基于LIN总线的语音控制智能家居系统毕业论文

一、 引言

智能电子技术在现实生活中的智能家居电子产品中得到广泛应用。特别是计

算机技术、网络通信技术、信息控制技术的迅猛发展与提高，促使家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量，智能化家居也正是在这种形势下应运而生的。智能家居的日渐兴起给人们的家居生活带来了全新的感受，家居智能化正成为一种趋势。

住宅智能化系统的概念是从上世纪70年代末起源于美国，随后，欧洲、日

本等国家住宅智能化也得到了飞速发展。在我国，智能家居这一概念推广较晚，约在90年代末住宅智能化系统进入国内，但其发展的速度非常快，全国已建立了一些具有一定智能化功能的住宅小区和家庭智能化住宅。

智能家居是通过统一的网络总线和控制平台将家庭的电器设备、灯光系统、

安全系统、能源系统等连成一体的。目前智能家居的发展趋势是由集中控制到分布控制。与集中式控制相比，分布式控制不仅能减少布线，而且能提高系统的可靠性，当某一个节点出现故障时，只需将该节点从网络中拿走，而其它节点不受影响。同样，在网络中接入新节点也非常方便，因为不需改动系统的软硬件。

一些对科技发展动向和市场趋势敏感的科研机构和有实力的公司，也已经看

到这个市场的广阔前景，意识到这是一个难得的机遇，开始为研究和开发相关系统和产品进行先期的部署和规划，开始介入智能家庭网络这个全新的领域。

二、 系统方案设计

本系统以凌阳SPCE061A加一个51单片机作为语音识别和中央处理器，采

用LIN总线协议与多个51从机组成分布式控制网络。各个从机安装在房子的各个重要处，例如主人房，客厅，厨房，阳台等。中央处理器的任务是对家庭的各个成员语音命令进行识别，然后把地址命令与控制命令传到LIN总线上，再由连接在LIN总线上的各个从机进行匹配，由从机对家电做出具体的控制。系统框图如图 1所示。

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图 1 系统框图

三、 工作原理

凌阳SPCE061A是一个16位单片机，并且具有DSP处理功能。在训练时，

说话人的声音通过麦克风进入说话人语音信号采集前端电路，由语音信号处理电路对采集的语音信号进行特征化和语音处理，提取说话人的个性特征参数存储到FLASH中，形成说话人特征参数数据库。在识别时，将待识别语音与说话人特征参数数据库进行匹配，匹配后发出相应的命令到LIN总线的主节点，主节点再按照LIN总线所规定的的协议发出相应的报文帧到LIN总线上，LIN各从节点接收到报文帧后匹配自己的ID，然后执行发过来的命令去驱动外部设备。

四、 功能特色指标

功能特点之一：语音命令控制

采用语音命令控制智能家具，摆脱传统的遥控器控制，使系统更具智能化。

而且语音系统还预设了应答命令，及时反馈目前命令的执行情况，人机交互友好。通过预先对系统的训练，各个房间中的各种电器的语音操作命令通过凌阳单片机的采样，经过系统识别得到控制命令，实现对电器的控制。 功能特点之二：LIN总线系统的扩展性良好，且不互相干扰

本次设计不仅仅是语音控制，而且还包括LIN总线的软件硬件设计。根据

LIN总线和本次设计的特点只要将主机发送的控制命令稍作修改增加，该总线就可以在不改变主机硬件的情况下增加相应节点从机（小于12个），从而控制更多

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其他传输速率要求不高的设备，例如可以加入控制洗衣机工作模式的从节点。这体现了该系统的易扩展性。 功能特点之三：较低成本

本次设计选用89S52单片机作为与LIN接口的MCU，语音识别控制使用凌

阳单片机，在实现功能的前提下降低了成本。

五、 方案比较和选择

1．语音控制模块：

方案一：采用AT89S52片机控制，外加专门DSP处理芯片或者语音处理模

块。52单片机具有编程灵活，控制简单的特点，但外加的芯片或模块无疑增加的技术的难度，并且提高了制作的成本。

方案二：采用凌阳单片机作为我们的控制电路核心，凌阳SPCE061A十六位

单片机不仅内置32kFlash，而且集成了语音处理模块。

通过比较，方案一无论从技术上还是从经济上都没有方案二好，基于

SPCE061A构建的语音控制系统具有成本低、使用方便、保密性好等优点。所以选择方案二。

2．组网总线的选择：

智能家居系统最重要的就是能够统一控制，那就要求整个住宅的家具能够组

成一个网络，采用何种总线组网决定了网络的稳定性与健壮性。各种总线之间的比较如图 2所示。

图 2 总线比较

从图中我们可以看到， UART、SPI以及I2C总线虽然传输速度快，但是线

缆长度短，总线上子节点数量也不多，不适用于智能化家居网络。CAN总线传输速度快，线缆长，支持扩展节点多，但是价格昂贵，对于家居网络的低端信号

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传输，CAN总线的作用就大打折扣。LIN总线价格便宜，单主机模式，无需总线仲裁，控制简单，而且线缆长，支持扩展节点多，符合智能化家居网络要求。综上，我们采用LIN总线来作为组建网络的协议。

3．LIN总线收发芯片模块：

方案一：MC33399资料相对较少，且主要配合MOTOROLA型单片机使用，

本次设计不使用MOTOROLA单片机，所以故不采用。

方案二：现在市场上主流用TJA1020芯片作为收发芯片，其优势有能够直接

控制稳压器，从而可以使用低成本稳压模块同类产品中耗电最低（整个节点只需3μA），发送数据（TXD）显性超时功能，防止网络锁死，通过各项独立测试的高电磁兼容性（EMC），并且TJA102还有详细的中文资料和相应的技术支持，这样方便我们的设计。

通过比较，方案二中TJA1020加上52系列单片机便可以构成一个LIN总线

的节点，并且每个节点电路简单，编程控制方便，从经济和功耗的角度考虑，我们选择方案二。

六、 硬件电路设计

本系统包括凌阳SPCE061A单片机硬件设计，SPR4096外扩Flash模块，LIN

总线主从机电路模块的设计，系统电源设计及液晶显示电路模块的设计。 1 凌阳SPCE061A单片机硬件设计

1.1 凌阳SPCE061A单片机最小系统

SPCE061A 最小系统当中，包括SPCE061A 芯片外围的基本模块，晶振输

入模块（OSC）、锁相环外围电路（PLL）、复位电路（RESET）、指示灯（LED）等，如下图所示。

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