声光控制系统的设计与开发

袁 讯，叶子聪，邹 恩，罗漪澜

（中山大学新华学院 信息科学学院，广东 广州 510520）

0 引 言

不论是居家、办公场所或室外场所，照明设备都必不可少。目前，室内照明主要的控制对象是灯具[1]。然而，传统的灯具功能单一，无法满足人们对于智能化开关的需求[2]。例如：开关控制和调节亮度需要手动完成，对老人、儿童和上肢行动不方便者显得尤其困难[3]；传统的灯具无法进行人体感应，忘记关闭也会造成电力能源的浪费。

随着照明技术的发展，智能照明控制系统不断发展。拥有智能照明控制系统，将使管理更加简单，灯具耗能更少，有利于节省开支，且符合国家节能、绿色照明的应用理念[4]。因此，本文从节能与便捷控制两个角度出发，基于语音控制技术和PWM调光技术，设计了一款智能声光控制照明系统。该系统既可通过对人体及光照强度的检测控制照明模块的开关，又可通过语音输入控制照明模块的开关，方便快捷。此外，该系统设有状态记录功能，可快速恢复到待机前的工作状态。

1 系统总体方案设计

照明系统采用STM32F103C8T6芯片作为主控制器，利用LD3320语音模块处理语音信号。照明模块采用高亮度暖白光5050型LED，人体检测利用HCSR501人体红外传感器模块实现。此外，5528光敏电阻检测外部光照强度，同时将DC-002的直流电源插座作为5 V电源接口进行供电。

2 硬件设计方法与技术

照明系统硬件结构如图1所示。人体红外传感器与由光敏电阻构成的环境光感知模块分别捕获人体红外信号与环境光强度信号，并传递给微处理器。语音控制模块用来处理声音信息，模块上的驻极体拾音器用来接收用户的声音指令，并将声音信息传输给语音芯片，语音识别后将识别结果传递给微处理器。

微处理器分析和处理接收的信息，输出PWM信号到LED驱动器，通过调整PWM输出的占空比来调节照明模块输出的光亮强度[5]。

2.1 LD3320语音识别模块

LD3320语音芯片辨别准确度为95%[6]，因此照明系统采用由LD3320芯片构成的语音识别模块进行语音识别。语音芯片识别原理如图2所示。驻极体拾音器采集到声音信号后，将语音信号传送给LD3320，通过LD3320芯片的高精度模数转换接口进行AD转换，然后对语音流进行频谱分析，根据分析结果提取语音特征信息后传输至语音识别器，与关键词语（拼音串）列表进行特征匹配，从而找出匹配度最高的关键词语作为识别结果。语音模块采用串口通信方式将识别的信息发送给单片机的RX3引脚，处理器根据接收的识别码进行照明模块的开关控制、亮度调节等操作。

图1 照明系统硬件结构图

图2 语音识别原理图

2.2 LED驱动硬件电路

5050型LED具有高效节能、绿色环保、光效率高以及超长寿命等优点。系统采用两个暖白光5050型LED并联在一起作为发光模块，因此需给两个LED提供大小相等的电流。由于单片机驱动能力弱，因此采用如图3所示的驱动电路，输出高电平即可点亮LED。这种连接方法驱动功率大，且具有较好的稳定性。

图3 LED驱动电路

2.3 人体红外感应模块电路

照明系统采用的HC-SR501模块是基于红外线技术的自动控制模块，灵敏度高，可靠性强。人体红外模块电路图如图4所示。如果检测到人体，红外模块输出将一直保持高电平；如果人离开且延时一段时间后依旧检测不到人体，模块将输出低电平。延时时间可在0.5～300 s的范围内调节。

图4 人体红外模块电路图

2.4 光照强度感知模块电路

光照强度感知模块电路的核心是光敏电阻。本照明系统采用型号为5528的光敏电阻，其阻值的大小与外界环境光强成反比，较容易采集模拟量，原理电路如图5所示。采集的模拟量通过单片机自带的ADC转换器进行数字转换，控制方便。该模块位于照明模块背面，目的是防止受到自身LED亮度的影响。

图5 亮度传感器原理电路

3 软件设计方法与技术

设计的声光控制照明系统设有语音控制模式和自动模式两种工作模式，总体流程如图6所示。开机后，系统默认为语音控制模式。

图6 主程序控制流程

在语音控制模式下，语音识别模块处于间歇性工作状态。若语音信号被成功识别并匹配到控制指令，微处理器将根据控制指令控制照明模块的开关或进行亮度调节；若无语音信号输入或未匹配到任何控制指令，则继续等待。此外，当人体红外传感器在预设时间内未检测到人体时，系统将记录当前工作状态并熄灭灯光，进入待机状态。此后，系统接收到语音指令即可再次被唤醒，并恢复到灭灯前的工作状态。

在自动模式下，人体红外传感器处于间歇性工作状态。未检测到人体就不开灯，处于待机状态；检测到人体，微处理器根据热敏电阻采集到的亮度信号判断是否需要开灯。若环境亮度大于设定值，继续待机；若亮度小于设定值，则点亮照明模块，并通过PWM自动调光技术调节照明模块亮度。此外，在设定的时间内，红外传感器未检测到人体时将进入待机状态，并记录灭灯前的工作状态。

4 系统测试

经过电路焊接和软硬件调试，对声光控制照明系统上电，系统默认进入语音控制模式。在输入5 V直流恒压、PWM占空比为95%的条件下（环境条件：40 m2的普通房间，环境背景噪声0～45 dB），多次对基本语音命令进行识别测试。结果表明，距离台灯2 m之内时，照明模块可根据语音指令正确进行开关控制和亮度调节，且语音识别正确率在90%以上。

按下模式选择按键，将语音控制模式改为自动模式。在夜间测试过程中，人体处于红外感应模块感应范围内，打开室内其他照明灯具，照明模块不会点亮。逐渐遮挡光照强度感知模块或关闭室内灯具，在PWM调光技术下，照明模块的亮度逐渐增加，直到达到最亮值。人体逐渐远离，超过照明系统的人体红外感应范围，照明模块熄灭；再次靠近照明系统，照明模块自动点亮。

5 结 论

本文结合单片机技术、传感器技术和PWM调光技术，采用语言识别模块设计了一款兼具环保节能、智能化和人性化特点的声光控制照明系统。系统设置的语音控制模式和自动控制模式，能够按照用户需求调节照明模块亮度，提高了使用者的使用体验和工作效率，减少了电力能源的浪费。但是，设计的照明系统也存在一定的缺点。例如：由于采用5 V供电电压，驱动功率较小，较适用于普通照明应用场景；在照明系统待机时，因有随时唤醒照明模块的需要，传感器需持续工作，待机功耗较大。因此，下一步将进一步改进控制策略。