智能台灯控制系统设计
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第15期2023年8月无线互联科技WirelessInternetTechnologyNo.15August,2023
基金项目:江西省教育厅科学技术研究项目;项目编号:GJJ217401。
作者简介:胡蓉(1974—),女,江西樟树人,教授,硕士;研究方向:单片机与嵌入式应用技术。智能台灯控制系统设计
胡 蓉
(江西工业职业技术学院,江西南昌330095)
摘要:台灯是人们日常生活当中经常使用的灯具之一,尤其是广大青少年学习的必需用品。现有的大
部分产品的功能比较单一,只能护眼照明和简单的亮度调节。文章提出了一种基于离线语音识别的
智能照明控制系统。绿色、节能、环保、人性化,无需联网和手机App,就可以实现交换使用。关键词:离线语音;PWM调光;毫米波雷达感应;姿态调整
中图分类号:TP273+.5 文献标志码:A
0 引言 随着语音识别技术在人工智能领域的不断普及,
基于语音识别技术的智能台灯是符合时代发展和人
们追求的一款产品。有专家预测,到2050年全球将
有47.6亿人患有近视,其中包括9.4亿人会患有高度近视[1]。导致近视的原因众多,跟遗传、环境及人
的用眼习惯都有关。人眼长时间处于同一状态(即调节相对静止)时会导致眼疲劳,睫状肌痉挛,从而会导
致近视的产生。打破眼睛的调节相对静止状态,可有
效防控近视或减缓近视进展。具有护眼、节能等功能
的台灯更是各大灯具厂商产品设计方向。
目前,市面上的台灯功能各不相同,主要实现的功能有:手动亮度调节、自动亮度调节、离线语音控制
以及护眼功能等。但是将具备智能控制,人体存在检
测,以及不良坐姿视距过近提醒等功能集成在一起,
同时还兼具简化桌面及语音互动功能的台灯目前并未可见。1 系统硬件设计1.1 系统硬件总体设计
本文基于离线语音识别的智能台灯的硬件设计,
选用了由低功耗单片机STM32F103C8T6单片机、HLK_LD2410C人体存在感应24GHz雷达模组检测
器、OLED显示模块、光照检测传感器、HC_SR04超声波测距、L298N驱动器、调节按键和LED灯板组成的
设计方案。
使用主控芯片STM32F103C8T6内部定时器的比
较模式生成PWM控制信号,该输出信号经过L298N
驱动芯片进行功率驱动后,控制LED台灯,通过控制time定时器的初始值达到调节PWM输出占空比,经
过驱动器驱动后控制LED的亮度和控制桌面风扇的
运行。模式按键选择台灯工作模式,有手动和自动两
种模式。在手动模式下,人体检测模块检测是否有人使用台灯,从而控制台灯的开关;通过串口通信接收SU_03T语音指令,根据指令的不同序号实现相应的
PWM脉冲输出,调节LED台灯的亮度;模式按键可
切换到手动模式和语音模式进行亮度调节;在自动
模式下,根据光敏模块的模拟信号检测值经过主控芯片进行ADC转换后进行数据处理,然后控制PWM脉冲输出,达到亮度的自动调整。同时,通过
超声波测距模块进行监测使用者与台灯的距离,主
控芯片对距离数据进行比对处理,当超过设定值,语
音芯片发出提示语,用户需及时调整坐姿。主控芯片通过软件模拟SPI协议驱动0.96寸OLED屏幕,
在128×64个像素点的屏幕上显示灯的亮度级数及
其他信息。1.2 主控制系统模块
作品采用的是嵌入式单片机芯片STM32F103C8T6。
这是一款ARMM3内核的增强型微控制器,主控芯片
引脚功能分配如表1所示。1.3 离线语音控制模块
作品采用机芯智能SU_03T离线语音识别模组解
决在线语音识别必须联网、对接云端,高成本等问题,
轻松实现极简的用户体验。主控芯片内核采用了32
位RSIC架构,并加入了DSP指令集,专门进行信号处理和语音识别。该芯片支持150条本地指令离线
识别,支持RTOS轻量级系统,具有丰富的外围
接口[2]。1.4 人体存在毫米波雷达模块
传统的人体感应节能功能,一般采用人体红外探
测,红外探测对移动的物体感应比较灵敏,但无法识
别静止、微动或者坐卧的人体。作品采用了一款高灵
敏度的24GHz毫米波人体存在状态感应模组
LD2410C。实现高灵敏度的人体存在状态感应,可识
别运动和静止状态下的人体。在本作品中,可感知区
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Copyright©博看网. All Rights Reserved. 第15期2023年8月无线互联科技·智能控制 No.15August,2023 表1 主控芯片引脚功能
STM32引脚号PA0PA11PB1PB0PA7PA6PA5
外围器件引脚KEY1PWMD0D1RESDCCS
功能说明手动调光PWM输出OLED显示屏SPI通信STM32引脚号PB11PB10PA1PA10PA2
外围器件引脚TRIGECHOOUTTXRX
功能说明HC_04R超声波传感器发射与接收端HLK_2401雷达人体探测输出端SU_03T串口通信端
域内是否有运动或者微动的人体,实时输出检测结果
到STM32C8T6主控芯片,实现感知人体存在时间计
算,并通过语音提示间隔休息;房间无人时台灯自动
熄灭达到节能等功能。1.5 HC_SR04超声波
坐姿调整模块主要采用HC_SR04超声波测距传
感器。超声测距是利用超声测距仪向正前方发射超
声波,超声波在空气中传播时,当遇到物体会按原发
射方向返回且被超声测距仪探测到,MCU可以非常
精确地测量超声波从发射到接收所用的时间t,又已
知超声波在空气中播的速的度v为340m/s。因此,
超声测距仪和物体间的距离L可以通过公式很简单
地计算出[3]。
L=1/2vt(1)
检测的最小距离在程序中事先设定好,本设计的
最小距离范围是人体到台灯的最小距离30cm。1.6 光照检测模块
系统通过模式按键控制切换自动模式和手动模
式。光照度检测模块根据环境光照强度进行数据输
出。在自动模式下,接收到传感器的模拟信号,光敏
电阻采集数据,经过LM393芯片放大后进行输出。
输出信号电压有两种形式,分别是模拟信号和数字信
号,此处作品使用模拟信号,输出口A0端与主控芯
片相连接,主控启用ADC转换,采用软件进行数据处理后,形成10级自动调光输出。2 系统软件设计2.1 主控软件组成及其功能介绍
整个程序的设计主要分为主控STM32F103C8T6
单片机IO的初始化程序设计、PWM波输出程序设
计、SU_03T语音识别程序设计以及外部中断程序、串
口通信、OLED显示程序设计等,主控芯片STM32F103C8T6的程序流程如图2所示。
图2 系统主控程序流程
2.2 语音识别模块固件生成
SU-03T语音芯片依托智能公元平台上开发,该
开发平台从整体而言较为复杂,但其生成代码比较方便,只需相关功能的网页配置好以后,便可生成软件
开发工具包(SDK),然后通过相关的烧录工具就可以
将生成的代码写入SU-03T语音芯片中。
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3 测试与分析3.1 语音识别灵敏度测试
本文同时采用按键和语音两种控制方式,按键按
下之后,台灯能够准确地做出判断并做出相应的动
作,但是语音识别控制则存在一定的错误率,产生这
种误差的原因如下:(1)环境存在一定的干扰性,干扰的声音越大,
能够准确识别的概率会越低。(2)识别关键词本身的相似度或者个人的发音
的准确度都会对识别率造成影响,相似度越高或者发
音不准确,对其干扰就会越大,识别率也会随之降低。(3)语速过快或者过慢也会导致SU_03T识别出
错,语速要适中,吐字清晰。(4)电源SU_03T对电源敏感,需要稳定的电压,
在识别过程不能用手触摸电路板,否则会引起电流异
常,影响识别结果。3.2 PWM调光输出测试
IEEE组织对于屏幕闪烁的标准非常严格,目前
最无害的闪烁频率被定义在3000Hz以上,任何在这
个频率以下的闪烁都有可能对人类造成视力危害[4]。
未来他们还会进一步研究调变波型与调变比例对视
力的影响。作品设计的PWM脉冲输出频率高达48KHz,有效地消除了屏闪带来的危害。利用TIM1-
>CCR4=mode;通过确定定时器T1M1->CCR4寄存
器的初始值达到改变PWM宽度的目的。3.3 坐姿检测与提醒功能测试
坐姿检测是通过超声波反馈信号计算距离得出。
在台灯放置在设定的距离后,当使用者与台灯的距离
小于30cm时,串口中断发送消息号,SU_03T语音模
块接收到串口数据后,根据数据消息号,发出语音提
醒:“小可爱,注意坐姿,保护视力,从点滴做起”。当
使用者坐姿正确,使用者与台灯距离大于设定值30cm,停止串口发送消息号。在设定的范围内,语音
芯片未能接收到串口指令不发出声音,当超过设定距离30cm的时候就发出提示语。坐姿模块起到了提
醒注意视距的功能。3.4 人体存在毫米波雷达感应功能测试
作品的人体检测设计了防误判功能。当人体靠
近台灯但没有停留10s以上(例如只是路过的情
况),台灯将仍然处于熄灭的状态;当人体靠近台灯并
且停留10s以上,台灯将会被点亮;当人体远离台灯
并且在10s以上时,台灯熄灭(延时熄灭)。当检测
到人体存在,主控芯片内部定时器Time2开启进行计
时,时间达到40min的时候,主控芯片通过串口发送
消息号,语音模组发出提示音:小可爱,关爱健康,起
身休息休息吧。提示使用者中间间隔休息,活动活
动,放松眼部肌肉。当人离开后,定时器计数器清零
不再计时。4 结语 本文基于嵌入式芯片STM32F103C8T6和人工智
能离线语音识别芯片SU_03T设计了一款多功能LED
台灯。通过测试语音识别的准确率,LED台灯的亮度
调节的连续性、稳定性、抗干扰性,以及LED台灯的
节能性等几个方面的指标,验证了作品的性能是稳定
可靠,并且在功能上操作简便、护眼、节能、具有多功
能的特性,可以满足用户的日常使用需求。
参考文献[1]张文玥,王晓飞,孙沛诗,等.基于单片机的视力保护
系统设计[J].实验室研究与探索,2018(9):116-119.[2]王迎雨,王哲.基于坐姿感应的智能视力保护台
灯设计[J].电子制作,2018(19):41-42.[3]马国强,辛永田,连梦想,等.一种智能台灯的设
计与开发[J]物联网技术,2018(1):93-95.[4]宋斌,袁庆庆,杨娜.基于STM32的智能台灯系统
设计[J].电子测量技术,2017(6):67-71,75.
(编辑 李春燕)
Designofintelligenttablelampcontrolsystem
HuRong
JiangxiIndustryPolytechnicCollege Nanchang330095 China
Abstract Tablelampisoneofthecommonlyusedlampsinpeoplesdailylife especiallyanecessaryitemforyoung
peopletolearn.Mostoftheexistingproductshaverelativelysinglefunctions onlyeyeprotectionlightingandsimple
brightnessadjustment.Thispaperproposesanintelligentlightingcontrolsystembasedonofflinespeechrecognition.
Green energy-saving environmentallyfriendly user-friendly andinterchangeablewithouttheneedfornetworking
andmobileapps.
Keywords offlinevoice PWMdimming millimeterwaveradarsensing attitudeadjustment—04—
