汽車空調語音識別系統的設計與研究

黃一波 葉鋼 葉蕾 季啟欣

摘要：針對汽車駕駛環境下，通過語音識別代替手動控制汽車空調功能，既解除了駕駛者低頭尋找空調按鈕的危險，又可以提高了駕駛者的舒適度。該汽車空調語音識別系統主要由語音模塊、單片機控制模塊、顯示模塊等組成。通過單片機控制LD3320語音模塊對汽車空調的功能進行處理，可以解放駕駛者的雙手，從而提高車輛駕駛安全。

關鍵詞：語音識別；汽車空調；LD3320

中圖分類號：TP368.1???文獻標識碼：A

Design?and?Research?of?Speech?Recognition?System?for?Automotive?Air?Conditioning

Huang?Yibo1??Ye?Gang2??Ye?Lei1??Ji?Qixin1

1.Zhejiang?Shuolang?Electromechanical?Accessories?Co.，Ltd??ZhejiangLishui??323700；

2.?Lishui?Vocational?and?Technical?College??ZhejiangLishui??323000

Abstract：?In?the?automotive?driving?environment，?replacing?manual?control?of?the?car?air?conditioning?function?with?voice?recognition?not?only?eliminates?the?danger?of?drivers?looking?for?air?conditioning?buttons?while?also?improving?their?comfort?level.?The?car?air?conditioning?speech?recognition?system?mainly?consists?of?a?speech?module，?a?microcontroller?control?module，?a?display?module，?etc.?By?controlling?the?LD3320?voice?module?through?a?microcontroller，?the?function?of?the?car?air?conditioning?can?be?processed，?freeing?the?driver's?hands?and?improving?driving?safety.

Keywords：?Speech?recognition；Automotive?air?conditioning；LD3320

隨著汽車工業的快速發展，2020年末中國轎車保有量約為2.81億輛，人們對汽車的要求也越來越高，特別是汽車的安全性、舒適性和可靠性等[1]。近幾年，由于人工智能的快速發展，智能化車載電子產品也越來越多地被開發使用，比如可以通過導航系統查看實時交通情況，優化行駛路線等。由于駕駛員在開車時需要高度集中注意力，因此通過語音技術代替雙手控制這些智能化車載電子產品成為了最佳方案。

在封閉的車廂內，汽車空調往往需要經常開啟、關閉、調節功能等。如果需要駕駛員分心通過手動調節按鈕，非常容易出現事故。因此駕駛員如果可以通過語音控制汽車空調的開啟、關閉、調節溫度、控制風力等功能，就可以解放駕駛者的雙手，從而提高車輛駕駛安全，從而避免這類事故的發生。

1總體設計要求及目標

智能語音在空調上實現應用需要三個環節：首先是獲取——將人發出的語音信號轉化為可處理的數字信號；然后是預處理——對采集到的語音信號進行識別過濾，降噪、消回聲、去混響等處理，形成可準確判斷的有效音頻信號；最后是預設置的語音識別引擎對過濾的語音信號進行識別和分析，從而實現智能反饋要求的規定動作[2]。

汽車空調語音識別系統主要包含四大模塊：語音模塊、單片機控制模塊、顯示模塊、驅動模塊等，其系統框圖如圖1所示。駕駛員通過語音發送命令，語音模塊自動識別語音命令，并將識別信息發送給單片機，單片機根據命令通過驅動模塊控制汽車空調的開關、溫度調節、風力調節、模式調節等功能，并控制語音模塊播報語音信息，進行人機交互，LCD顯示模塊實時顯示當前汽車空調的狀況。

2硬件設計

語音模塊主要具有三個功能：采集語音信息，與單片機進行數據通信，播報語音信息等。該模塊主要由電源子模塊、語音輸入子模塊、語音輸出子模塊、通信子模塊等組成。模塊采用LD3320語音芯片進行設計，可以對駕駛員的聲音信息進行采集處理，并通過串口通信方式將聲音信息發送給單片機模塊，并實時播報單片機模塊發出的聲音指令。

LD3320芯片是由ICRoute公司開發設計的一款語音識別專用芯片，該芯片內部集成了語音識別處理器、模數轉換器、數模轉換器、麥克風接口、聲音輸出接口等。該芯片支持動態編輯關鍵詞語，從而實現語音識別、人機交互功能。

LD3320語音芯片內部結構圖如圖2所示，LD3320芯片將輸入的語音流進行頻譜分析，提取語音特征值，通過語音識別器與內部事前存儲的關鍵詞語列表進行比對，最終將識別結果傳給單片機。LD3320語音識別模塊內部集成了STC11系列單片機，可支持5V和3.3V供電。LD3320語音識別模塊可以實現中文及英文的識別功能，不需要事先訓練或者錄音，語音數據識別準確率高達95%[3]，識別的關鍵詞可以在程序中任意更改，每次識別最多可設置50條候選語音命令，候選語音命令可以是單字，也可以是詞組或者短句，長度不超過10個漢字或者79個拼音。

用戶在使用前，需要設計好待識別的關鍵詞，如“開空調”“關空調”“模式選擇制冷”“模式選擇制熱”“模式選擇通風”“風力調成三級”“溫度調成18度”等，再設計好識別后的語音應答，如“好的，開機”“好的，關機”“好的，調成制冷模式”等，然后更改STC11單片機中的程序，并下載到單片機中。這樣一旦用戶發出規定的語音口令后，聲音被模塊上的駐極體采集后，輸入到LD3320模塊，經過STC11單片機數據處理后，獲得對應的關鍵詞，然后通過串口將要應答的語音信息送給播放模塊，并同時將語音信息傳給汽車空調的主控單片機進行處理。

汽車空調的主控單片機模塊采用STC公司的STC15W4K32S4單片機，其與LD3320模塊、顯示模塊的硬件電路如圖3所示。STC15W4K32S4單片機的P0口作為LCD12864液晶屏的數據端，單片機的P2.0接液晶屏的C/D端，P2.1接液晶屏的RD端，P2.2接液晶屏的WR端，LCD12864采用并口數據傳送方式，液晶屏采用東芝公司的T6963C控制器，可以點陣方式顯示中文字符。STC15W4K32S4單片機的P1口與LD3320語音模塊連接，其中P1.3接LD3320的MOSI端，P1.4接LD3320的MISO端，P1.5接LD3320的SCK端，P1.6接LD3320的NSS端，P1.7接LD3320的RST端，單片機的P3.2接LD3320的IRQ端，采用外部中斷0進行觸發。

單片機串口接收到LD3320語音識別模塊信息后，根據事先設定好的程序，通過驅動模塊控制空調的開啟、關閉、溫度調節、風力調節、模式調節等功能，并將設定好的功能信息發送給LCD12864液晶屏實時顯示，從而實現汽車空調的語音自動控制功能。

LCD12864液晶屏可以顯示四行，每行8個漢字，顯示界面如圖4所示。第一行顯示內容為汽車空調開啟關閉狀態，第二行顯示當前汽車空調溫度數值，第三行顯示當前汽車空調風力值，第四行顯示當前汽車空調的運行模式。

3軟件設計

汽車空調語音識別系統程序主要包括主函數、串口中斷函數、液晶顯示函數等。主函數主要包含識別語音命令、發出執行命令、調用液晶顯示等，其程序流程圖如圖5所示。

單片機采用串口SPI協議，與LD3320語音識別模塊進行數據通信，功能主要為接受LD3320語音識別模塊的數據，識別數據包含的相應功能，通過驅動相應汽車空調模塊進行功能執行，并發出應答信號提醒車主，實現人機交互。串口中斷流程圖如圖6所示。

結語

文中提出了一種汽車空調語音識別系統設計方法，通過LD3320語音識別模塊和單片機技術相結合實現汽車空調的語音識別功能，從而解放車輛駕駛者的雙手，降低車輛駕駛者的精力分散現象，減小駕駛安全隱患。文中給出了汽車空調語音識別系統的硬件電路設計和軟件設計實現方法。經過實際應用測試，該系統能夠非常方便地通過語音控制汽車空調各功能的選擇，識別率較高，能滿足大部分駕駛環境下的汽車空調語音識別條件，具有較高的應用價值。

參考文獻：

［1］李苗，曹陽明，崔丹丹，等．基于單片機的汽車智能語音車窗控制系統設計［J］．汽車電器，2021（06）．

［2］桑亞超，李龍杰，袁傳青，等．關于語音識別在空調上的應用與改善［J］．日用電器，2019（07）．

［3］潘鋒．智能語音控制系統設計與研究［J］．電子設計工程，2016（22）．