简介：离线语音蓝牙音箱**

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项目目标：

设计并实现一个离线语音控制的蓝牙音箱。用户可以通过语音指令（无需联网）控制音箱播放本地存储的音频文件或通过蓝牙连接播放来自手机或其他设备的音频。

核心功能：

1. 离线语音识别与控制： 音箱内置离线语音识别模块，能够识别预设的语音指令，例如“播放”、“暂停”、“上一首”、“下一首”、“音量增大”、“音量减小”等。
2. 本地音频播放： 音箱能够播放存储在本地存储介质（如SD卡或Flash）中的音频文件（支持常见的音频格式，如MP3、WAV、FLAC）。
3. 蓝牙音频接收与播放： 支持蓝牙音频接收功能（A2DP协议），可以与手机、平板电脑等蓝牙设备配对连接，播放来自这些设备的音频。
4. 音频输出： 通过内置扬声器或外部音频接口输出音频。
5. 状态指示： 通过LED灯或其他方式指示音箱的工作状态（例如，蓝牙连接状态、播放状态、语音识别状态等）。
6. 按键控制（可选）： 除了语音控制，还可以通过物理按键实现基本的操作，如电源开关、音量调节、模式切换等。

系统架构设计

为了构建一个可靠、高效、可扩展的嵌入式系统平台，我将采用分层架构设计。这种架构将系统划分为多个独立的层次，每个层次负责特定的功能，层次之间通过定义良好的接口进行通信。这种设计方式可以提高代码的可维护性、可重用性和可扩展性。

系统架构图：

+---------------------+
|     应用层 (Application Layer)     |  例如：语音指令解析、播放控制、状态管理
+---------------------+
|     中间件层 (Middleware Layer)      |  例如：音频解码、蓝牙协议栈、语音识别引擎、文件系统
+---------------------+
|  操作系统抽象层 (OSAL - Optional) |  如果使用RTOS，提供统一的操作系统接口
+---------------------+
|     硬件抽象层 (HAL - Hardware Abstraction Layer)    |  例如：音频接口驱动、蓝牙模块驱动、存储器驱动、GPIO驱动
+---------------------+
|     硬件层 (Hardware Layer)      |  例如：MCU、音频Codec、蓝牙模块、存储器、扬声器、麦克风、LED
+---------------------+

各层功能详细说明：

1. 硬件层 (Hardware Layer):

   • MCU (Microcontroller Unit): 系统的核心处理器，负责运行软件、控制硬件设备。选择具有足够处理能力和外设接口的MCU，例如基于ARM Cortex-M系列的MCU。
   • 音频 Codec (Coder-Decoder): 负责音频信号的模数转换（ADC）和数模转换（DAC），实现音频的采集和播放。
   • 蓝牙模块： 实现蓝牙通信功能，支持蓝牙协议栈。
   • 存储器： 用于存储程序代码、音频文件、语音模型等数据，可以选择Flash存储器、SD卡等。
   • 扬声器： 将音频信号转换为声音输出。
   • 麦克风： 采集用户的语音输入。
   • LED： 用于状态指示。
   • 按键（可选）： 物理按键输入。

2. 硬件抽象层 (HAL - Hardware Abstraction Layer):

   • HAL层位于硬件层之上，为上层软件提供统一的硬件访问接口。它将硬件的具体细节抽象出来，使得上层软件可以独立于具体的硬件平台进行开发。
   • HAL层包含各种硬件驱动程序，例如：
     • 音频接口驱动: 控制音频 Codec，实现音频数据的采集和播放。
     • 蓝牙模块驱动: 控制蓝牙模块，实现蓝牙通信。
     • 存储器驱动: 访问存储器，实现数据的读写操作。
     • GPIO 驱动: 控制GPIO，例如控制LED灯、读取按键输入。
     • 定时器驱动: 提供定时器功能，用于系统定时和延时。
     • UART/SPI/I2C 驱动: 如果需要与其他外设通信，提供相应的驱动。

3. 操作系统抽象层 (OSAL - Operating System Abstraction Layer) (可选，但推荐使用RTOS):

   • 如果系统使用了实时操作系统 (RTOS)，例如 FreeRTOS、RT-Thread、Zephyr 等，OSAL层可以提供一个统一的操作系统接口，使得上层软件可以更容易地移植到不同的RTOS或裸机环境。
   • OSAL层可以封装RTOS的内核服务，例如任务管理、内存管理、同步机制、定时器等。
   • 在本例中，为了简化代码，我们可以选择不显式地编写OSAL层，但如果项目规模较大或对实时性要求较高，建议使用RTOS并设计OSAL层。

4. 中间件层 (Middleware Layer):

   • 中间件层位于HAL层之上，提供一些通用的、可重用的软件组件，为应用层提供更高级的服务。
   • 在本系统中，中间件层包含以下关键模块：
     • 音频解码器: 负责解码各种音频格式（如MP3、WAV、FLAC）。可以使用开源的音频解码库，例如 libmad (MP3)、libflac (FLAC)、TinyWav (WAV) 等。
     • 蓝牙协议栈: 实现蓝牙协议栈，包括蓝牙核心协议和A2DP协议。可以使用开源的蓝牙协议栈，例如 Bluedroid (BlueZ for Android), NimBLE (轻量级蓝牙BLE栈，可以扩展支持经典蓝牙)。
     • 离线语音识别引擎: 这是本项目的核心模块，负责将麦克风采集到的音频数据转换为文本指令。由于是离线语音识别，需要选择轻量级的离线语音识别引擎，例如 Pocketsphinx (需要进行裁剪和优化以适应嵌入式系统资源限制)，或者使用预先训练好的、针对特定命令词的小型语音模型。为了简化实现，我们可以使用基于关键词检测的简易语音识别方法，或者预先录制好命令词的模板，进行简单的模板匹配。
     • 文件系统: 如果需要在本地存储音频文件或配置文件，需要文件系统支持。可以使用轻量级的嵌入式文件系统，例如 FatFS、LittleFS 等。

5. 应用层 (Application Layer):

   • 应用层是系统的最高层，负责实现具体的应用逻辑，与用户直接交互。
   • 在本系统中，应用层主要负责以下功能：
     • 语音指令解析: 解析语音识别引擎输出的文本指令，识别用户的意图。
     • 播放控制: 根据语音指令或蓝牙控制指令，控制音频播放器进行播放、暂停、切换歌曲、调节音量等操作。
     • 本地音频文件管理: 管理本地存储的音频文件，例如文件列表的读取、文件选择等。
     • 蓝牙连接管理: 处理蓝牙连接的建立、断开、状态维护等。
     • 状态指示管理: 控制LED灯或其他指示设备，显示系统的工作状态。
     • 按键事件处理（可选）： 处理物理按键的事件，实现按键控制功能。

代码设计与实现 (C语言)

接下来，我将详细介绍各个模块的代码设计，并提供C语言的实现代码。由于代码量较大，我会分模块进行展示，并提供核心代码片段。完整的代码实现会超过3000行，这里只展示关键部分，并给出代码框架和思路。

1. 硬件抽象层 (HAL)

hal/hal_audio.h

#ifndef HAL_AUDIO_H
#define HAL_AUDIO_H

#include <stdint.h>

// 音频初始化
int hal_audio_init(void);

// 音频播放
int hal_audio_play_data(const uint8_t *data, uint32_t data_len);

// 音频停止播放
int hal_audio_stop_play(void);

// 音频数据采集
int hal_audio_record_data(uint8_t *buffer, uint32_t buffer_size, uint32_t *bytes_read);

// 音频停止录音
int hal_audio_stop_record(void);

// 设置音量 (范围: 0-100)
int hal_audio_set_volume(uint8_t volume);

// 获取当前音量
uint8_t hal_audio_get_volume(void);

#endif // HAL_AUDIO_H

hal/hal_audio.c (示例，实际驱动代码会更复杂，需要根据具体的音频Codec芯片编写)

#include "hal_audio.h"
#include "stdio.h" // 示例中使用printf，实际嵌入式系统可能需要使用串口或日志系统

// 模拟音频Codec寄存器地址
#define CODEC_REG_CTRL    0x00
#define CODEC_REG_DATA    0x01
#define CODEC_REG_VOLUME  0x02

static uint8_t current_volume = 50; // 默认音量

int hal_audio_init(void) {
    printf("HAL Audio: Initializing audio codec...\n");
    // 初始化音频Codec硬件，例如配置寄存器、使能时钟等
    // ... (硬件初始化代码) ...
    return 0;
}

int hal_audio_play_data(const uint8_t *data, uint32_t data_len) {
    printf("HAL Audio: Playing audio data, length: %lu bytes\n", data_len);
    // 将音频数据写入音频Codec的FIFO或DMA通道进行播放
    // ... (数据写入硬件代码) ...
    return 0;
}

int hal_audio_stop_play(void) {
    printf("HAL Audio: Stopping audio playback\n");
    // 停止音频Codec的播放
    // ... (停止硬件播放代码) ...
    return 0;
}

int hal_audio_record_data(uint8_t *buffer, uint32_t buffer_size, uint32_t *bytes_read) {
    printf("HAL Audio: Recording audio data, buffer size: %lu bytes\n", buffer_size);
    // 从音频Codec的ADC读取音频数据到buffer
    // ... (数据读取硬件代码) ...
    // 示例：模拟读取数据
    for(uint32_t i = 0; i < buffer_size; i++) {
        buffer[i] = (uint8_t)(i % 256); // 模拟音频数据
    }
    *bytes_read = buffer_size;
    return 0;
}

int hal_audio_stop_record(void) {
    printf("HAL Audio: Stopping audio recording\n");
    // 停止音频Codec的录音
    // ... (停止硬件录音代码) ...
    return 0;
}

int hal_audio_set_volume(uint8_t volume) {
    if (volume > 100) volume = 100;
    current_volume = volume;
    printf("HAL Audio: Setting volume to %d\n", volume);
    // 设置音频Codec的音量寄存器
    // ... (硬件音量设置代码) ...
    return 0;
}

uint8_t hal_audio_get_volume(void) {
    printf("HAL Audio: Getting current volume\n");
    return current_volume;
}

hal/hal_bluetooth.h

#ifndef HAL_BLUETOOTH_H
#define HAL_BLUETOOTH_H

#include <stdint.h>

// 蓝牙初始化
int hal_bluetooth_init(void);

// 蓝牙扫描设备
int hal_bluetooth_scan_devices(void);

// 蓝牙连接设备 (address: 蓝牙设备地址)
int hal_bluetooth_connect_device(const char *address);

// 蓝牙断开连接
int hal_bluetooth_disconnect(void);

// 发送蓝牙数据 (data: 数据, len: 数据长度)
int hal_bluetooth_send_data(const uint8_t *data, uint32_t len);

// 接收蓝牙数据 (data: 接收缓冲区, max_len: 最大接收长度, actual_len: 实际接收长度)
int hal_bluetooth_receive_data(uint8_t *data, uint32_t max_len, uint32_t *actual_len);

// 获取蓝牙连接状态
int hal_bluetooth_get_connection_state(void); // 返回 0: 未连接, 1: 已连接

#endif // HAL_BLUETOOTH_H

hal/hal_bluetooth.c (示例，实际蓝牙驱动需要根据具体的蓝牙模块和协议栈编写)

#include "hal_bluetooth.h"
#include "stdio.h"

int hal_bluetooth_init(void) {
    printf("HAL Bluetooth: Initializing Bluetooth module...\n");
    // 初始化蓝牙模块硬件，例如使能电源、配置引脚等
    // 初始化蓝牙协议栈 (如果HAL层包含协议栈)
    // ... (硬件和协议栈初始化代码) ...
    return 0;
}

int hal_bluetooth_scan_devices(void) {
    printf("HAL Bluetooth: Scanning for Bluetooth devices...\n");
    // 启动蓝牙设备扫描
    // ... (蓝牙扫描代码) ...
    return 0;
}

int hal_bluetooth_connect_device(const char *address) {
    printf("HAL Bluetooth: Connecting to device with address: %s\n", address);
    // 连接到指定的蓝牙设备
    // ... (蓝牙连接代码) ...
    return 0;
}

int hal_bluetooth_disconnect(void) {
    printf("HAL Bluetooth: Disconnecting Bluetooth\n");
    // 断开蓝牙连接
    // ... (蓝牙断开代码) ...
    return 0;
}

int hal_bluetooth_send_data(const uint8_t *data, uint32_t len) {
    printf("HAL Bluetooth: Sending data, length: %lu bytes\n", len);
    // 通过蓝牙发送数据
    // ... (蓝牙数据发送代码) ...
    return 0;
}

int hal_bluetooth_receive_data(uint8_t *data, uint32_t max_len, uint32_t *actual_len) {
    printf("HAL Bluetooth: Receiving data, max length: %lu bytes\n", max_len);
    // 从蓝牙接收数据
    // ... (蓝牙数据接收代码) ...
    // 示例：模拟接收数据
    const char *test_data = "Bluetooth Data Received!";
    uint32_t data_to_copy = strlen(test_data) < max_len ? strlen(test_data) : max_len;
    memcpy(data, test_data, data_to_copy);
    *actual_len = data_to_copy;
    return 0;
}

int hal_bluetooth_get_connection_state(void) {
    printf("HAL Bluetooth: Getting connection state\n");
    // 获取蓝牙连接状态
    // ... (获取蓝牙连接状态代码) ...
    // 示例：模拟已连接状态
    return 1; // 模拟已连接
}

hal/hal_storage.h

#ifndef HAL_STORAGE_H
#define HAL_STORAGE_H

#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>

// 存储设备初始化
int hal_storage_init(void);

// 打开文件
int hal_storage_open_file(const char *filename);

// 关闭文件
int hal_storage_close_file(int file_handle);

// 读取文件数据
int hal_storage_read_file(int file_handle, uint8_t *buffer, uint32_t bytes_to_read, uint32_t *bytes_read);

// 获取文件大小
uint32_t hal_storage_get_file_size(int file_handle);

// 查找目录下的文件 (可以使用回调函数处理找到的文件)
typedef bool (*file_found_callback)(const char *filename);
int hal_storage_find_files(const char *directory, file_found_callback callback);

#endif // HAL_STORAGE_H

hal/hal_storage.c (示例，实际存储驱动需要根据具体的存储介质和文件系统编写)

#include "hal_storage.h"
#include "stdio.h"
#include "string.h"

int hal_storage_init(void) {
    printf("HAL Storage: Initializing storage device...\n");
    // 初始化存储设备，例如挂载文件系统
    // ... (存储设备初始化代码) ...
    return 0;
}

int hal_storage_open_file(const char *filename) {
    printf("HAL Storage: Opening file: %s\n", filename);
    // 打开文件，返回文件句柄 (这里简单用一个整数模拟)
    // ... (文件打开代码) ...
    // 示例：模拟文件句柄，实际需要文件系统操作
    return 1; // 模拟文件句柄
}

int hal_storage_close_file(int file_handle) {
    printf("HAL Storage: Closing file, handle: %d\n", file_handle);
    // 关闭文件
    // ... (文件关闭代码) ...
    return 0;
}

int hal_storage_read_file(int file_handle, uint8_t *buffer, uint32_t bytes_to_read, uint32_t *bytes_read) {
    printf("HAL Storage: Reading file, handle: %d, bytes to read: %lu\n", file_handle, bytes_to_read);
    // 从文件中读取数据到buffer
    // ... (文件读取代码) ...
    // 示例：模拟读取文件数据
    const char *file_content = "This is file content for testing.";
    uint32_t content_len = strlen(file_content);
    uint32_t data_to_copy = content_len < bytes_to_read ? content_len : bytes_to_read;
    memcpy(buffer, file_content, data_to_copy);
    *bytes_read = data_to_copy;
    return 0;
}

uint32_t hal_storage_get_file_size(int file_handle) {
    printf("HAL Storage: Getting file size, handle: %d\n", file_handle);
    // 获取文件大小
    // ... (获取文件大小代码) ...
    // 示例：模拟文件大小
    return 1024; // 模拟文件大小为 1024 字节
}

bool dummy_file_found_callback(const char *filename) {
    printf("HAL Storage: Found file: %s\n", filename);
    return true; // 继续查找
}

int hal_storage_find_files(const char *directory, file_found_callback callback) {
    printf("HAL Storage: Finding files in directory: %s\n", directory);
    // 查找目录下的文件，并调用回调函数处理
    // ... (文件查找代码) ...
    // 示例：模拟文件查找
    callback("music1.mp3");
    callback("music2.wav");
    callback("song.flac");
    return 0;
}

hal/hal_gpio.h

#ifndef HAL_GPIO_H
#define HAL_GPIO_H

#include <stdint.h>

// GPIO 初始化
int hal_gpio_init(void);

// 设置 GPIO 输出电平 (pin: GPIO引脚号, level: 0 或 1)
int hal_gpio_set_output(uint32_t pin, uint8_t level);

// 读取 GPIO 输入电平 (pin: GPIO引脚号)
uint8_t hal_gpio_get_input(uint32_t pin);

#endif // HAL_GPIO_H

hal/hal_gpio.c (示例，实际GPIO驱动需要根据具体的MCU编写)

#include "hal_gpio.h"
#include "stdio.h"

int hal_gpio_init(void) {
    printf("HAL GPIO: Initializing GPIO...\n");
    // 初始化 GPIO 控制器
    // ... (GPIO 初始化代码) ...
    return 0;
}

int hal_gpio_set_output(uint32_t pin, uint8_t level) {
    printf("HAL GPIO: Setting pin %lu to output level %u\n", pin, level);
    // 设置 GPIO 引脚输出电平
    // ... (GPIO 输出设置代码) ...
    return 0;
}

uint8_t hal_gpio_get_input(uint32_t pin) {
    printf("HAL GPIO: Getting input level from pin %lu\n", pin);
    // 读取 GPIO 引脚输入电平
    // ... (GPIO 输入读取代码) ...
    // 示例：模拟输入电平
    return 0; // 模拟输入低电平
}

2. 中间件层 (Middleware Layer)

middleware/audio_decoder.h

#ifndef AUDIO_DECODER_H
#define AUDIO_DECODER_H

#include <stdint.h>

// 音频解码器初始化
int audio_decoder_init(void);

// 解码音频数据 (input_data: 输入数据, input_len: 输入长度, output_buffer: 输出缓冲区, output_buffer_size: 输出缓冲区大小, decoded_len: 实际解码长度)
int audio_decoder_decode(const uint8_t *input_data, uint32_t input_len, uint8_t *output_buffer, uint32_t output_buffer_size, uint32_t *decoded_len);

// 获取解码器支持的音频格式 (例如 "MP3", "WAV", "FLAC")
const char* audio_decoder_get_supported_formats(void);

#endif // AUDIO_DECODER_H

middleware/audio_decoder.c (示例，这里提供一个简化的MP3解码框架，实际需要集成成熟的解码库如 libmad)

#include "audio_decoder.h"
#include "stdio.h"
#include "string.h"

int audio_decoder_init(void) {
    printf("Audio Decoder: Initializing...\n");
    // 初始化音频解码器，例如分配内存、初始化解码库等
    // ... (解码器初始化代码) ...
    return 0;
}

int audio_decoder_decode(const uint8_t *input_data, uint32_t input_len, uint8_t *output_buffer, uint32_t output_buffer_size, uint32_t *decoded_len) {
    printf("Audio Decoder: Decoding audio data, input length: %lu\n", input_len);
    // 解码音频数据，将解码后的PCM数据写入 output_buffer
    // ... (音频解码代码) ...
    // 示例：简化解码，假设输入已经是PCM数据，直接复制
    uint32_t copy_len = input_len < output_buffer_size ? input_len : output_buffer_size;
    memcpy(output_buffer, input_data, copy_len);
    *decoded_len = copy_len;
    return 0;
}

const char* audio_decoder_get_supported_formats(void) {
    return "PCM (Simulated MP3)"; // 示例中简化为PCM，模拟MP3解码
}

middleware/bluetooth_stack.h

#ifndef BLUETOOTH_STACK_H
#define BLUETOOTH_STACK_H

#include <stdint.h>

// 蓝牙协议栈初始化
int bluetooth_stack_init(void);

// 注册蓝牙事件回调函数 (例如 连接状态变化、数据接收等)
typedef void (*bluetooth_event_callback)(int event_type, void *event_data);
int bluetooth_stack_register_callback(bluetooth_event_callback callback);

// 启动蓝牙设备发现
int bluetooth_stack_start_discovery(void);

// 连接到指定蓝牙设备 (address: 蓝牙设备地址)
int bluetooth_stack_connect(const char *address);

// 断开蓝牙连接
int bluetooth_stack_disconnect(void);

// 发送蓝牙数据 (data: 数据, len: 数据长度)
int bluetooth_stack_send(const uint8_t *data, uint32_t len);

// 接收蓝牙数据 (在回调函数中处理)

#endif // BLUETOOTH_STACK_H

middleware/bluetooth_stack.c (示例，实际蓝牙协议栈需要集成成熟的蓝牙协议栈，如 Bluedroid 或 NimBLE)

#include "bluetooth_stack.h"
#include "stdio.h"
#include "string.h"

static bluetooth_event_callback g_bluetooth_callback = NULL;

int bluetooth_stack_init(void) {
    printf("Bluetooth Stack: Initializing...\n");
    // 初始化蓝牙协议栈
    // ... (协议栈初始化代码) ...
    return 0;
}

int bluetooth_stack_register_callback(bluetooth_event_callback callback) {
    printf("Bluetooth Stack: Registering event callback\n");
    g_bluetooth_callback = callback;
    return 0;
}

int bluetooth_stack_start_discovery(void) {
    printf("Bluetooth Stack: Starting device discovery\n");
    // 启动蓝牙设备发现
    // ... (设备发现代码) ...
    // 示例：模拟发现设备事件
    if (g_bluetooth_callback) {
        g_bluetooth_callback(1, "Device Address 1"); // 模拟发现设备事件，事件类型 1，设备地址 "Device Address 1"
        g_bluetooth_callback(1, "Device Address 2");
    }
    return 0;
}

int bluetooth_stack_connect(const char *address) {
    printf("Bluetooth Stack: Connecting to device: %s\n", address);
    // 连接到指定蓝牙设备
    // ... (蓝牙连接代码) ...
    // 示例：模拟连接成功事件
    if (g_bluetooth_callback) {
        g_bluetooth_callback(2, NULL); // 模拟连接成功事件，事件类型 2
    }
    return 0;
}

int bluetooth_stack_disconnect(void) {
    printf("Bluetooth Stack: Disconnecting\n");
    // 断开蓝牙连接
    // ... (蓝牙断开代码) ...
    // 示例：模拟断开连接事件
    if (g_bluetooth_callback) {
        g_bluetooth_callback(3, NULL); // 模拟断开连接事件，事件类型 3
    }
    return 0;
}

int bluetooth_stack_send(const uint8_t *data, uint32_t len) {
    printf("Bluetooth Stack: Sending data, length: %lu bytes\n", len);
    // 通过蓝牙发送数据
    // ... (蓝牙数据发送代码) ...
    return 0;
}

// 模拟蓝牙接收数据事件 (在实际蓝牙协议栈中，数据接收会在协议栈内部处理，并回调上层应用)
void simulate_bluetooth_data_received(const uint8_t *data, uint32_t len) {
    if (g_bluetooth_callback) {
        g_bluetooth_callback(4, (void*)data); // 模拟数据接收事件，事件类型 4，数据指针
    }
}

middleware/voice_recognition.h

#ifndef VOICE_RECOGNITION_H
#define VOICE_RECOGNITION_H

#include <stdint.h>

// 语音识别引擎初始化
int voice_recognition_init(void);

// 开始语音识别
int voice_recognition_start(void);

// 停止语音识别
int voice_recognition_stop(void);

// 处理音频数据进行语音识别 (audio_data: 音频数据, data_len: 数据长度, command_buffer: 识别到的命令文本缓冲区, buffer_size: 缓冲区大小)
int voice_recognition_process_audio(const uint8_t *audio_data, uint32_t data_len, char *command_buffer, uint32_t buffer_size);

#endif // VOICE_RECOGNITION_H

middleware/voice_recognition.c (示例，这里提供一个非常简化的关键词检测示例，实际离线语音识别需要更复杂的模型和算法，如 Pocketsphinx)

#include "voice_recognition.h"
#include "stdio.h"
#include "string.h"

// 预定义的命令关键词
const char *keywords[] = {"播放", "暂停", "上一首", "下一首", "音量增大", "音量减小"};
const int num_keywords = sizeof(keywords) / sizeof(keywords[0]);

int voice_recognition_init(void) {
    printf("Voice Recognition: Initializing...\n");
    // 初始化语音识别引擎，例如加载语音模型
    // ... (语音识别引擎初始化代码) ...
    return 0;
}

int voice_recognition_start(void) {
    printf("Voice Recognition: Starting recognition\n");
    // 启动语音识别
    // ... (启动语音识别代码) ...
    return 0;
}

int voice_recognition_stop(void) {
    printf("Voice Recognition: Stopping recognition\n");
    // 停止语音识别
    // ... (停止语音识别代码) ...
    return 0;
}

int voice_recognition_process_audio(const uint8_t *audio_data, uint32_t data_len, char *command_buffer, uint32_t buffer_size) {
    printf("Voice Recognition: Processing audio data, length: %lu\n", data_len);
    // 处理音频数据，进行语音识别，将识别到的命令文本写入 command_buffer
    // ... (语音识别算法代码) ...
    // 示例：简化关键词检测，直接检查音频数据中是否包含预定义的关键词 (这只是一个非常简化的示例，实际语音识别远比这复杂)
    char audio_text[128]; // 假设将音频数据转换为文本 (实际需要语音转文本算法)
    strncpy(audio_text, (const char*)audio_data, data_len < sizeof(audio_text)-1 ? data_len : sizeof(audio_text)-1);
    audio_text[sizeof(audio_text)-1] = '\0'; // 确保字符串结尾

    for (int i = 0; i < num_keywords; i++) {
        if (strstr(audio_text, keywords[i]) != NULL) {
            strncpy(command_buffer, keywords[i], buffer_size - 1);
            command_buffer[buffer_size - 1] = '\0';
            printf("Voice Recognition: Command recognized: %s\n", command_buffer);
            return 0; // 找到关键词，识别成功
        }
    }

    strcpy(command_buffer, "未知命令"); // 未识别到命令
    printf("Voice Recognition: Unknown command\n");
    return -1; // 未识别到命令
}

3. 应用层 (Application Layer)

app/app_main.c

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h> // for sleep (示例中使用，实际嵌入式系统可能使用 RTOS 延时)

#include "hal_audio.h"
#include "hal_bluetooth.h"
#include "hal_storage.h"
#include "hal_gpio.h"
#include "audio_decoder.h"
#include "bluetooth_stack.h"
#include "voice_recognition.h"

// 定义GPIO引脚 (示例)
#define LED_PIN 10

// 音频播放状态
typedef enum {
    PLAY_STATE_STOPPED,
    PLAY_STATE_PLAYING,
    PLAY_STATE_PAUSED
} PlayState;

PlayState current_play_state = PLAY_STATE_STOPPED;
uint8_t current_volume = 50;

// 音频数据缓冲区
#define AUDIO_BUFFER_SIZE 1024
uint8_t audio_buffer[AUDIO_BUFFER_SIZE];

// 蓝牙事件处理回调函数
void bluetooth_event_handler(int event_type, void *event_data) {
    switch (event_type) {
        case 1: // 设备发现事件
            printf("App: Bluetooth device discovered: %s\n", (char*)event_data);
            break;
        case 2: // 连接成功事件
            printf("App: Bluetooth connected\n");
            // 连接成功后可以开始接收蓝牙音频数据
            break;
        case 3: // 断开连接事件
            printf("App: Bluetooth disconnected\n");
            current_play_state = PLAY_STATE_STOPPED; // 断开连接后停止播放
            break;
        case 4: // 数据接收事件
            printf("App: Bluetooth data received\n");
            // 将接收到的蓝牙音频数据进行解码和播放
            uint8_t *bluetooth_data = (uint8_t*)event_data;
            // ... (处理蓝牙音频数据，解码并播放) ...
            hal_audio_play_data(bluetooth_data, 100); // 示例：直接播放接收到的数据 (简化处理)
            break;
        default:
            printf("App: Unknown Bluetooth event type: %d\n", event_type);
            break;
    }
}

// 处理语音命令
void handle_voice_command(const char *command) {
    printf("App: Handling voice command: %s\n", command);
    if (strcmp(command, "播放") == 0) {
        if (current_play_state != PLAY_STATE_PLAYING) {
            printf("App: Starting playback\n");
            current_play_state = PLAY_STATE_PLAYING;
            hal_audio_play_data(audio_buffer, AUDIO_BUFFER_SIZE); // 示例：播放缓冲区数据
            hal_gpio_set_output(LED_PIN, 1); // 示例：点亮LED指示播放状态
        } else {
            printf("App: Already playing\n");
        }
    } else if (strcmp(command, "暂停") == 0) {
        if (current_play_state == PLAY_STATE_PLAYING) {
            printf("App: Pausing playback\n");
            current_play_state = PLAY_STATE_PAUSED;
            hal_audio_stop_play();
            hal_gpio_set_output(LED_PIN, 0); // 示例：熄灭LED指示暂停状态
        } else {
            printf("App: Not playing\n");
        }
    } else if (strcmp(command, "上一首") == 0) {
        printf("App: Play previous song (Not implemented in this example)\n");
        // ... (实现播放上一首歌曲的逻辑) ...
    } else if (strcmp(command, "下一首") == 0) {
        printf("App: Play next song (Not implemented in this example)\n");
        // ... (实现播放下一首歌曲的逻辑) ...
    } else if (strcmp(command, "音量增大") == 0) {
        current_volume += 10;
        if (current_volume > 100) current_volume = 100;
        hal_audio_set_volume(current_volume);
        printf("App: Volume increased to %d\n", current_volume);
    } else if (strcmp(command, "音量减小") == 0) {
        current_volume -= 10;
        if (current_volume < 0) current_volume = 0;
        hal_audio_set_volume(current_volume);
        printf("App: Volume decreased to %d\n", current_volume);
    } else {
        printf("App: Unknown command: %s\n", command);
    }
}

int main() {
    printf("Starting Offline Voice Bluetooth Speaker Application...\n");

    // 初始化硬件抽象层
    hal_audio_init();
    hal_bluetooth_init();
    hal_storage_init();
    hal_gpio_init();

    // 初始化中间件层
    audio_decoder_init();
    bluetooth_stack_init();
    voice_recognition_init();

    // 注册蓝牙事件回调
    bluetooth_stack_register_callback(bluetooth_event_handler);

    // 初始化GPIO输出 (LED)
    hal_gpio_set_output(LED_PIN, 0); // 初始状态LED熄灭

    // 启动蓝牙设备发现 (示例，实际应用中可能需要按需启动)
    bluetooth_stack_start_discovery();

    // 启动语音识别
    voice_recognition_start();

    char voice_command_buffer[64];

    while (1) {
        // 1. 采集音频数据 (模拟从麦克风采集)
        uint32_t bytes_read;
        hal_audio_record_data(audio_buffer, AUDIO_BUFFER_SIZE, &bytes_read);

        // 2. 进行语音识别
        voice_recognition_process_audio(audio_buffer, bytes_read, voice_command_buffer, sizeof(voice_command_buffer));

        // 3. 处理语音命令
        if (strcmp(voice_command_buffer, "未知命令") != 0) {
            handle_voice_command(voice_command_buffer);
        }

        // 4. 模拟蓝牙数据接收 (用于测试，实际应用中蓝牙数据接收在蓝牙协议栈中异步处理)
        // 示例：每隔一段时间模拟接收蓝牙音频数据
        static int bluetooth_data_counter = 0;
        bluetooth_data_counter++;
        if (bluetooth_data_counter > 100) {
            bluetooth_data_counter = 0;
            simulate_bluetooth_data_received(audio_buffer, AUDIO_BUFFER_SIZE); // 模拟接收蓝牙音频数据
        }

        sleep(0.01); // 示例：简单延时，实际应用中可能使用RTOS任务调度或事件驱动
    }

    return 0;
}

项目采用的关键技术和方法：

1. 分层架构设计： 提高代码模块化、可维护性、可重用性和可扩展性。
2. 硬件抽象层 (HAL): 隔离硬件差异，方便代码移植到不同的硬件平台。
3. 中间件模块化： 将音频解码、蓝牙协议栈、语音识别等功能模块化，方便独立开发和维护。
4. C语言编程： C语言是嵌入式系统开发的主流语言，具有高效、灵活、可移植性好等优点。
5. 状态机管理： 使用状态机管理音箱的播放状态、蓝牙连接状态等，使系统逻辑清晰可靠。
6. 事件驱动编程： 蓝牙数据接收、语音识别结果等可以使用事件驱动的方式进行处理，提高系统实时性和响应速度。
7. 资源优化： 在嵌入式系统中，资源（如内存、CPU、Flash空间）通常有限，需要进行资源优化，例如选择轻量级的算法和库、优化数据结构、减少内存分配等。
8. 实践验证： 项目中采用的各种技术和方法都需要经过实践验证，包括单元测试、集成测试、系统测试等，确保系统的可靠性和稳定性。 例如：
   • 单元测试: 针对HAL层、中间件层的各个模块进行单元测试，验证模块功能的正确性。
   • 集成测试: 将各个模块集成起来进行测试，验证模块之间的接口和协作是否正常。
   • 系统测试: 进行全面的系统测试，包括功能测试、性能测试、稳定性测试、兼容性测试等，验证整个系统的功能和性能是否满足需求。
   • 用户场景测试: 模拟用户实际使用场景进行测试，例如在不同环境下进行语音控制测试、蓝牙连接测试、音频播放测试等，收集用户反馈并进行优化。

维护升级:

• 固件升级： 预留固件升级接口，可以通过USB、OTA (Over-The-Air) 等方式进行固件升级，修复Bug、增加新功能。
• 模块化设计： 模块化设计方便对各个模块进行单独升级和维护。
• 日志系统： 集成日志系统，方便在产品发布后进行问题追踪和调试。

总结:

这个离线语音蓝牙音箱项目展示了一个典型的嵌入式系统开发流程，从需求分析、架构设计到代码实现、测试验证和维护升级。 通过分层架构设计和模块化开发，我们构建了一个可靠、高效、可扩展的系统平台。代码示例虽然简化了部分复杂模块的实现（例如语音识别、蓝牙协议栈、音频解码），但提供了清晰的代码框架和设计思路，展示了嵌入式系统软件开发的基本方法和技术。 在实际项目中，需要根据具体的需求和硬件平台，选择合适的算法、库和技术，并进行充分的测试和验证，才能最终开发出高质量的嵌入式产品。

请注意： 上述代码仅为示例和框架，很多模块（特别是语音识别、蓝牙协议栈、音频解码）的实现都进行了简化。 实际项目中，需要根据具体的硬件平台和功能需求，选择合适的第三方库或自行编写更完善的驱动和算法。 完整的代码实现会远超3000行，需要更详细的硬件驱动、协议栈、解码算法和应用逻辑代码。 此回答旨在提供一个清晰的系统架构设计、代码组织结构和关键技术思路。