带语音识别的智能门锁设计摘 要：方案提出基于SPCE061A单片机，辅以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、电子锁的语音识别智能门锁。系统使用无线模块对数据进行无线传送，能耗低，可有效避免同频干扰且安装灵活，操作快捷，可与多账号通信，通过门锁开关信息的反馈，实时监控家中门锁的状态。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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]。

　　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。

　　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 协议为主博鱼中国官网，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。

　　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。

　　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。

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