P 3 . 5G N DV P PP 3 .7P 1 .0 / A I N 0P 1 .1 / A I N 1P 1 .3P 1 .2P 1 .4P 1 .5P 1 .6P 1 .7V C CA T 8 9 C 2 0 5 1 圖 AT89C2051 管腳封裝圖 核心 MT8870芯片介紹 作為電話網(wǎng)，無線移動通信網(wǎng)和計算機(jī)通信網(wǎng)的終端設(shè)備。（ 16）軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能。省電模式中，片內(nèi) RAM 將被凍結(jié)，時鐘停止振蕩，所有功能停止工作，直至系統(tǒng)被硬件復(fù)位方可繼續(xù)運(yùn)行。 AT89C2051 是一個功能強(qiáng)大的單片機(jī)，但它只有 20 個引腳， 15 個雙向輸入/輸出 （ I/O） 端口，其中 P1 是一個完整的 8 位雙向 I/O 口，兩個外中斷口，兩個 16 位可編程定時計數(shù)器 ,兩個全雙向串行通信口，一個模擬比較放大器。 AT89C2051 是一種廉價的高性能通用型單片微控制器，俗稱單片機(jī)，為雙列直插式 20 腳封裝?？刂破鳈z測 到6 次振鈴后，即 6 次響鈴后無人接聽時電話自動摘機(jī)，進(jìn)入密碼檢測階段，輸入正確密碼后選擇被控電器，然后輸入開或關(guān)密碼遙控被控電器，完成后返回。 控制器并聯(lián)于電話機(jī)的兩端，不會影響電話機(jī)的正常使用。為了符合智能化要求，系統(tǒng)采用 AT89C51 作為中央處理器。為了方便用戶使用，系統(tǒng)設(shè)計了語音提示界面。系統(tǒng)組成框圖如圖 所示。 家用電器語音控制系統(tǒng)設(shè)計 9 經(jīng)比較，使用方案二簡單可行，運(yùn)行可靠，成本低廉。 方案二： MT8870 音調(diào)譯碼器 (Tone Decoder)是 MITEL 公司所開發(fā)生產(chǎn)為一顆常用復(fù)頻譯碼 IC，這個電路可以接收 DTMF 信號，是一個完整的 DTMF 接收器。由于將多功能 8 位 CPU 和閃速存儲器組合在單個芯片中， ATMEL的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C051 是它的一種精簡版本 [19]。 方案二： AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) FLASH 存儲器 (FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓 、高性能 CMOS 8 位 微處理器 ，俗稱 單片機(jī) 。 表 ZigBee 協(xié)議結(jié)構(gòu) ZigBee Profiles（高層應(yīng)用范圍） 會聚層 網(wǎng)絡(luò)層 介質(zhì)訪問控制層 868/915MHz 物理層 家用電器語音控制系統(tǒng)設(shè)計 8 第 3 章 系統(tǒng)設(shè)計 方案論證和比較 總體方案 首先必須構(gòu)建一個嵌入式操作系統(tǒng)，然后無縫地把語音識別軟件包鏈接進(jìn)去，制定UART 通信協(xié)議，執(zhí)行機(jī)構(gòu)能和上位機(jī)順利通信，完成信息交換和相應(yīng)的命令動作。ZigBee 的協(xié)議結(jié)構(gòu)如表 所示，它由高層應(yīng)用規(guī)范、會聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和家用電器語音控制系統(tǒng)設(shè)計 7 物理層組成 [17]。 ECHONET 協(xié)議 鑒于全球能源逐漸枯竭、人口結(jié)構(gòu)逐漸邁向老齡化、家庭消耗能源日益增加及環(huán)境保護(hù)與遠(yuǎn)距離家庭醫(yī)療的需求提升等原因， ,Mitsubishi Electric 等家電大廠與東京電力公司，于 1997 年 12 月在日本政府支持下，成 立 了ECHONET(Energy Conservation and Homecare Network)協(xié)會，主要目標(biāo)是開發(fā)一個標(biāo)準(zhǔn)化的家庭網(wǎng)絡(luò)國際標(biāo)準(zhǔn)，并應(yīng)用于家庭能源管理、居家醫(yī)療保健等服務(wù)上 [16]。 1999 年，歐洲三大協(xié)議機(jī)構(gòu) EIB, Batibus 和 EHSA 合并成立了 Konnex 協(xié)會，提出了 Konnex 協(xié)議。 歐洲安裝總線 EIB 歐洲安裝總線 (EIB)是一個在歐洲占主導(dǎo)地位得樓宇自動化和家庭自動化標(biāo)準(zhǔn)，是由 Siemens} ABB 等一些知名企業(yè)首先提出來的。因此，它確立了不必考慮生產(chǎn)廠家、各種兼容系統(tǒng)在不依賴任何專用芯片組的情況下，相互開放通訊的基本規(guī)則。 BAC 協(xié)議 家用電器語音控制系統(tǒng)設(shè)計 6 為創(chuàng)建使不 同廠家的暖通空調(diào)子系統(tǒng)相連接的標(biāo)準(zhǔn)方法，美國供暖制冷及空調(diào)工程師協(xié)會 (AmericanSociety of Heating Refrigeration and Air Conditioning Engineers 一 ASNRAE)于 1995 年制定了一種開放標(biāo)準(zhǔn)，被稱為“樓宇自動化和控制網(wǎng)絡(luò)，即BAC(Building Automationand Control NETwork)?？偩€中的每個節(jié)點(diǎn)的地位是平等的，不需要一個主控設(shè)備。并監(jiān)督市場、保證產(chǎn)品的互操作性、以及認(rèn)定產(chǎn)品是否符合 CEBus 標(biāo)準(zhǔn)。這是一個非盈利性組織，由生產(chǎn)制造消費(fèi)電子總線兼容產(chǎn)品和提供相應(yīng)服務(wù)的公司組成 [13]。 1992 年，所有的消費(fèi)電子總線規(guī)格說明書得以發(fā)布，這就是 EIA600 和 EIA721 標(biāo)準(zhǔn)。 CEBus 協(xié)議 CEBus 的全稱是消費(fèi)電子總線 (Consumer Electronics Bus)。 家庭總線技術(shù)及協(xié)議 總線技術(shù)在智能家居中極為重要，目前標(biāo)準(zhǔn)比較多，主要有以下幾種： 串行總線 由于在消費(fèi)類電子產(chǎn)品、計算機(jī)外設(shè)、汽車和工業(yè)應(yīng)用中增加了嵌入式功能，對低成本、高速和高可靠通信介 質(zhì)的要求也不斷增長以滿足這些應(yīng)用，其結(jié)果是越來越多的處理器和控制器用不同類型的總線集成在一起，實現(xiàn)與 PC 軟件、開發(fā)系統(tǒng) (如仿真器 )或網(wǎng)絡(luò)中的其它設(shè)備進(jìn)行通信。 Windows XP Embedded： Windows XP 的一種有著靈活定制能力的特殊版本，其產(chǎn)家用電器語音控制系統(tǒng)設(shè)計 5 品主要針對嵌入式系統(tǒng)，比如說機(jī)頂盒等等，但是其核心同 Windows XP 是相同的 (詳見后面介紹 )，組件上的差異也較少，而其高度可 定制性，就大大加強(qiáng)了系統(tǒng)安裝的靈活性，類似于精簡版的 Windows XP Embedded 可以說是垂手可得且合法 (體現(xiàn)其可定制性 )。 Windows Embedded CE 為組件化的操作系統(tǒng)，從構(gòu)建開始，就旨在開發(fā)占用資源較少的設(shè)備 [11]。 Windows ：適用于 ARM、 X86 等機(jī)型，其內(nèi)核非常小巧，可以添加裁剪功能模塊，應(yīng)用于 PDA 手機(jī)等小型化設(shè)備。對小詞表語音識別系統(tǒng)，往往不需要語言處理部分。 語言模型與語言處理。聲學(xué)模型通常將獲取的語音特征通過學(xué)習(xí)算法產(chǎn)生。其目的是從語音波形中提取隨時間變化的語音特征序列。 家用電器語音控制系統(tǒng)設(shè)計 4 第 2 章 語音識別及控制的關(guān)鍵技術(shù) 語音識別技術(shù) 當(dāng)今，能實現(xiàn)語音識別的方法主要有兩大類，一類是語音芯片硬件實現(xiàn)，另一類通過聲卡采集軟件實現(xiàn)，目前主要流行的軟件包有： IBM Via Vioce 和 Microsoft Speech SDK[10]。 第四章是 對各個硬件電路進(jìn)行設(shè)計，并介紹了核心芯片。 第三章是研究智能家居的實現(xiàn)方案和具體方法。 第一章 緒論主要是介紹課題的背景及意義， 并且對國內(nèi)外語音識別技術(shù)的發(fā) 展進(jìn)行了概括。 研究內(nèi)容與特色 本文的研究對象是基于單片機(jī)的家用電器語音控制系統(tǒng)， 本課題主要通過設(shè)計了一種家用電器電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，對家居設(shè)備如電燈等開關(guān)電器 、 電視機(jī)等遙控設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)程的 語音控制 。 傳統(tǒng)的家用電器的控制，無外乎兩種控制方式 ： 手動或遙控。這就很容易讓人想到能否用自然語言代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人機(jī)交流方式如鍵盤、鼠標(biāo)等。雖然，嗅覺、觸覺也是人類固有的感覺，人們可以從中得到某些外界信息，但最重要、最精細(xì)的信息源只有圖像和語言兩種 [8]。隨著現(xiàn)代科學(xué)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們在與機(jī)器的信息交流中，需要一種更加方家用電器語音控制系統(tǒng)設(shè)計 3 便、自然的方式。嵌入式高性能芯片的出現(xiàn)、各種操作系統(tǒng)應(yīng)用 于嵌入式系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為解決這些問題提供了技術(shù)保障。人們對家庭住宅的觀念也有所改變，家庭智能化是今后家庭裝飾的必經(jīng)之路。從此中國的語音識別技術(shù)進(jìn)入了一個前所未有的發(fā)展階段。 1986 年 3 月中國高科技發(fā)展計劃（ 863 計劃 ）啟動，語音識別作為智能計算機(jī)系統(tǒng)研究的一個 重要組成部分而被專門列為研究課題 [7]。與此同時，國際上語音識別技術(shù)在經(jīng)過了多年的沉寂之后重又成為研究的熱點(diǎn)，發(fā)展迅速。由于當(dāng)時條件的限制，中國的語音識別研究工作一直處于緩慢發(fā)展的階段。 國內(nèi)語音識別技術(shù)的發(fā)展 中國的語音識別研究起始于 1958 年，由 中國科學(xué)院 聲學(xué)所利用 電子管 電路識別 10個元音。 日本也在 1981 年的第五代計算機(jī)計劃中提出了有關(guān)語音識別輸入 — 輸出自然 語言的宏偉目標(biāo)，雖然沒能實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，但是有關(guān)語音識別技術(shù)的研究有了大幅度的加強(qiáng)和進(jìn)展。到了 90 年代，這一 DARPA 計劃仍在持續(xù)進(jìn)行中。 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency）是在 70 年代由 美國 國防部遠(yuǎn)景研究計劃局資助的一項 10 年計劃，其旨在支持語言理解系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。 進(jìn)入 90 年代以后，在語音識別的系統(tǒng)框架方面并沒有什么重大突破。在研究思路上也發(fā)生了重大變化，即由傳統(tǒng)的基于標(biāo)準(zhǔn)模板匹配的技術(shù)思路開始轉(zhuǎn)向基于統(tǒng)計模型 (HMM）的技術(shù)思路。大規(guī)模的語音識別研究是在進(jìn)入了 70 年代以后，在小詞匯量、孤立詞的識別方面取得了實質(zhì)性的進(jìn)展。 國內(nèi)外語音識別技術(shù)比較 國外語音識別技術(shù)的發(fā)展 1952 年貝爾研究所 Davis 等人研究成功了世界 上第一個能識別 9 個 英文數(shù)字發(fā)音的實驗系統(tǒng)。未來 10 年內(nèi)，語音識別技術(shù)將進(jìn)入工業(yè)、家電、通信、汽車電子、醫(yī)療、家庭服務(wù)、消費(fèi)電子產(chǎn)品等各個領(lǐng)域。 語音識別技術(shù) (ASR： Automatic Speech Recongnition)，是指將人說話的語音信號轉(zhuǎn)換為可被計算機(jī)程序所識別的文字信息，從而識別說話人的語音指令以及文字內(nèi)容的技術(shù)。smart home。 關(guān)