基于無(wú)線語(yǔ)音控制的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 燕 黃杰賢

（嘉應(yīng)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，廣東 梅州 514015）

1 引言

越來(lái)越多的智能家居進(jìn)入人們的生活，如何對(duì)智能家居進(jìn)行簡(jiǎn)單有效的控制是一個(gè)難題，而基于語(yǔ)音控制的智能家居更具人性化[1]。為此本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了手表式無(wú)線語(yǔ)音控制系統(tǒng)方案代替人工接觸電源開(kāi)關(guān)，通過(guò)簡(jiǎn)單的語(yǔ)音指令控制家用電器。實(shí)踐證明，該方案經(jīng)濟(jì)可靠，具有良好的實(shí)用性。

2 系統(tǒng)組成

本方案主要由指令識(shí)別模塊識(shí)別指令，傳達(dá)指令信息到單片機(jī)，指令識(shí)別成功后，再由單片機(jī)控制無(wú)線發(fā)射模塊發(fā)送指令，接受模塊接收并處理信息[2]。示意如圖1所示：

圖1 無(wú)線語(yǔ)音控制系統(tǒng)示意圖

下面分別介紹這幾個(gè)模塊的選擇：

語(yǔ)音模塊選擇LD3320芯片，LD3320是一顆基于非特定人語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的語(yǔ)音識(shí)別芯片，它能識(shí)別關(guān)鍵詞的內(nèi)容動(dòng)態(tài)地傳入芯片中。無(wú)線收發(fā)模塊選擇DF無(wú)線發(fā)射模塊/PT2272無(wú)線接收模塊。

整個(gè)系統(tǒng)分兩部分，即發(fā)射端和接收端，發(fā)射端主要由語(yǔ)音識(shí)別模塊、單片機(jī)主控系統(tǒng)、DF數(shù)據(jù)發(fā)射模塊和電源模塊構(gòu)成。接收端主要由PT2272無(wú)線接收模塊、電源模塊和開(kāi)關(guān)控制電路組成。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要包括了語(yǔ)音識(shí)別模塊、單片機(jī)主控系統(tǒng)、發(fā)射模塊、接收模塊和電源模塊。

3.1 語(yǔ)音識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

語(yǔ)音識(shí)別模塊由LD3320語(yǔ)音識(shí)別芯片及外圍元件組成，LD3320與單片機(jī)連接的工作原理框圖如圖2所示。LD3320每次識(shí)別的過(guò)程就是把用戶說(shuō)出的語(yǔ)音內(nèi)容，通過(guò)頻譜轉(zhuǎn)換為語(yǔ)音特征，再將這個(gè)轉(zhuǎn)換后的語(yǔ)音特征和“關(guān)鍵詞語(yǔ)列表”中的條目一一進(jìn)行匹配，最優(yōu)匹配的一條即作為識(shí)別結(jié)果。

圖2 LD3320工作原理框圖

3.2 單片機(jī)主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本方案選用STC11L08XE單片機(jī)作為主控器，單片機(jī)通過(guò)并行讀寫方式與語(yǔ)音識(shí)別模塊LD3320相應(yīng)管腳進(jìn)行連接，普通I/O口接DF發(fā)射模塊[3]。單片機(jī)提供漢語(yǔ)拼音給LD3320篩選語(yǔ)音結(jié)果，接收識(shí)別結(jié)果后執(zhí)行結(jié)果對(duì)應(yīng)的程序，再通過(guò)發(fā)射模塊發(fā)送新的結(jié)果。

單片機(jī)工作原理框圖如圖3所示：

圖3 單片機(jī)工作框圖

3.3 發(fā)射模塊設(shè)計(jì)

單片機(jī)模擬PT2262編碼信號(hào)控制發(fā)射數(shù)據(jù)，DF發(fā)射模塊采用ASK方式調(diào)制，以達(dá)到控制多設(shè)備、體積小、功耗低的效果。發(fā)射模塊設(shè)計(jì)如圖4所示：

圖4 發(fā)射模塊工作框圖

3.4 接收模塊設(shè)計(jì)

接收模塊由PT2272模塊與模擬電器電路組成，PT2262經(jīng)天線接收到信息后，改變端口的狀態(tài)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管進(jìn)而控制模擬電器電路的電源開(kāi)關(guān)，接收模塊的工作框圖如圖5所示。

圖5 接收模塊的工作框圖

4 軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)主要包括語(yǔ)音識(shí)別程序、語(yǔ)音指令程序和發(fā)射程序三部分。系統(tǒng)啟動(dòng)后，語(yǔ)音識(shí)別程序啟動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別模塊和接收語(yǔ)音識(shí)別模塊的識(shí)別結(jié)果，識(shí)別后執(zhí)行語(yǔ)音指令程序，得到的新結(jié)果發(fā)往發(fā)射程序，發(fā)射程序控制DF數(shù)據(jù)發(fā)射模塊發(fā)出，之后再次啟動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別模塊，等待下一個(gè)指令。整個(gè)無(wú)線語(yǔ)音控制程序如圖6所示：

圖6 無(wú)線語(yǔ)音控制程序整體框圖

4.1 語(yǔ)音識(shí)別程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)首先檢測(cè)芯片是否空閑，空閑則設(shè)定編號(hào)和載入關(guān)鍵字?jǐn)?shù)據(jù)，然后等待LD3320的語(yǔ)音結(jié)果，有結(jié)果則進(jìn)入語(yǔ)音程序，否則重來(lái)[4]。識(shí)別程序如圖7所示：

圖7 語(yǔ)音識(shí)別程序工作框圖

4.2 語(yǔ)音程序設(shè)計(jì)

語(yǔ)音程序以選擇分支語(yǔ)句為主體，一個(gè)語(yǔ)音對(duì)應(yīng)一個(gè)分支，執(zhí)行不同的子程序，最終得到該語(yǔ)音引起的新變化代表的結(jié)果。語(yǔ)音程序如圖8所示：

圖8 語(yǔ)音程序工作框圖

4.3 發(fā)射程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)獲取語(yǔ)音程序結(jié)果后，程序?qū)懭氲牡刂反a和數(shù)據(jù)碼根據(jù)語(yǔ)音命令的不同而不同，單片機(jī)模擬PT2262編碼原理發(fā)送編碼。

發(fā)射程序如圖9所示：

圖9 發(fā)射程序工作框圖

5 測(cè)試與結(jié)論

在空曠的空地與幾間相鄰的房間進(jìn)行智能家居的實(shí)際控制測(cè)試，不同場(chǎng)景分別測(cè)試100次。

測(cè)試環(huán)境1：將一個(gè)無(wú)線接收模塊放在一個(gè)固定的空地上，測(cè)試者戴著手表式無(wú)線語(yǔ)音控制設(shè)備，對(duì)接收端由近及遠(yuǎn)，每隔20厘米對(duì)發(fā)射模塊喊出口令進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制。

測(cè)試環(huán)境2：將一個(gè)無(wú)線接收模塊放在同一個(gè)固定的房間內(nèi)，測(cè)試者站在房外戴著手表式無(wú)線語(yǔ)音控制設(shè)備，對(duì)接收端由近及遠(yuǎn)，每隔20厘米對(duì)發(fā)射模塊喊出口令進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制。

測(cè)試環(huán)境3：在測(cè)試環(huán)境2保持靜音情況下測(cè)試，測(cè)試每100次呼叫的有效響應(yīng)次數(shù)。

測(cè)試環(huán)境4：在測(cè)試環(huán)境2中引入40分貝音樂(lè)情況下，測(cè)試每100次呼叫的有效響應(yīng)次數(shù)。

表1 測(cè)試不同環(huán)境下不同接收模塊數(shù)目的數(shù)據(jù)

采用本方案的無(wú)線語(yǔ)音控制的智能家居系統(tǒng)結(jié)論：

(1)在空曠地帶控制范圍達(dá)9.3米，正常的家庭室內(nèi)控制范圍也能保證7米，符合普通家庭使用；

(2)靜夜環(huán)境下語(yǔ)音識(shí)別率達(dá)96%；

(3)在人正常說(shuō)話環(huán)境下語(yǔ)音識(shí)別率達(dá)88%；

(4)有無(wú)障礙物對(duì)發(fā)射信號(hào)的影響不大。

[1]高小平.中國(guó)智能家居的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].低壓電器，2005，(04).

[2]李守容.智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012，(15).

[3]付蔚，唐鵬光，李倩.智能家居語(yǔ)音控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2014，(01).

[4]陳喜春.基于LD3320語(yǔ)音識(shí)別專用芯片實(shí)現(xiàn)的語(yǔ)音控制[J].電子技術(shù)，2011，(11).