蒋清锋 赵伟亮 朱沪生
（上海理工大学医疗器械与食品学院实验中心，中国 上海 200093）
【摘要】本文介绍了一种通用学习型语音控制电视机遥控装置，它整合当前流行的语音控制技术，无线信号传输技术、红外信号调制等技术，实现了非特定人语音控制电视机的目的，无需改造电视机本身，经济成本也较低，因而对广大使用者尤其是老年及肢体残障人士具有良好的使用前景。
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关键词 语音控制；无线传输；学习型
通讯作者：蒋清锋（1980—），男，浙江海宁人，实验师，研究方向为康复工程。
０引言
据据中国残联统计，至2010年末中国有残疾人8502万，其中肢体残疾为2472万，占残疾人总数的29.07%[1]，此外据《中国老龄事业发展报告（2013）》，截至2012年底，我国老年人口数量达到1.94亿，比2011年增加891万，占总人口的14.3%，因此众多的肢体残障人士及老年人对于能够给他们生活带来便捷的工具设备有着广泛的需求。电视机作为普通的日常家电，对于丰富他们的精神生活有着重要的作用，但由于很多肢体重度残疾患者及老年人因无法自己进行操作只能请求他人 ，因此无形中也增加了护理人员的负担。随着科技的进步，目前已有不少关于智能语音电视机的研究[2-3]，应该说在技术上能够满足这些残疾人和老年人的需求，但另一方面这些新型电视机价格相对较高，而老年及残障人士往往在经济上并不宽裕，一般不太乐意去购买，而市场上众多的电视机语音遥控器也是针对特定品牌的，并不具有通用性。
本文在总结现有语音控制技术的基础上，结合万能遥控器的设计原理[4-5]，设计出一款低成本、通用、具备学习功能的语音电视机遥控器，以满足老年及残障人士的需求，从而提高这些人群的生活质量。
1系统框架设计
该学习型电视机无线语音控制系统，包括便携式语音识别控制端，无线信号传输系统，遥控器学习控制端，红外信号传输系统，整个系统结构如图1所示。
系统的工作模式包含学习模式、训练模式和控制模式三种。
学习模式下用户使用原有电视机遥控器，依次按下遥控器按键，遥控器的红外信号通过红外信号传输系统通过本系统遥控器控制端中的红外信号接收模块录入到数据储存模块，即录入遥控器按键的命令。
训练模式下用户根据语音识别控制端的提示音，发出控制命令，经语音识别模块识别处理储存在便携式语音识别控制端的数据存储模块，即录入遥控器按键的控制命令。
控制模式下用户通过向便携式语音识别控制端发出控制命令，通过控制端内部的语音识别模块对控制命令进行处理，无线传输模块接入无线信号传输网络，遥控器学习控制端的无线接收模块将接收到的经识别的控制命令接入红外信号传输模块，经红外信号传输系统实现对电视机的控制，并且通过遥控器学习控制端的无线传输模块接入无线信号传输网络，将控制状态传递给便携式语音识别的控制端中无线信号接收模块，再通过麦克风模块实现控制状态的语音反馈。
需要指出的是，便携式语音识别控制端，包括语音信号处理模块，数据存储模块，麦克风模块以及无线信号传输接收模块，终端既可以佩戴在用户身上，也可放置在用户居家环境中；而遥控器学习控制端，包括无线信号传输接收模块、数据存储模块、红外信号接收发射模块，终端应放在靠近电视机正前方。
2系统硬件电路设计
根据系统整体结构图，将系统分成两个部分，便携式语音识别控制端和遥控器学习控制端。语音识别控制端的硬件电路主要包括语音微控制器（MCU）电路、数据存储电路以及无线通信模块电路；遥控器学习控制端的硬件电路主要包括微控制器（MCU）、红外信号接收发射电路、无线通信模块电路以及数码管显示电路等。在具体电路设计之前，必须根据系统处理器、无线通信频率、信号要求强度、红外载波频率等来进行芯片选型。
2.1便携式语音识别控制端硬件设计
便携式语音识别控制端采用语音芯片作为语音信号处理，语音识别的控制器；电可擦可编程只读存储器（EEPROM）作为语音信号数据的存储和读取模块；麦克风和扬声器分别作为语音信号的录入和提示模块；无线射频收发芯片作为便携式语音识别控制端与遥控器学习控制端的无线通信模块。
语音芯片及无线射频收发芯片选择：
为了使语音芯片能处理所有本设计需要满足的功能，本课题的语音芯片必须有较高的工作频率，较多的I/O引脚以及模数转换功能，故选用美国sensory的高质量语音芯片产品RSC4128，该芯片应用亦较广泛[6-7]。
为了保证控制命令能通过无线信号的形式在便携式语音识别控制端与遥控器学习控制端之间传输，本课题的无线射频收发芯片需要稳定的传输频段，较强的信号强度，较远的传输距离，故选用由Nordic公司出品的单芯片无线收发芯片nRF2401[8-10]，工作于2.4GHz~2.5GHz的全球免申请频率。
2.2遥控器学习控制端硬件设计
遥控器学习控制端采用微控制器（MCU）作为控制模块；采用无线射频收发芯片作为遥控器学习控制端与便携式语音识别控制模块之间的无线传输模块；采用红外接收头作为遥控器按键红外信号的接收模块；采用红外发射头作为按键红外信号的发射模块；采用数码管和驱动芯片作为显示模块。
为了微处理器处理所有本设计需要满足的功能，本课题的微控制器必须有较高的工作频率，较多的中断控制器和I/O引脚，因此，本课题选用美国TI公司生产的MSP430F149芯片作为系统的处理器。
3系统控制软件设计
与系统硬件电路对应，控制软件的设计也分为相应的两部分，即便携式语音识别控制端软件设计和遥控器学习控制端软件设计。
3.1便携式语音识别控制端软件设计
根据系统要求和原理图的设计，便携式语音识别控制端的软件设计包括相关芯片的端口初始化，语音命令的录入识别，无线信号的传输，无线反馈信号的验证等等，程序框图如图2所示。
3.2遥控器学习控制端软件设计
根据系统要求和原理图的设计，遥控器学习控制端的软件设计包括相关芯片的端口初始化，遥控器按键红外信号的接收和发射，数码管显示，无线信号的传输，无线反馈信号的验证，如图3所示。
4系统测试
4.1便携式软件识别控制端软硬件测试
便携式语音识别控制端的电路原理图主要由语音识别芯片模块、电源模块、无线收发芯片模块、代码和数据存储模块、扬声器模块和麦克风模块组成。测试功能如下：
a）用户语音命令的录入、读取、识别的准确性；
b）电源模块的功耗；
c）无线收发芯片模块的无线通信功能；
d）代码和数据存储模块的数据丢失问题；
e）扬声器和麦克风的发声和语音录入功能。
按照上述要求测试，结果显示：语音命令录入和读取正常，识别准确率在90%左右；电源模块的功耗在0.1W.H左右；无线收发芯片的数据通信距离在300m左右；代码和数据存储模块不会出现数据丢失问题；扬声器和麦克风正常。
４.2遥控器学习控制端软硬件测试
遥控器学习控制端采用微控制器（MCU）作为控制模块；采用无线射频收发芯片作为遥控器学习控制端与便携式语音识别控制模块之间的无线传输模块；采用红外接收头作为遥控器按键红外信号的接收模块；采用红外发射头作为按键红外信号的发射模块；采用数码管和驱动芯片作为显示模块。测试功能如下：
a）微控制器（MCU）模块运转情况；
b）无线收发芯片模块的无线通信功能；
c）红外接收头对遥控器按键红外信号的接收功能；
d）红外发射头作为按键红外信号的发射功能；
e）数码管的显示功能。
按照上述要求测试，结果显示：微控制器在8MHz外围晶振的驱动下运转正常；无线收发芯片的数据通信距离在300m左右；红外接收头可以对按键红外信号进行解码；红外发射头可以还原发射按键红外信号；数码管在驱动芯片的驱动下显示正常。
5总结和展望
系统经各项测试后各项指标能满足使用要求，对于市场上各种品牌的电视机均能实现万能控制，而且操作简便，因此对于老年及肢体残障人士具有良好的实用性。同时通过一定的改造，可以将此系统扩展至整个家居环境中的大部分电器，例如空调、电灯，甚至还可以加入嵌入式系统，将整个系统基于智能手机设计成控制软件，实现语音触控家居环境无障碍全方位控制，因此该系统具有良好的应用前景。
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参考文献
［１］中国残联(2012)25号文件[Z].
［２］李杨.基于智能语音识别的云电视系统设计[J].中国高新技术企业,2012:10-13.
［３］罗少锋,陈锐.基于多点触控及语音传输的智能电视遥控器[J].电视技术,2012,36(16):33-34,83.
［４］江英才,曾璐.一种基于单片机的通用电视遥控器设计[J].科技广场,2010,11:86-88.
［５］王永华,周卫,詹宜巨,等.一种通用学习型红外遥控器设计与实现[J].广东自动化与信息工程,2005,2:18-19.
［６］卢艳,黄云龙.一种语音识别声控车模的设计[J].微计算机信息,2010,26(9-1):200-202.
［７］李瑞峰,李麟.基于RSC4128 的家用机器人语音人机交互系统的设计[J].制造业自动化,2007,29(10):30-34.
［８］刘辉.基于nRF2401模块的无线温湿度采集系统设计与研究[J].无线互联科技,2012:56-57.
［９］高振斌,王仁智,卢飞,等.基于无线通信技术的超短波电台训练模拟器[J].河北工业大学学报,2012,41(4):19-22.
［１０］汪义旺,张波,曹丰文,等.基于无线通信技术的FFU风机群控系统[J].计算机测量与控制,2012,20(7):1858-1860.
［责任编辑：汤静］