基于RFID的无线语音控制系统

廉奕涵 李兴龙 刘忠富

Abstract： At present， more and more smart household appliances are entering people's life. And how to control the smart appliances simply and effectively is a difficult problem. To solve this problem， a wireless voice control system is designed in this paper. Through voice recognition module LD3320， STC11L08XE microcontroller， wireless transmitter module and wireless receiver module， the voice controls appliances is realized which need to start and stop. The test results show that the speech module can accurately identify the password and send the signal through the wireless transmission module. It could control the power supply immediately， and can replace the artificial contact power switches to control the electrical appliances at home more conveniently.

引言

在传统控制家居系统的方式上（例如遥控器、手机远程控制等），出现了一些弊端，例如操作复杂、按键繁多，给儿童和老人控制家居带来诸多不便。并且，随着时代和科技的发展，为了让人类拥有更快捷、更方便的生活，智能家居已走入人们的生活，如何对家居系统进行有效、方便、省时、省力的控制已成为时代难题。

本文基于RFID设计了一个无线语音控制系统，改变传统的智能家居控制依赖于人工触发式控制[1]。语音控制技术的引入使智能家居的控制不再单调，无论用户身处室内或室外都可以通过语音控制技术，实现对家庭内部设备的控制。

1系统方案设计

系统硬件电路包括语音识别模块、单片机最小系统、无线收发模块。图1为系统结构图。如图1所示，语音识别芯片LD3320，用其来识别人声不同的控制命令，例如开启和关闭，在单片机STC11L08XE采集信息并处理后，将人声指令信息传送至无线收发模块，通过nRF2401无线模块发送到电器端，电器端装入无线接收模块可以控制家居电器的启动和停止，或实现其他功能，完成人声指令，实现无线智能控制家居[2]。

2系统硬件电路设计

2.1单片机最小系统

系统采用STC11单片机作为微处理器。单片机内部集成高可靠复位电路，针对高速通信，智能控制、强干扰场合。

2.2语音识别电路

LD3320芯片是一款语音识别专用芯片[3]。该芯片内嵌了语音识别处理器和一些外部电路，包括AD、DA轉换器、麦克风接口、声音输出接口等[4]。本芯片不需要外接任何的辅助芯片，如Flash、RAM等，直接集成在现有的产品中即可以实现语音识别/声控/人机对话功能[5]。LD3320声音识别原理则如图2所示。其中，P0～P7口接1 K上拉电阻，将STC11L08XE的引脚用双排针引出，以方便模块之间的连线，这里描述的双排针的作用是为了在LD3320和单片机STC11L08XE之间连接。

2.3nRF2401无线收发模块

nRF2401是一种基于短程无线通信技术的芯片。电路设计原理即如图3所示。收发部分采用nRF401芯片，其引脚DIN与单片机的TXD相连，需要发射的数字信号通过DIN输入；引脚DOUT与单片机的RXD相连，解调出来的信号经过DOUT输出进入单片机。nRF401无线收发芯片内包含有发射功率放大器（PA）、低噪声接收放大器（LNA）、晶体振荡器（OSC）、锁相环（PLL）、压控振荡器（VCO）、混频器（MIXER）等电路[6]。

在接收模式中，RF输入信号被低噪声放大器（LNA）放大，经由混频器（MIXER）变换，这个被变换的信号在送入解调器（DEM）之前被放大和滤波，经解调器解调，解调后的数字信号在DOUT端输出。在发射模式中，压控振荡器（VCO）的输出信号是直接送入到功率放大器（PA），DIN端输入的数字信号被频移键控后馈送到功率放大器输出。由于采用了晶体振荡器和PLL合成技术，频率稳定性极好[7]。

3系统软件方案设计

程序设计主要包括语音识别程序、语音指令程序和发射程序3个部分。系统启动后，语音识别程序启动语音识别模块和接受语音模块对于人声的识别结果，与程序中编写好的汉语拼音相匹配，识别后执行语音指令程序，得到的新结果发往发射程序，发射程序控制nRF2401数据发射模块发出，之后再启动语音识别模块，等待下一个指令[8]。若无识别结果，则重新启动语音识别程序。系统总体程序框图如图4所示。

4系统测试

实物硬件调试主要是语音识别模块和L298驱动模块的调试。首先是语音识别模块的调试，这是往模块的STC11L08单片机下载简单的命令，如小石头、开机、停止等。观察模块上方3个指示灯是否亮起，亮起的方式是否与程序设计一致。测试界面如图5所示。经过第一步的调试，功能可以实现。接着调试nRF2401模块。当主机向目标机器发送一串数字或字母时，目标机器可以收到来自主机的信号。

5结束语

以自然语音的识别、人机交互与控制是当前语音信号处理领域的研究热点和难点。本设计以STC10L08XE单片机为核心，运用语音识别芯片LD3320，完成了语音控制系统的总体结构、主控制模块和语音识别模块的软硬件设计。设计现象结果表明，非特定人语音识别的静态测试对于语音命令的平均识别率可达90%[8]，完成了声传输控制信号的功能，达到了较好的效果。本声控系统具有小体积、低功耗和可通用的特点，因而有着广泛的应用前景。此外，本设计方案按照任务书的要求完成nRF2401无线模块设计电路、无线模块控制电路设计，经过单片机的数据处理，通过无线传输模块完成协议信号的传输。

参考文献

[1] 丁永红，孙运强. 基于nRF2401的无线数传系统设计[J]. 国外电子测量技术，2008，27（4）：45-47.

[2] 张崇，于晓琳，刘建平. 单片2.4GHz无线收发一体芯片nRF2401及其应用[J]. 国外电子元器件，2004（6）：34-36.

[3] 陈喜春. 基于LD3320语音识别专用芯片实现的语音控制[J]. 电子技术，2011（11）：20-21.

[4] 金鑫，田犇，阙大顺. 基于LD3320的语音控制系统设计实现[J]. 电脑与信息技术，2011，19（6）：22-25.

[5] 王寿福. 基于nRF2401无线控制的LED驱动源系统设计[J]. 信息与电脑（理论版），2016（18）：96-97.

[6] 李晓晗，李峰，高鹏宇，等. 基于LD3320语音识别和NRF2401无线通信的家居节能照明开关[J]. 电子世界，2017（2）：110-111.

[7] 王中心，王东方，王亚伟，等. 基于LD3320语音识别模块的智能家居声控系统[J]. 物联网技术，2016（11）：19-21.

[8] 邱炜，孙志锋，孙晓东，等. 基于nRF2401的RFID读写器设计[J]. 机电工程技术，2008，37（9）：62-65.