[嵌入式]离线语音风扇设计应用案例

1 概述?

随着人们生活水平的提高，对产品的功能要求也越来越高，追求舒适的体验感，特别是对操控性的要求越来越高。目前风扇产品的控制方式有以下几类：

• 按键控制：传统控制方式，每次要走到风扇边才行，操作麻烦；
• 遥控控制：采用红外遥控或者蓝牙遥控，方便远距离控制，但遥控器容易丢，放置也麻烦。且遥控器上按键较少，当风扇功能多的时候无法用单次按键控制全部的功能，组合按键不符合人们使用习惯；
• 手机APP控制：每次控制需要打开手机APP，需要联网，同时风扇需配网，操作繁琐；
• 智能音箱控制：通过如天猫精灵等智能音箱直接控制，相对方便，但音箱需联网状态下才可使用，识别时有隐私安全问题，网络延时大时控制的实时性不好。

为了解决以上痛点，可以采用纯离线语音识别进行控制，在成本增加不大的情况下，为产品带来更多的亮点和竞争力。启英泰伦针对该产品领域，已开发了整套离线语音风扇方案，下面对该方案进行介绍。

2 方案优势?

启英泰伦离线语音风扇相对传统风扇方案，可让用户通过语音控制风扇设备，替换传统遥控器或按钮控制的方式，该方案有以下优势：

• 可以直接使用语音控制风扇，且无需联网，自然方便，识别率可达95%以上；
• 语音控制响应快，一般在0.2~0.8s内完成；
• 可远场识别，安静情况下可达10米；
• 方案功耗低，工作功耗仅为0.2W左右；
• 可靠性好，芯片方案已通过双85测试，满足格力、美的等家电巨头要求；
• 整套产品技术已成熟，具有完整的软件、硬件、结构设计方案，节省开发周期，降低开发难度；
• 配合我司语音AI平台开发，可灵活定制唤醒词和命令词，不需要再专门收集语料训练。

3 应用描述?

风扇产品按照使用电源类型可分为交流电风扇、直流电风扇和交直流电风扇三类，其类型可以分为台扇、吊扇、落地扇、无叶风扇等。启英泰伦离线语音风扇方案适用于各类风扇，其中尤其在落地扇上面的应用较多。

语音风扇产品的使用场景为普通家居环境，在安静和中低噪音下可以达到良好的识别率。其中安静环境的环境底噪在35dB ~ 45dB之间，属于中低噪音环境；开启风扇后环境噪音可达45dB ~ 65dB之间。该噪音环境下可以直接选用我司单麦克风语音模块，如CI-B0XGS01S或CI-B0XGS01S-H模块，以达到比较好的性价比。

特别注意，不同的风扇运行过程中，因为扇叶大小和叶片数量，风量大小差异，运行产生的风噪大小也有不小的差异，为了达到最好的语音识别效果，在设计风扇整机结构时，因注意控制噪音小于65dB。

4 产品设计流程?

一个基于我司芯片的标准语音产品设计流程如下图所示：

该流程主要针对我司新用户开发产品使用，包含了前期购买样品Demo进行验证，硬件选型，语音对话逻辑、软硬件方案和结构设计，设计完成后的测试，以及生产测试准备和后续批量采购等步骤。如果是已经熟悉我司方案的老用户，可以直接从中间步骤开始，不用再重复进行Demo测试等工作。

下面针对新用户的开发，对上述流程中的各个步骤逐一描述。

4.1 DEMO测试?

针对新用户，可以先从我司授权的经销商或直接从我司官网 ?样品购买?处购买对应的模块或开发板套件，进行识别效果测试，相关的软硬件技术文档可以从本文档中心处获取。用户测试满意后，可以进行硬件选型。

4.2 选型指南?

用户硬件选型可以直接参考 ?硬件选型?，如果用户想快速产品化，推荐直接使用我司已设计好的标准模块；如果现有标准模块无法满足产品的结构需求，也可以选用合适的芯片进行硬件板的设计。

4.3 方案设计?

选择好合适的芯片或模块后，可根据产品的功能进行下述设计：

• 语音UI（唤醒词和命令词）设计：设计方法可参考 ?语音UI设计参考；
• 硬件设计：设计方法可参考 ?硬件设计参考；
• 结构设计：设计方法可参考 ?产品结构设计；
• 软件开发：设计方法可参考 ?软件开发。

如用户为首次进行语音方案开发，建议到 ?启英泰伦语音AI平台?上获取基于相关芯片的语音产品方案设计Checklist文档，进行逐一检查以确保设计效果。如有技术支持需求请联系我司技术支持人员。

4.4 测试验收?

产品方案设计完成形成样品后，建议对该样品进行相关的识别测试，相关测试方法和标准可参考 ?识别效果测试。同时，还建议根据产品质量的要求进行各类硬件测试，如双85测试、静电测试等。为了保证最终的识别效果，还建议进行硬件底噪的测试及产品装机后的整机功能测试。

4.5 生产测试?

样机测试完成后，会转入后续产线批量生产阶段。我司为产品的批量生产做了完善的解决方案，用户可以参考 ?生产测试?获取更多信息。用户如需要生产测试的相关技术支持，请联系我司技术人员。

4.6 下单采购?

用户如果要采购我司产品样品，请点击 ?样品购买?，也可以点击 ?样品和批量采购?获取更多信息。

5 风扇设计方案介绍?

5.1 主控方案?

5.1.1 方案特点?

我司的CI110X芯片内置多个IO，可直接取代传统电控风扇中的单片机控制方案，实现单芯片完成语音控制和主控控制，整体成本较低，但需要做语音和主控的开发，前期开发周期长。

为了方便用户使用，我司已提前做了相应的开发，可以提供完整的语音风扇主控方案。

5.1.2 方案框图?

整个方案如上图所示，CI110X芯片作为主控，可以通过麦克风采集外部语音进行识别，通过功放驱动喇叭播音。如为省成本，还可以将功放和喇叭换为蜂鸣器。CI110X芯片还可以接受外部按键及红外信号，兼容传统控制方式。

CI110X芯片可支持数码管显示，以及控制外部的驱动电路，实现电机的控制，可以很好的用一个单芯片实现风扇的全部控制功能。

5.1.3 硬件设计参考?

?风扇电控板的一个硬件参考线路图及IO使用情况见下图，用户可以使用CI110X芯片按照相同的IO使用方式设计硬件电路，可以方便的搭建整套风扇方案。

5.1.4 主控方案SDK包说明?

我司为用户基于上述硬件设计，提供了完整的SDK包，用户可以到 ?启英泰伦语音AI平台?上获取相关SDK开发包。

本SDK包有以下功能点：

• 控制方式：支持蓝牙、红外、按键、语音；
• 风扇模式：支持正常风、自然风、睡眠风、智能风；
• 摇头方式：支持左右摇头、上下摇头、3D摇头；
• 定时功能：支持定时关机功能，可按整数定时1 ~ 15小时。

本SDK包中使用到了硬件timer，使用方式如下：

1. 硬件TIMER0：转速电机控制（不归零码NRZ编码，使用一个IO脚）；
2. 硬件TIMER1：红外接收控制；
3. 硬件TIMER2：蓝牙接收控制（注意，蓝牙接收的数据和红外接收模块基本相同）；
4. 硬件TIMER3：蜂鸣器控制和摇头电机控制。

为了方便代码的移植，每个外设驱动和风扇应用代码都是单独的文件夹，目录说明如下：

针对SDK中一些重要的变量和函数进行说明：

风扇状态变量：

typedef struct
{
    unsigned short user_code : 4 ;//用户码固定位 b'1010*
    unsigned short positive : 2 ;//正转b'00 反转b'11*
    unsigned short sync_motor: 2 ;//同步电机1 停止b'00 同步电机停止b'10*
    unsigned short speed_bit: 8 ;//电机工作范围25~255 0表示电机停止*
    unsigned char mode; //0:正常风 1:自然风 2:睡眠风 3:智能风*
    short time; //0~15H*
    unsigned char led; //1开，0关*
    unsigned char head; //0关闭 1:左右 2:上下 3:3D*
    unsigned char gear; //0关闭 1~24*
}motor_status_struct_data;

风扇初始化函数

路径： ..\sample\internal\sample_1102\src\user_msg_deal.c

/*\* @breif 风扇初始化函数**/
void fan_init(void)
{
//风扇状态初始化
  motor_status.user_code = 0xa;
  motor_status.sync_motor = 0x0;
  motor_status.speed_bit = 0x0;
  motor_status.positive = 0x00;
  motor_status.mode = 0;
  motor_status.head = 0;
  motor_status.led = 1;
  motor_status.gear = 0;
  motor_status.time = 0;
  /*风扇软件初始化*/
  extern void  user_fan_soft_init(void);
  user_fan_soft_init();

  //电机初始化
  agreement_5104_app_init();
  //红外初始化
  extern void ir_test_recive(void);
  ir_test_recive();
  //蓝牙初始化
  extern void bt_test_recive(void);
  bt_test_recive();
  //按键初始化
  extern void ci_key_init(void);
  ci_key_init();
  //数码管初始化
  extern int digital_tube_init(void);
  digital_tube_init();
  //蜂鸣器初始化
  buzzer_init();

  //同步电机2初始化
  sync_motor2_hw_init();

  //温度传感器初始化
  temp_sensor_init();
}

风扇应用任务处理

语音入口和标准SDK一致无改动，蓝牙、语音、按键、红外通过队列sys_msg_queue发送消息到UserTaskManageProcess任务。相关控制处理入口入下图所示例：

uint32_t deal_userdef_msg(sys_msg_t *msg)
{
    uint32_t ret = 1;
    switch(msg->msg_type)
    {
    /* 按键消息 */
        case SYS_MSG_TYPE_KEY:
        {
            sys_msg_key_data_t *key_rev_data;
            key_rev_data = &msg->msg_data.key_data;
            userapp_deal_key_msg(key_rev_data);
            break;
        }
        /* 红外消息 */
        case SYS_MSG_TYPE_IR:
        {
            sys_msg_ir_data_t *ir_rev_data;
            ir_rev_data = &msg->msg_data.ir_data;
            userapp_deal_ir_msg(ir_rev_data);
            break;
        }
        /* 蓝牙消息*/
        case SYS_MSG_TYPE_BT:
        {
            sys_msg_bt_data_t *bt_rev_data;
            bt_rev_data = &msg->msg_data.bt_data;
            userapp_deal_bt_msg(bt_rev_data);
            break;
        }
        #if MSG_COM_USE_UART_EN
        /* CI串口协议消息 */
        case SYS_MSG_TYPE_COM:
        {
            sys_msg_com_data_t *com_rev_data;
            com_rev_data = &msg->msg_data.com_data;
            userapp_deal_com_msg(com_rev_data);
            break;
        }
        #endif
        /* CI IIC 协议消息 */
        #if MSG_USE_I2C_EN
        case SYS_MSG_TYPE_I2C:
        {
            sys_msg_i2c_data_t *i2c_rev_data;
            i2c_rev_data = &msg->msg_data.i2c_data;
            userapp_deal_i2c_msg(i2c_rev_data);
            break;
        }
        #endif
        default:
        break;
    }
    return ret;
}

5.2 配合主控板的串口通讯方案?

5.2.1 方案特点?

如用户不愿意替换原先使用的电控板，也可以用我司的芯片设计语音控制板，和原电控板通过串口进行通讯，也可以实现语音风扇的产品设计。该方式开发相对简单，可以快速对接完成产品，但成本略高，适用于需快速出产品的的方案或者第一次接触语音识别的方案。

该方案的设计框图如下，语音模块与电控模块需要4根线的串口连接，语音模块进行语音识别及根据风扇的状态进行信息播放，控制由电控模块完成。

5.2.2 硬件设计参考?

用户可以使用我司芯片设计需要要求的语音模块，但为快速开发，推荐直接使用我司的以下标准模块：

• CI-B02GS03T：适合空间比较高，纵深长的结构，串口接口电平为3.3V；
• CI-B02GS01S：适合空间比较矮的结构，串口接口电平为3.3V；
• CI-B02GS01J：适合有空间放置固定语音模块的结构，原来的风扇硬件改动较小，串口接口电平为5V。

用户直接使用我司标准语音模块时，有以下注意事项：

• 将语音模块板的串口跟电控串口对接，注意电控的供电需要大于1A；
• 注意串口的电平要匹配，CI-B02GS01J支持5V电平，其他的模块支持3.3V，如果电控板使用5V电平，CI-B02GS01J可以对接直接串口，其它模块需要增加电平转换电路，如下图所示：

5.2.3 串口通讯方式?

语音模块与电控模块通过串口进行信息交互，主要有两种方式，一种为语音模块主动播放，同时将信息发电控模块；另一种为语音模块被动播放，其分别描述如下：

语音模块主动播放模式

主动播放方式主要执行以下动作：

1. 识别到词条，主动播放反馈声音；
2. 将此条信息串口告知电控模块；
3. 电控模块执行动作。

该方式的优点在于控制方式简单，由语音模块单线输出信息给电控模块。但缺点在于无法根据风扇的情况及按键情况进行语音反馈。

语音模块被动播放模式

被动播放方式主要执行以下动作：

1. 语音模块识别到词条；
2. 将词条信息串口告知电控模块；
3. 电控模块执行相关动作；
4. 告知语音模块需要播放的内容；
5. 语音模块根据电控模块反馈进行播放。

该方式的优点在于语音模块根据电控模块的状态进行播放对应内容，可以进行最合适的反馈，体验感好；同时如果电控模块通过按键或者遥控进行控制，语音模块也可以进行状态播放。缺点在于会多一次串口通信的过程。

5.2.4 SDK包说明和模块串口通讯协议?

我司为用户提供了串口通讯方案完整的SDK包，用户可以到 ?启英泰伦语音AI平台?上获取相关SDK开发包。

模块的串口通讯建议使用我司标准协议，具体格式请参考 ?串口协议?。

以下是语音模块发给电控模块的一个命令词及协议参考：

以下是一个电控模块发给语音模块的通讯协议参考：

注意：

1. ASR语言模型中文建议选择SE146，其他语种请使用对应语种的模型。风扇产品自带运行噪音，如果风扇本身噪音大于60db，建议打开降噪功能。
2. 串口设置：
   • 波特率：9600
   • 停止位：1
   • 数据位：8
   • 奇偶校验：无
3. 代码中通过判断 “命令+语音ID”获取是什么指令和功能。
4. 发送的串口信息建议要检查完整性，可以用以下的checksum参考代码来实现。

#define VMUP_MSG_DATA_MAX_SIZE (20)//可根据实际数据大小调整

#pragma pack(1)
typedef struct
{
    uint16_t header;
    uint16_t data_length;
    uint8_t msg_type;
    uint8_t msg_cmd;
    uint8_t msg_seq;
    uint8_t msg_data[VMUP_MSG_DATA_MAX_SIZE];
    /*uint16_t chksum; send add auto*/
    /*uint8_t tail; send add auto*/
}sys_msg_com_data_t;
#pragma pack()

unsigned short Uart_Checksum(sys_msg_com_data_t * msg)
{
    unsigned char i;
    unsigned short t16_lenth;
    unsigned short t16_check = 0;
    uint8_t* rxbuf = uint8_t*&msg->msg_type

    t16_lenth = msg->data_length + 3;//cmd_type，cmd，sequence 加上data数据的长度 
    if(t16_lenth > VMUP_MSG_DATA_MAX_SIZE + 3)//data length error
    {
        return 0xffff;
    } 
    for(i=4;i<t16_lenth;i++)
    {
        t16_check +=  rxbuf[i];
    }
    return t16_check；
}

6 产品结构相关注意事项?

6.1 麦克风结构设计?

风扇产品在设计结构时，针对麦克风应当注意以下事项：

• 麦克风布局尽量远离风扇的风面及电机；
• 麦克风放在风扇的正面/顶部/底部/的位置避免遮挡，保证拾音最大范围；
• 分贝仪测试最大风速下，麦克风处的稳态噪声需小于60dB；
• 麦克风连线较长可选择带屏蔽的线；
• 麦克风线扎捆远离电机或电控线。

下图以落地风扇为例，讲述麦克风结构开孔及位置的建议方式，固定麦克风的结构件也需要考虑麦克风线方便引出导线和避免干扰。

6.2 喇叭结构设计?

风扇产品在设计结构时，针对喇叭应当注意以下事项：

• 考虑到音质，喇叭功率不能太小，建议选用1W以上喇叭，带音腔的喇叭效果会更好一点，同时注意硬件板上的功放驱动能力要匹配喇叭型号；
• 喇叭放置位置以美观及结构布局方便为主，但注意尽量避免和麦克风放在同一位置；
• 不带音腔喇叭可以在结构上做一个音腔密封后能增大音量输出。

下图是一个喇叭规格及开孔的建议。

6.3 其它注意事项?

• 建议选择-32dB±3dB，信噪比大于70dB以上，性价比高的全向模拟麦克风；
• 若风扇旋转震动比较大，选择较厚的麦克风胶套减缓震动，可减小对识别效果的影响；
• 某些显控板在底盘上的落地风扇，或类似易接触水或积累灰尘的风扇，需要选择防水防尘的麦克风；
• 特别注意禁止直接点热溶胶用于固定麦克风头；
• 将麦克风完全插入固定孔内部，避免歪斜，拾音孔中心孔对准麦克风的中心；
• 风扇内部接线多容易扯松，插头配插座带卡扣会更牢固；
• 选择符合环保RoHS要求的RTV硅胶，推荐常用的硅胶有703/704/737等，或其它有机材料、单组分室温固化硅胶等；
• 多数硅橡胶灌胶厚度小于3mm以内实温完全固化时间为8 ~ 12小时，灌胶厚度 > 3mm以上完全固化时间更长，可分层多次浇灌，确保完全固化稳定密封；
• 生产工艺可把固定麦克风工序提前，另外特别注意麦克风接线在重力拉扯下，未完全固化前容易导致麦克风扯歪，也需注意将麦克风插线固定好。

7 相关参考资料列表?

用户如遇到使用问题，请到启英泰伦语音AI平台上提交技术工单，或直接联系我司技术人员获取协助。