基于ZigBee遠(yuǎn)程語(yǔ)音控制的智能家居系統(tǒng)

趙飛翔++張園++張彥軍++張佩文++王明宇

摘要：該文設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee的語(yǔ)音識(shí)別與上位機(jī)控制相結(jié)合的智能家居方案，目的在于使得人物交互更為便捷，提高家庭生活的質(zhì)量。本方案主要由人機(jī)交互模塊，Zigbee主從節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的星狀網(wǎng)絡(luò)模塊，智能家居監(jiān)測(cè)及控制模塊構(gòu)成。以DRF1605構(gòu)成Zigbee網(wǎng)絡(luò)主從節(jié)點(diǎn)。在人機(jī)交互模塊，以LD3320語(yǔ)音識(shí)別芯片實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別功能，以IAP10L14X作為語(yǔ)音識(shí)別電路的主控芯片，以計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，輔以多種移動(dòng)終端控制。家居監(jiān)測(cè)及控制模塊由WSN及各種控制驅(qū)動(dòng)電路組成。該方案可以實(shí)現(xiàn)家居的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及控制。

關(guān)鍵詞：語(yǔ)音識(shí)別；Zigbee；WSN；DRF1605；智能家居

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）04-0189-02

智能家居是智慧城市進(jìn)入用戶家庭的最好路徑，是智慧城市建設(shè)的微觀節(jié)點(diǎn)。本文的目的在于建立一個(gè)人機(jī)交互十分便捷的智能家居系統(tǒng)，降低智能家居使用的門檻，提高智能家居使用的靈活性。

在本文所設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)中，通過在住宅內(nèi)部建立局域性的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Zigbee星狀網(wǎng)絡(luò)間的無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)智能家居終端對(duì)家居和住宅的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并將生成的記錄數(shù)據(jù)保存在上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。使用者對(duì)家居設(shè)備的控制可以通過兩種方式，第一種是直接操縱上位機(jī)或者用移動(dòng)終端對(duì)上位機(jī)發(fā)出指令，第二種是對(duì)語(yǔ)音控制模塊發(fā)出事先訓(xùn)練好的語(yǔ)音指令方式。

1 智能家居的構(gòu)成和工作原理

1.1構(gòu)成概述

1.1.1 Zigbee星狀網(wǎng)絡(luò)模塊

本方案采用多個(gè)DRF1605模塊構(gòu)成一個(gè)Zigbee星狀網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)次節(jié)點(diǎn)組成。次節(jié)點(diǎn)主要包括了三個(gè)部分：無(wú)線收發(fā)模塊，供電模塊，數(shù)據(jù)采集與處理模塊。在無(wú)線收發(fā)模塊中，各節(jié)點(diǎn)之間的通信由無(wú)線收發(fā)器完成。該無(wú)線收發(fā)器由其所在節(jié)點(diǎn)的主控芯片CC2530的RF內(nèi)核控制。在數(shù)據(jù)采集與處理模塊中，各次節(jié)點(diǎn)鏈接有多個(gè)物理量測(cè)量傳感器，這些傳感器與家居狀態(tài)控制電路作為其對(duì)應(yīng)次節(jié)點(diǎn)的終端節(jié)點(diǎn)，和次節(jié)點(diǎn)一起構(gòu)成一個(gè)子星狀網(wǎng)絡(luò)。

1.1.2人機(jī)交互模塊

語(yǔ)音識(shí)別模塊的硬件組成分為麥克風(fēng)前置放大電路，LD3320以及作為主控芯片的單片機(jī)IAP10L14X。其模塊框圖如圖1所示。

智能家居監(jiān)測(cè)及控制模塊是由一個(gè)Zigbee路由器對(duì)應(yīng)一個(gè)WSN，作為該WSN的匯聚節(jié)點(diǎn)，收集網(wǎng)絡(luò)中各傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)并通過無(wú)線收發(fā)模塊傳送給上級(jí)主節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器）。該模塊設(shè)備點(diǎn)較多，包括：燈光控制面板，窗簾控制電機(jī)，機(jī)械閥門控制器，人體紅外偵測(cè)器，水位偵測(cè)器等。節(jié)點(diǎn)設(shè)備的運(yùn)作原理是通過主控設(shè)備發(fā)射信號(hào)，而由節(jié)點(diǎn)設(shè)備接受，同時(shí)完成主控設(shè)備的指令。

上位機(jī)模塊通過串口通信來(lái)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。用戶可以在上位機(jī)中發(fā)出控制指令。

1.2工作原理

1.2.1 Zigbee星狀網(wǎng)絡(luò)的工作原理

通過設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)為星型組網(wǎng)方式，使主節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)ZigBee星狀網(wǎng)絡(luò)，其他次節(jié)點(diǎn)連接到網(wǎng)絡(luò)時(shí)，直接以協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)即主節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

本方案使用的Zigbee模塊共有兩種類型的節(jié)點(diǎn)，分別是主節(jié)點(diǎn)以及次節(jié)點(diǎn)。星狀網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，依據(jù)房間的數(shù)量可以有多個(gè)次節(jié)點(diǎn)。

1.2.2 特定人語(yǔ)音識(shí)別的原理

特定人語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的本質(zhì)是在提取到主人聲音的語(yǔ)音特征之后，在關(guān)鍵字詞語(yǔ)庫(kù)中尋找最相近的詞語(yǔ)作為識(shí)別的結(jié)果。

語(yǔ)音識(shí)別模型建立的流程有如下幾步：第一步是用傅立葉變換完成語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域和頻域的轉(zhuǎn)換，得到語(yǔ)音向量。第二步是建立聲學(xué)模型，字典以及語(yǔ)音模型，聲學(xué)模型用于識(shí)別語(yǔ)音向量，可以使用GMM或者DNN等方法來(lái)識(shí)別向量。

當(dāng)語(yǔ)音識(shí)別模型建立之后，就可以通過判斷新的語(yǔ)音向量，識(shí)別主人的發(fā)出的各種語(yǔ)音信號(hào)了。

1.2.3 WSN工作原理

WSN（無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)）就是由各種能從環(huán)境中采集物理量，同時(shí)具有數(shù)據(jù)處理功能和無(wú)線通信功能的新型傳感器構(gòu)成互聯(lián)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)內(nèi)部擁有的不同類型的傳感器完成不同的物理量采集。傳感器節(jié)點(diǎn)集成了傳感器件，數(shù)據(jù)處理單元和無(wú)線通信模塊，通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。

2系統(tǒng)工作流程

2.1 家居控制流程

2.1.1 語(yǔ)音控制模塊的工作流程

用戶通過向麥克風(fēng)發(fā)出語(yǔ)音命令，然后經(jīng)過識(shí)別，發(fā)送識(shí)別結(jié)果給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將命令通過Zigbee星狀網(wǎng)絡(luò)傳送給對(duì)應(yīng)的次節(jié)點(diǎn)，再由次節(jié)點(diǎn)通過家居控制電路執(zhí)行用戶的命令。其流程如圖2所示。

2.1.2 上位機(jī)控制模塊的工作流程

系統(tǒng)用戶通過移動(dòng)終端控制上位機(jī)或者直接使用上位機(jī)發(fā)出指令，協(xié)調(diào)器通過串口通信模塊接收指令，將命令傳給指定的次節(jié)點(diǎn)，然后次節(jié)點(diǎn)通過家居控制電路改變指定家居的狀態(tài)。

2.2 家居監(jiān)測(cè)流程

家居監(jiān)測(cè)功能主要由各房間分布的無(wú)線傳感器構(gòu)成。房間中的各傳感器實(shí)時(shí)采集家庭狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后統(tǒng)一由上一級(jí)的次節(jié)點(diǎn)接收并處理，之后由無(wú)線收發(fā)模塊傳給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器即主節(jié)點(diǎn)，其次由主節(jié)點(diǎn)通過串口通信模塊傳給上位機(jī)。用戶可以使用上位機(jī)或移動(dòng)終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)住宅狀態(tài)。其工作流程如圖3所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種使用門檻低，實(shí)用性強(qiáng)，能耗低的智能家居方案。該方案在智能家居領(lǐng)域引入無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部多點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是一次成功的嘗試。通過本方案，用戶可以簡(jiǎn)便地對(duì)家庭狀況進(jìn)行監(jiān)視及控制，提高了家庭生活的質(zhì)量，提高了用戶的家庭勞動(dòng)效率。

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