基于ZigBee節點(diǎn)的智能家居系統語(yǔ)音控制設計

摘要：為實(shí)現基于S3C6410核心處理器與ZigBee技術(shù)的智能家居系統的語(yǔ)音控制，研究設計了基于SPCE061A單片機的ZigBee語(yǔ)音子節點(diǎn)。凌陽(yáng)單片機SPCE061A能夠進(jìn)行語(yǔ)音信號的采集、處理以及語(yǔ)音識別，并與無(wú)線(xiàn)射頻芯片CC2530之間通過(guò)串口進(jìn)行通信。由語(yǔ)音識別系統以及Zig Bee無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊等所組成的語(yǔ)音子節點(diǎn)通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，通過(guò)網(wǎng)關(guān)來(lái)控制其他的ZigBee子節點(diǎn)。該系統實(shí)現了對開(kāi)關(guān)型以及紅外型家電的智能語(yǔ)音控制。該智能家居語(yǔ)音控制系統具有識別率高，控制使用方便等特點(diǎn)，有一定的發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：ZigBee；CC2530；SPCE061A；語(yǔ)音識別；語(yǔ)音節點(diǎn)；智能家居

0 引言
隨著(zhù)短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，WLAN，Bluetooth，IrDA，HomeRF，ZigBee等技術(shù)已經(jīng)被逐步應用于智能家居、工業(yè)控制及環(huán)境監測等眾多領(lǐng)域，而語(yǔ)音識別技術(shù)作為一門(mén)交叉學(xué)科，也被廣泛應用于工業(yè)、家電、醫療等領(lǐng)域。將語(yǔ)音識別與無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相結合應用于智能家居領(lǐng)域，使人們能夠直接通過(guò)語(yǔ)音對家電進(jìn)行控制，能夠讓人們享受現代科技在現實(shí)生活中的應用?；贗EEE 802．15．4協(xié)議的ZigBee通信技術(shù)具有功耗低、低成本、短距離、安全可靠、自組織網(wǎng)等特點(diǎn)。本文將凌陽(yáng)科技的具有豐富語(yǔ)音處理功能的16位SPCE061A單片機與射頻芯片CC2530相結合設計了ZigBee語(yǔ)音識別節點(diǎn)，它能夠與基于SUMSUNG的S3C6410開(kāi)發(fā)平臺的智能家居控制網(wǎng)關(guān)進(jìn)行串口通信，網(wǎng)關(guān)在處理信息后，能夠顯示控制設備的狀態(tài)，并通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與家庭內的多個(gè)子節點(diǎn)通信，從而實(shí)現了對家電設備的語(yǔ)音智能控制。

1 系統總體設計
系統總體結構如圖1所示，主要包括基于Samsung的S3C6410平臺的網(wǎng)關(guān)、基于SPCE061A的語(yǔ)音ZigBee子節點(diǎn)、電器繼電器控制ZigBee子節點(diǎn)、電器紅外控制ZigBee子節點(diǎn)等。其中各子節點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間通過(guò)星型拓撲結構進(jìn)行連接。

在對語(yǔ)音子節點(diǎn)進(jìn)行訓練之后，當語(yǔ)音節點(diǎn)采集接收到語(yǔ)音控制命令時(shí)，執行語(yǔ)音識別指令，通過(guò)CC2530收發(fā)模塊發(fā)送相應的控制指令到網(wǎng)關(guān)的主節點(diǎn)上。主節點(diǎn)將接收到控制指令通過(guò)串口上傳到網(wǎng)關(guān)主機，主機在處理信息之后，再通過(guò)主節點(diǎn)發(fā)送相應的控制指令到控制子節點(diǎn)上，控制子節點(diǎn)在接收到相應的命令之后就會(huì )執行相應的動(dòng)作，對被控對象進(jìn)行控制。

2 系統硬件設計
(1)網(wǎng)關(guān)。采用基于A(yíng)RM11架構的三星S3C6410處理器，與ZigBee主節點(diǎn)之間通過(guò)串口方式進(jìn)行通信。S3C6410是基于A(yíng)RM1176JZF-S的16／
32位的低功率消耗、高性能的RSIC通用處理器。其開(kāi)發(fā)平臺具有豐富的外圍接口資源。其中，可以支持4個(gè)UART接口，支持DMA和Interrupt模式，最高速度可達3 Mb／s。ZigBee主節點(diǎn)在系統啟動(dòng)時(shí)，作為協(xié)調器啟動(dòng)和控制ZigBee網(wǎng)絡(luò )，當網(wǎng)絡(luò )建立后，負責接收語(yǔ)音節點(diǎn)的控制信息以及發(fā)送相應的控制信息到各ZigBee子節點(diǎn)。
(2)語(yǔ)音子節點(diǎn)。由凌陽(yáng)科技的SPCE061A單片機與ZigBec收發(fā)節點(diǎn)模塊組成。SPCE061A是凌陽(yáng)科技推出的以μ’nSPTM為核心的16位結構的微控制器。具有8通道10位A／D轉換輸入功能，內置自動(dòng)增益控制功能的麥克風(fēng)輸入方式以及雙通道10位DAC方式的音頻輸出功能。在使用SAC M_S240凌陽(yáng)音頻編碼方式時(shí)，可以容納長(cháng)達210 s的語(yǔ)音數據。因此被廣泛應用于數字語(yǔ)音識別領(lǐng)域中。
(3)電器控制繼電器子節點(diǎn)。由繼電器模塊與ZigBee收發(fā)節點(diǎn)組成。由于我國市電電壓在220 V左右，為了實(shí)現對部分家電開(kāi)關(guān)的控制，采用繼電器模塊，并通過(guò)ZigBee通信模塊的CC2530芯片的I／O引腳及其外圍驅動(dòng)電路，實(shí)現對繼電器模塊的吸合與釋放控制?？梢钥刂拼昂?、燈光等開(kāi)關(guān)型電器。
(4)紅外控制子節點(diǎn)。由學(xué)習型紅外控制模塊與ZigBee收發(fā)子節點(diǎn)組成。目前，紅外遙控類(lèi)型的家用電器的比例正逐步攀升。因此本文在設計研究中采用了學(xué)習型的紅外控制模塊，它與ZigBee收發(fā)子節點(diǎn)之間通過(guò)串口進(jìn)行通信。首先使用一個(gè)或多個(gè)紅外模塊對現有的家電(如電視機、DVD、空調、投影儀等)紅外遙控器的信號進(jìn)行學(xué)習，把相應的編碼存放到紅外模塊的存儲器E2PROM中，每條代碼對應一個(gè)地址。當該
ZigBee節點(diǎn)接收到指令需要對某一家電進(jìn)行控制時(shí)，紅外模塊就會(huì )根據指令調取該地址下的紅外發(fā)射編碼數據進(jìn)行發(fā)射，從而實(shí)現對紅外型家用電器的語(yǔ)音控制。
(5)基于CC2530的ZigBee無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊。CC2530是TI公司推出的基于IEEE 802．15．4協(xié)議的片上系統。內嵌增強型單周期的8051CPU，具有8 KB的SRAM、2個(gè)支持多種串行通信協(xié)議的USART、21個(gè)通用的I／O引腳、寬電壓范圍(2～3．6 V)、低功耗(主動(dòng)模式RX：24 mA；主動(dòng)模式TX在1 dBm：29 mA)以及電源電量可監控等特點(diǎn)。在ZigBee協(xié)議棧中UART具有中斷、DMA兩種模式，本文設計中均采用了UART的中斷模式。