一、緒論1.1課題來源電梯對于現代化的城市來說，已經特別普遍。隨著生活水平的顯著提高，人們對便捷、方便、智能化的生活有越來越多的向往。更是由于新冠疫情發生，電梯轎廂作為一個體積狹小的公共空間，如何采取有效的防控措施，成為大家的關注點。為讓城市中這類公共空間更加“智慧”，降低乘梯時的接觸感染風險，使得智能電梯語音系統成為了一個熱門的研究課題。1.2課題的研究目的及意義隨著新時代城市文明化以及現代化建設步伐的加快，電梯作為高層建筑物中的重要垂直行動的搭乘設備，因此電梯的使用范圍不斷擴大。進而人們對電梯設備的智能化、人性化需求日益提升。尤其是新冠疫情爆發之后，更是體現了智能語音電梯的重要性。現在人工智能日益發展，已經在許多領域得到了廣泛的應用。在智能人機交互領域，微型控制器與各種語音芯片相結合，就能夠完成語音的合成技術，使得人機語音交互的實現成為可能，廣大人民更加人性化服務的需求變為現實。隨著現代化建設的推廣，現在的智能大廈要求電梯能夠安全平穩地將乘客送達目的地之外，還要求能夠解放乘客雙手實現全智能。電梯在傳統的樓層預報外還可以可以語音互動、播放音樂、特定層站說明、特定情況提示等。目前大部分電梯廠家生產的電梯都未實現智能語音交互功能，因此，開發一種適合于各種型號電梯、能夠實現人梯交互的智能電梯語音系統是十分必要的。通過本系統，乘客可以通過語音輕松下達樓層指令，不用擔心雙手被占用無法按樓層，也更大程度的減少乘客因為按鍵導致的交叉感染風險，為大家帶來了更加舒適、便捷、安全的生活方式。給普通的電梯賦予了生命力，讓科技不再是冰冷突兀的存在，而是時刻圍繞著用戶的需求，大程度滿足用戶的個性化需求。改善人們的生活方式，增強居民生活的安全性，符合疫情當下的剛需。通過該課題設計，復習了老師在學校所教的知識，并將這些知識應用到課題設計中，在此期間我自己也查閱文獻，熟悉了語音識別技術。該項技術對未來的生產生活有著重大影響，所以該課題的研究就賦予了時代的使命。1.3國內外研究現狀人類的語音是當今通信系統中最自然最普通的交流媒介，語音識別技術是人類和機器交流至關重要的技術，該技術的實現以及成熟就能解決機器“理解”人類語言的重大難題，所以一直也受到各國科學界的廣泛關注。現在隨著技術研究的突破，該項技術對計算機發展和社會生活的重要性逐漸的展露出來。通過語音識別技術開發出來的產品應用領域遍布于社會的每個角落，如聲控撥號電話、語音記事本、手機語音助手、無人超市、自助語音下單、醫療服務、語音通信系統等，都對我們的生產生活帶來了極大的便利，幾乎滲透到各行各業當中。由于國家對于新型技術很重視，我國語音識別技術的研究一直處于國際中等水平。國內很多研究所、高校都在對語音識別技術進行深入研究和再開發。為了該項技術的突破，國家還對該技術的研究成立專家團隊，在眾多科研人員的努力下取得了高水平的科研成果。我國中國科學院自動化所研制的非特定人、連續語音識別系統和中文語音人機交互系統，其失誤率低于10%。目前的聲音技術公司屬科大訊飛是中國最具影響力的，該公司成立于20世紀90年代末。由于使用USTC語音處理技術并且得到了國家的大力支持，這家公司很快就找到了明確的方向。根據大量數據統計，該公司語音識別技術占據了中國語音識別市場的半壁江山，已經算是該行業的領導者。國內很多知名互聯網企業也陸續加入進來，例如搜狗公司，搜狗剛開始使用的是第三方語音識別引擎，但是在很短的時間內就搭建起屬于自己的引擎，目前主要應用于搜狗輸入法。騰訊公司的微信團隊也建立了屬于自己語音識別引擎，主要用于語音向文字轉換，應用于微信聊天中，極大的便利了使用微信的人群。國外在語音識別領域比我國起源要早。在國外提到語音識別都會想到Nuance這家公司，該公司在歷史上曾經一度是行業龍頭，據報道說該公司的識別引擎技術已被世界上八成以上的語音識別公司使用。直至現在仍然是全世界最大的語音識別公司，掌握著全世界最多的語音識別專利。英國語音技術公司VocalIQ同樣開發了語音智能識別軟件，能夠自然地幫助計算機與用戶進行人機交流，使用戶的體驗性大幅度提高。1.4本文研究內容本文在傳統電梯的基礎上加入語音識別功能，從而達到乘客可以通過語言向電梯下達樓層指令。由于電梯內空間較小而且人員復雜，需要語音識別芯片可以設置喚醒詞，在喚醒電梯后才會進行識別乘客的樓層指令，防止將電梯內的雜音錯誤的當成指令記錄，從而給乘客帶來不良體驗。該語音識別芯片還需要實現可以多人下達指令，不同音色不同性別都可識別，語音指令的識別度高，而且識別的關鍵詞語列表可以動態編輯，符合在電梯環境下使用。語音芯片在采集并分析乘客語音信號后將分析后的信號發送到單片機，單片機在接收到語音芯片發出的信號后下達相應的指令操控電機，從而驅動電梯上下行。例如乘客需要上二樓，單片機讓電機正轉兩圈。當電梯到達指定樓層后進行樓層信息播報。

二、智能電梯語音系統總體方案設計2.1系統的設計概述智能語音電梯設計的初衷是為廣大乘客帶來更為先進、便捷且安全的生活方式。給每個電梯注入新的靈魂，使乘坐的電梯不再是冰冷的機器，讓新型智能語音電梯更加貼近人們的需求，將“以人為本”的理念滲透其中。智能電梯語音系統的軟、硬件兩部分都應該具有一定的領先性，從而延長它的使用生命周期，更長時間的為人們服務。也應該保證超高的性價比，從而得到市場良性的反饋，擴大人們對智能電梯的需求，使高科技帶來的便捷生活走進普通家庭中。在系統的設計過程中，應充分考慮到現階段人們對智能和便捷生活的需求，也應考慮到日后功能的完善與升級。本文的智能電梯語音系統通過非特定人語音識別技術、計算機技術、自動控制技術等結合而實現的。智能電梯語音系統要求乘客能通過語音下達指令，操控電梯到達指定樓層，比如電梯檢測到乘客發出的一級口令“你好電梯”后回復乘客“我在”，當乘客下達二級口令“去二樓”，電梯檢測到乘客的二級語音指令并進行語音識別，然后于數據庫進行比對，比對通過后回復乘客“二樓已登記”。乘客也可以隨時更改目的樓層，智能語音電梯也可以隨時更換登記信息，當電梯準確到達目的樓層后進行語音播報當前樓層。2.2系統設計方案在通過多種渠道多種方式查看參考資料后，預設了兩種系統方案，并從中選擇出最適合該課題設計的方案。方案一：采用STC89C52單片機作為本方案的MCU，使用LD3320非特定人識別芯片作為語音識別模塊的芯片，該模塊還集成了聲音識別處理器和外部電路，包括模數轉換器和數模轉化器、麥克風、語音輸出和其他接口，使用者無需再連接任何其他附加設備。比如閃存芯片，隨機讀寫芯片等等。該方案的設計電路非常精簡，只需要將所用到的芯片按照規定原理連接就可以使用，上手難度極低。該語音模塊可以直接集成在其他芯片上使用，語音識別準確率高于90%，價格低廉應用市場非常廣泛。該方案工作流程使通過分析語音指令產生脈沖信號來控制電機的正反轉的運動狀態，用電機的正反轉模擬電梯的上下行，最后到站進行語音播報。本方案結構框圖如下所示：圖2.1STC單片機方案框圖方案二：使用SPCE061A單片機作為主控芯片，該芯片不僅有語音的識別模塊，而且還有語音播報和錄制播放的功能模塊，使用非常簡單，只需要外接咪頭和揚聲器就能夠實現該方案主要的功能，非常適合初學者使用。唯一缺點是實現成本較高，以下是本方案的核心結構框圖。圖2.2凌陽61核心方案框圖通過對預設方案的對比：方案一的性價比較高且實現成本比較低，該方案的語音識別模塊采用非特定人語音識別芯片，同時LD3320語音識別芯片具有高于90%的識別準確率，該芯片不需要提前進行特定人語音錄入。與其他語音識別芯片相比，LD3320具有高度集成的特點，外圍的拓展口可以接入功放器和咪頭。所以LD3320芯片在語音識別上具有其他語音識別芯片不具備的優勢；方案二中的SPCE061A單片機集成度很高，大量的使用在生產生活中，但是由于SPCE061A單片機在軟件程序部分的設計與編寫難度較高，同時性價比較低，實現成本較高，故不適合選擇。綜上所述，經過這兩種方案的橫向與縱向的對比之后，最終決定本次智能電梯語音系統設計采用方案一。2.3本章小結 本章詳細的描述了系統的設計概況，列出兩種實現方案，分別進行了簡要的闡明，對這兩種方案進行比較之后選擇最優的設計方案。

智能電梯語音系統的硬件設計3.1系統硬件總體設計本系統以STC89C52控制器為核心，語音模塊使用LD3320語音識別芯片為人與電梯的交流的媒介，進行乘客語音指令的采集和識別。驅動模塊使用L298N芯片來驅動電機。通過語音芯片采集并判斷外界語音信號，將判斷后的信號傳遞給單片機，單片機對L298n芯片下達相應指令，從而驅動電梯上下行，到站后MP3進行語音播報。圖3.1系統總體設計原理圖3.2語音識別模塊的電路設計本系統采用LD3320非特定人語音識別芯片，具有高識別度和實用的語音識別效果，由ICRoute公司設計研發。智能電梯語音系統設計是圍繞LD3320語音識別芯片設計的，作為本系統的開端。LD3320的VDD引腳電源輸入為3..0V-3.3V，VDDIO電源輸入為1.65V-VDD，VDDA電源輸入為3.0V-4.0V，在本系統設計中都使用3.3V電源。該芯片P0-P7引腳分別接單片機的AD0-AD7引腳，A0與單片機A8引腳相接，WRB、RDB分別接單片機的WR、RD引腳。CSB引腳接到單片機A14引腳，INTB接到單片機的INT0引腳。圖3.2智能電梯語音系統工作流程圖3.3微控制器芯片電路設計以目前智能電梯的使用需求來看，對于微控制器的選擇應考慮其目的，它的主要目的在于對系統的信息采集和控制，所處理的僅僅是一些單純的數據，因此并不需要追求太強的算力。由于微控制器在信息采集、處理、控制等領域都具有低成本、高效能、低功耗的特點，就使其成為物聯網中最重要的硬件參與者。現在市面上單片機種類比較多，每種單片機都有自己的優缺點。STC89C52是一種小型單片機，是電子工程師常用器件，由深圳宏晶科技公司生產。與普通的8051內核單片機進行對比，該單片機的功能、性能以及運行速度上都大幅度提升。其主要特點為軟件、硬件與MCS-51完全兼容，將多功能8位CPU和閃爍存儲器一起集成在一個芯片中。而且該芯片采用Flash存貯器技術，降低了制造成本，中國市場廣大用戶很容易接受。其程序的電可擦寫特性，使開發人員進行試驗得到極大便利。該芯片的高靈活、超有效且低成本的特性也為嵌入式控制應用系統做出了巨大的貢獻。LD3320語音識別芯片的工作電壓為3.3V，因為其輸入輸出接口需要與主控芯片的輸入輸出接口進行連接，為保證單片機可以正常工作，本系統采用3.3V單片機。本系統中RST引腳接該芯片復位電路，復位是用于單片機的初始化操作。使用10K的電阻與10uF的電容并聯，并聯后分別接RST、GND，作為該單片機的復位電路。XTAL1、XTAL2用于外接時鐘電路，將兩個30uF的電容串聯，之后再與12m的晶體振蕩器并聯，作為該單片機的時鐘電路。T2、T2EX、P1.2、P1.3分別與L289驅動芯片的IN1、IN2、IN3、IN4引腳相接，用于將語音指令傳給驅動芯片。主控芯片引腳RXD接MP3的TX引腳，TXD接MP3的RX，用于向MP3發送數據。圖3.3微控制器電路設計圖3.4驅動模塊的電路設計本系統的電梯驅動將使用L298N芯片，由ST公司研發。L298N的工作電壓在5~35V之間，它相應頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機或者一個步進電機，而且還帶有控制使能端。將該芯片OUT1、OUT2、OUT3、OUT4引腳都接到步進電機上，驅動電機運轉。用該芯片作為電機驅動，性能好、操作方便，穩定性，由L298N結合單片機可實現對電梯運轉的精確控制。圖3.4智能電梯語音系統工作流程圖3.5語音播放模塊的電路設計MP3-TF-16P是一個提供串口的語音模塊，此款產品的最大特點就是使用方便，穩定可靠。可以通過串口發送指令完成播放指定的音樂，無需繁瑣的底層操作。當語音識別模塊識別到語音指令后可以對IO口做一系列的操作，然后輸出高低電平或者從串口發送數據到播放模塊，MP3接收到指令后播放相應語音信息，這樣就實現了語音交互。MP3-TF-16P模塊一共有16個引腳，VCC是模塊的電源輸入引腳，該模塊的輸入電壓范圍是3.3-5V，所以該模塊接5V電源供電。RX、TX引腳分別是UART串行數據輸入、輸出。RT引腳接單片機TX引腳，TX引腳接單片機RX引腳，交叉相接就實現了單片機輸出信號時MP3準確接收。SPK1、SPK2引腳分別是接喇叭負極和正極，該模塊可以驅動小于3W的喇叭，所以這里接0.5W8Ω喇叭進行語音播報。GND引腳接電源負極。BUSY引腳是播放指示，有音頻播放時是輸出低電平，沒有音頻播放時是輸出高電平。圖3.5智能電梯語音系統工作流程圖3.6本章小結 本章展示了該系統硬件總體設計原理圖，分別對系統中各模塊電路設計進行了詳細的描述。

四、智能電梯語音系統的軟件設計在之前的章節中，已經介紹了系統的整體架構，所需語音識別芯片、主控芯片以及驅動芯片的選擇，完成了系統的整體框架。在這個基礎上，本章將研究設計智能電梯語音系統的軟件功能模塊。4.1智能電梯語音系統工作流程根據對智能電梯語音系統的功能分析，可以得到本系統的工作流程為：主程序系初始化，之后當Mic檢測到一級語音信號后，系統會進行應答。當檢測到二級指令后進行語音識別并分析，通過后就會將語音信號與芯片的存儲器進行匹配，若是語音信號與芯片中關鍵詞比較后相似度高，主控芯片就發信號給MP3并向驅動模塊下達控制信號，驅動模塊根據主控芯片的指令去控制電機進行順時針、逆時針運轉，完成指令后MP3進行語音播報。圖4.1智能電梯語音系統工作流程圖4.2語音識別模塊程序設計語音識別模塊軟件程序設計中會讓使用人員提前添加識別關鍵詞到芯片寄存器的語音庫中。當語音識別芯片開始工作后，要對內部進行初始化，再此之后需要對使用人員的指令字符串進行號碼編排，并分別將指令字符串和指令字符串的長度一起存儲到存儲器中，在每次識別的過程中能夠進行一次字符串的添加，所以才能實現語音識別芯片對語音指令的識別。語音識驅動程序的工作流程為通用初始化、LD3320初始化，寫入寄存器語音庫，進行語音識別，響應識別中斷。圖4.2語音識別模塊程序設計圖4.3微控制器程序設計主控在芯片的作用是接收語音識別芯片識別后的信號，在接收到一級口令信號（喚醒）后，單片機控制MP3進行應答。當單片機接收到二級口令（樓層指令）信號后，分析判斷信號并發送給驅動模塊相應的指令。圖4.3微控制器程序設計圖4.4驅動模塊程序設計單片機接收到來自語音識別芯片的信號后，把相應指令發送給驅動芯片，驅動芯片去驅動電機正反轉，執行來自乘客的指令，實現了語音操控功能。圖4.4驅動模塊程序流程圖4.5本章小結 本章主要對智能電梯語音系統的軟件設計進行了模塊化劃分，并對每個模塊進行了詳細的介紹。整個系統的軟件設計流程就很清晰了。

五、智能電梯語音系統的仿真5.1程序的加載與導入繪制好系統接線圖之后，進行程序的加載與導入。在這里我選用了Keil軟件。Keil是一款兼容單片機C語言的軟件開發系統。首先安裝Keil程序并打開，新建項目，并在項目中添加源文件與頭文件，然后按照設計要求進行軟件程序的編寫。軟件程序編寫完成后，點擊PROJECT，在其中找到并點擊BUILDTARGET，對編寫的程序進行編譯。當BUILDOUTPUT欄中提示0ERROR時，編譯完成。最后生成可執行的文件（文件的后綴為.hex）。接下來打開PROTEUS，雙擊已經放置好的STC89C52單片機，將123.hex文件導入到STC89C52單片機中。如下圖5.1所示。圖5.1導入hex文件圖5.2系統仿真 在智能電梯語音系統設計中為實現語音控制電梯，加入了LD3320語音識別芯片，但是在Proteus仿真軟件中沒有該模塊，因此語音識別模塊在仿真中用串口發送指令來代替。在PC端手動輸入程序中寫好的16進制的樓層去向代碼，點擊手動發送來模擬代替語音識別的過程。PC端輸入指令通過串口將指令傳給單片機，相當于給單片機一個通訊方式。在設計中為了實現到站后語音播報樓層信息而引入了MP3模塊，但是在Proteus中也沒有MP3模塊，因此在仿真過程中該模塊用LCD顯示器和蜂鳴器來代替。LCD顯示器會在仿真過程中動態展示當前所在樓層和目的樓層。當到達指定樓層后，蜂鳴器會相應的響幾次，LCD顯示器也會顯示當前在幾樓。在仿真圖中用步進電機的順時針、逆時針轉動來形象的模擬電梯上下行運動。仿真圖如下所示：圖5.2智能電梯語音系統仿真圖在PC端串口助手中寫入16進制指令，例如1樓上4樓。輸入指令界面如下圖所示。圖5.3串口助手發送指令執行1樓上4樓指令后電機開始順時針轉動，LCD顯示器的目的樓層顯示4，當前樓層動態由1逐漸顯示為4。當到站后電機停止轉動，蜂鳴器響4下代表4樓到了。LCD顯示器當前樓層顯示4，不發生變化了。LCD顯示情況如下圖所示。圖5.4LCD顯示樓層信息接下來執行4樓下2樓指令，輸入指令界面如下圖所示。圖5.5串口助手發送指令執行4樓下2樓指令后電機開始逆時針轉動，LCD顯示器的目的樓層顯示2，當前樓層動態由4逐漸顯示為2。當到站后電機停止轉動，蜂鳴器響2下代表2樓到了。LCD顯示器當前樓層顯示2，不發生變化了。LCD顯示情況如下圖所示。圖5.6LCD顯示樓層信息由于電機順時針、逆時針運轉無法用截圖展示，故在操作過程中沒有電機部分圖示。結論與展望科學技術的發展，給人們的生活帶來了日新月異的變化，智能語音電梯的出現更是打破傳統電梯給人們的固有印象。智能語音識別技術的飛速發展使得語音互動也慢慢的被大眾所熟知和應用，人們可以通過語音就可以輕松的跟電梯溝通互動，給人們提供了更便捷的生活方式。本文的智能電梯語音系統是基于非特定人語音識別技術和STC89C52單片機的，實現了對電梯的語音控制。本文完成的主要工作：1.通過查閱大量的國內外文獻，了解了目前智能語音技術的現狀以及未來的發展方向，為開展智能電梯語音系統的研究工作提供了基礎，也使自己對所選的課題的研究意義有了更深刻的認知。2.對智能語音電梯中所涉及到的各芯片進行了分析與對比，著重對語音識別技術、微控芯片進行了詳細的介紹，對目前在智能語音電梯領域主流的技術進行了全面的了解，確定了最終技術方案。3.對智能電梯語音系統的硬件進行了設計，主要包括微控芯片、語音模塊以及驅動芯片的電路設計。4.對智能電梯語音系統的軟件進行了設計，主要包括智能電梯語音系統流程設計、軟件的主程序設計。5.了解了仿真軟件Proteus并對智能電梯語音系統進行了仿真。未來的智能語音電梯一定是面向的全世界人民的，智能語音電梯會出現在每一個居民的身邊，因此需要一個更強大、更穩定的后臺和控制系統。本次設計的遺憾就是沒有將乘客在電梯外想要語音呼叫的情況涵蓋，以及在仿真中沒有實現先通過以及口令喚醒電梯，之后在下達二級指令等這些情況。自己還需要潛心研究，在之后的學習生活中多多查閱資料學習新知識，將這些情況全部加入，將該智能電梯語音系統設計做完整。我心目中智能電梯未來的樣子應該是有著豐富的應用場景。真正的匯聚大量技術的一個生活的載體它應該有三個核心要素：第一，要有科技的內核；第二，它有優雅的展示方式；第三，能解決生活當中遇到的現實問題。未來電梯最關鍵的的核心是讓科技去服務生活，讓科技不是冰冷突兀的存在，而是圍繞著居民的需求而存在，讓每一位用戶智能、便捷、安全的生活。參考文獻[1]隗東平,古麗米拉·克孜爾別克,吾拉木·麥麥提肉孜,阿布都海比爾·艾爾肯,再吐尼木·卡斯木,地阿熱·阿布都沙拉木,艾熱帕提·多力坤.智能電梯管理系統[J].國外電子測量技術,2020,39(09):110-114.[2]趙曉磊,齊秋菊,郭春超,霍旭陽.聲控護理床起降系統的設計[J].科技傳播,2015,7(19):158+155.[3]衛靜婷,陳利偉,黎斌,譚露雯,鐘佳勝.基于STC89C52的語音控制和自動避障智能小車的設計[J].電子測試,2019(15):24-25+20.[4]李勇,蔡利強,譚國炎,陳豪,寸超.基于STC89C52單片機的家居設備語音控制系統設計[J].科技與創新,2018(05):130-131.[5]張代旗,陳浩楠,鄭琳.基于STC89C52的無線自動到站提醒系統的設計與實現[J].衛星電視與寬帶多媒體,2019(05):1-2.[6]李洋博,趙澤林,李圓,丁聰,康哲,索依娜.基于32單片機控制的智能語音刷卡系統[J].電腦編程技巧與維護,2019(03):125-127.[7]張林,常遠成,趙貝雨.以STC89C52單片機為基礎制作的智能垃圾桶[J].福建電腦,2021,37(02):114-115.[8]陳熙達.基于STC89C52的智能語音沐浴控制系統[J].科技風,2020(20):18.[9]楊瑞萍,陳博.基于STC89C52的智能語音藥箱控制系統的設計[J].電子制作,2021(01):25-27.[10]黃志偉．STC89C52f32位ARM微控制器應用設計與實踐[M]，北京：北京航空航天大學出版社，2012．[11]郭穩濤,何怡剛,廖學坤.基于單片機控制的新型智能電梯語音系統設計[J].電子設計應用,2007(12):108-110.[12]陳軍,羅維平.基于姿態傳感器和ARM板的電梯智能語音系統[J].傳感器與微系統,2020,39(02):88-90.[13]靖大同,吳向前,司志澤.基于ISD4004芯片的電梯智能語音系統的設計[J].電子世界,2012(21):35-36.[14]高翔.基于LD3320的語音智能加熱杯系統設計[J].軟件,2020,41(12):129-133.[15]劉瓊.基于嵌入式微處理器的人機語音交互系統的設計與研究[D].南京郵電大學,2020.[16]沈周鋒.具有語音識別功能的加濕器的設計與實現[J].黃岡師范學院學報,2020,40(06):51-55.[17]宋朝霞,舒瑞康.基于LD3320的語音識別智能家居控制