带语音识别的智能门锁设计

引 言

防盗锁是大部分家庭都需要购买的锁具，与人们的生活密切相关。锁作为家中第一道安全防线，不仅可以保卫家中安全，更是提升我们生活品质的标志。在智能家居时代，智能锁是智能化时代的体现，机械锁的安全性和便利性已经无法满足人们的需求。“互联网＋”、智慧生活、物联网技术的触角已伸向每家每户都离不开的门锁 [1]。此前，智能门锁、安防门锁、电子门锁等主要在办公楼、酒店宾馆等地使用，如今随着家庭安防需求的增加及智能产品的普及，家用门锁已成为智能化抢占的市场。近期，智能门锁产品层出不穷，在智能化和安全性等方面精益求精，目前已研发出人脸识别锁、指纹密码锁、刷卡锁和数字密码锁等。智能门锁作为新一代识别技术优势明显，将逐渐取代纯机械锁，成为锁具行业的新主角，并且这一趋势不可逆转。本文所设计的智能门锁使用声纹识别技术， 不仅使家用门锁在安全性和便利性等方面得到了大幅提升，还可使用 APP 远程控制进行门锁的开关动作，远程监视门锁的开关状态。

1 系统设计

1.1 系统设计要求

SPCE061A 单片机可对特定人员进行语音识别，识别成功率高达 80% 以上，还可控制高低电平动作进行开锁操作； 另一方面通过手机 APP 或网页端与服务器连接后，服务器与WiFi 模块可进行通信并传输数据，由 WiFi 模块向单片机输入信号，单片机动作以实现对门锁的远程控制。

1.2 总体设计方案

本系统设计的基于 SPCE061A 单片机的语音识别智能门锁的主要组成包括 61 单片机、WiFi 模块ESP8266、传感器、网络服务器、门锁控制终端、LED 灯控制终端、继电器、电子锁。

61 单片机可进行语音录入，通过对语音信号进行压缩编码，运用压缩算法放音，再通过编写的程序进行训练，将训练后的语音自动存储在片内存储器中，训练成功后即可进行语音识别。方案设计如图 1 所示，其客户终端可选手机 APP 或网页，网络服务器采用贝壳物联云端服务器，WiFi 模块与家中WiFi 互联后再与单片机系统相连，就可通过 WiFi 模块将来自互联网的控制命令转发至串口，此时WiFi 模块的串口与单片机串口相连，单片机解读串口数据命令，由继电器通过单片机 I/O口输入的电平变化选择发生阶跃响应，触发电子锁， 实现手机 APP 或者网页对其的控制。

                                                                                                                                               图1 总体方案设计

2 硬件电路设计

2.1 单片机最小系统

系统采用SPCE061A 单片机进行语音识别 [2]。SPCE061A 单片机具有功耗低、功能强、效率高、可靠性好且易于扩展等优点。SPCE061A 配备了凌阳科技开发的最新 16 位微处理器，其内部含有 8 个寄存器，4 个通用寄存器 R1 ～ R4，1 个程序计数器 PC，1 个堆栈指针 SP，1 个基址指针 BP，1 个寄存器 SR，通用寄存器 R3 和 R4 结合组成一个 32 位寄存器MR，MR 可以作为乘法运算和内积运算的目标寄存器[3]。此外， SPCE061A 还有 3 个FIQ 中断和 14 个IRQ 中断，及1 个由指令控制的软中断。客户终端采用 Arduino 单片机系统实现 [4]， 其核心是 ATMEGA328P-AU 单片机，配上周边器件，安装在一快印刷电路板上能够独立完成设定功能，同时还能通过各类传感器感知环境，通过控制灯光、马达和其他装置来反馈、影响环境。Arduino 单片机系统一端通过传感器与门锁相连， 一端通过 ESP8266 WiFi 模块与家庭 WiFi 相连，由此实现通过手机 APP 控制门锁开关。

2.2 语音识别模块

将 SPCE061A 单片机用于语音识别模块 [5]，SPCE061A的内部结构如图 2 所示。

模块含有 84 个引脚，可进行多输入输出操作，且 32 k的 FLASH 存储器可进行语音存储，7 通道 10 位模 / 数转换器与单通道声音模 / 数转换器可方便对语音进行模数转换 [6]。

语音识别模块分为训练阶段和识别阶段 ：在训练阶段，先初始化 RAM，再调用语音训练函数 BSR_Train（int WordID，int TrainMode）执行训练，之后获得训练结果，将训练结果中的语音模型导出存储到 FLASH 中。SPCE061A 语音存储和回访系统如图 3 所示 [7]。

在识别阶段， 运用凌阳编码算法库中的函数进行识别， 先调用初始化识 别器函数 BSR_InitRecognizer（int AudioSource）， 将存储的训练语言的特征模型调出与需要识别的语音比对， 再调用获得识别结果可信度函数 BSR_ GetRecognizerScore（）获取输入语音与特征模型的匹配度 [8]。

2.3 继电器模块

继电器模块选用中间继电器，当传感器收集语音信息读入单片机系统后，单片机系统会发出一个高电平使继电器线圈通电，之后继电器主触点闭合，同时使电子锁 [9] 与电路之间的开关闭合，进而控制电子锁的开关。硬件电路框架如图 4所示。

3 软件设计

ESP8266 为安信可公司开发的 ESP8266 模块编译平台，具有免安装、纯绿色、无需虚拟机、Windows 系统直接运行、IDE 界面、编辑和编译一体化、Eclipse 编译后直接生成固件等优点 [10]。

该智能门锁下位机通过公共云端将用户的控制动作传送至 ESP8266 芯片，再通过 Andruin UNO 面板实现该动作，流程如图 5 所示。

贝壳物联云平台采用以 TCP 协议为主，UDP 协议为辅的形式进行通信，两种协议间信息互通。在 TCP 协议基础上， 可直接使用 TCP 或WebSocket 建立长连接，定时发送心跳数据，保持用户、设备在线，在线期间与服务器可进行 JSON 字符串格式的数据通信，也可采用 http（s）通信协议获取用户资源、上传图片，并实时更新。以 UDP 协议为基础的通信，设备不必保持在线状态，可随时向服务器发送指令进行相关操作。

传感器采集门锁的开关状态，反馈至 8266 模块，8266 模块将即时状态通过云端传递给贝壳物联服务器，服务器可通过两种方式提示用户门锁的状态 ：一是手机客户端，即APP ；二是网页。用户可根据实际情况控制门锁。

本设计的目的在于方便用户通过手机打开门锁，因此需判断上电显示是否与预定相同，可采用 ESPlorer进行仿真验证。程序开始后，初始化函数，将 ESP8266刷入NodeMCU固件， 默认执行Init.lua中的程序，在 Init.lua中再调用并执行 switch. lua程序（远程开关程序），之后在 ESPlorer环境下编写程序。

4 性能测试与分析

本软件完成了各模块的设计并对各模块进行了测试，测试工具包括 Android 手机和笔记本电脑。利用“贝壳物联”作为云端，在 Android 手机上运行客户端软件，用户登录后可以进行相关操作，登录界面如图 6 所示。

在贝壳物联软件中添加设备，实现对其的控制。WiFi 模块选用 ESP8266，该模块与家中 WiFi 互联后再与单片机系统相连，之后可通过 ESP8266 芯片转发来自互联网的控制命令至串口。图 7 所示为已实现添加的门锁设备，连接完成后通过手机控制门锁的开关。

5 结 语

本系统基于 SPCE061A 单片机语音识别系统设计而成，通过语音训练后，将传感器采集的用户声音与之前的样本进行比较，触发电子锁，实现语音开锁，识别率高。以MEGA328P-AU 单片机作为控制核心，通过 WiFi 与电子锁相连，实现智能开锁，降低成本。以手机 APP 作为控制终端，随时随地实现对系统的控制和监控。该智能门锁具有开锁简便、安全性能良好、能耗小、成本低等优点，能够较好地满足市场需求。