基于單片機(jī)的智能家居語音控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李澤彬，姚有峰，張飛龍，徐云緋，李 宣

（皖西學(xué)院 傳感網(wǎng)與信息處理綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室，安徽 六安 237012）

基于單片機(jī)的智能家居語音控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李澤彬，姚有峰，張飛龍，徐云緋，李 宣

（皖西學(xué)院 傳感網(wǎng)與信息處理綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室，安徽 六安 237012）

為了改善家居特殊群體的生活質(zhì)量，利用單片機(jī)和語音識別模塊設(shè)計(jì)了智能家居語音控制系統(tǒng)，通過語音識別模塊識別語音指令，系統(tǒng)根據(jù)識別結(jié)果控制家居電氣設(shè)備的開啟或關(guān)閉。采用了火焰、煙霧和溫濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境參數(shù)，系統(tǒng)在特定情況下可以播報(bào)個(gè)性化定制的語音提示和語音流。經(jīng)測試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，語音識別率高。該系統(tǒng)提高了家居生活的防災(zāi)水平，也使現(xiàn)代家居生活變得更輕松、更便捷、更安全。

智能家居；語音識別；電氣設(shè)備；家居環(huán)境

語音識別是人機(jī)交互的一種重要技術(shù)手段[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，語音識別技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)控制、智能家居生活和醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)等方面得到廣泛應(yīng)用[2-8]。目前，家居電氣設(shè)備的常規(guī)控制方式有手動直接接觸和紅外線遙控[9-10]，隨著智能設(shè)備的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了手機(jī)和電腦智能控制的家居設(shè)備，但是這些設(shè)備的控制面對的是具有正常行動能力的人群，而對于那些行動不便的老年人和殘疾人等群體來說，使用常規(guī)和智能終端來控制設(shè)備顯然是不方便和不適用的[11-12]，為此文中設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的智能家居語音控制系統(tǒng)，采用了語音指令控制家具設(shè)備的開啟或關(guān)閉，同時(shí)可以利用單片機(jī)獲取傳感器采集的環(huán)境參數(shù)來監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境是否超標(biāo)，并能利用MP3模塊來播報(bào)個(gè)性化語音提示，語音報(bào)警和特定語音流等，從而使現(xiàn)代家居生活更輕松、更便捷、更安全。

1 系統(tǒng)組成及硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制部分、語音識別模塊、MP3模塊、傳感器和電氣設(shè)備驅(qū)動控制模塊構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。咪頭用于對聲音信號進(jìn)行采集，經(jīng)過處理電路處理后送入LD3320語音識別模塊處理，處理結(jié)果通過并行端口送給單片機(jī)，單片機(jī)接收到LD3320語音識別模塊處理的結(jié)果后，并對其進(jìn)行分析，發(fā)出相關(guān)指令控制各電氣設(shè)備，實(shí)現(xiàn)各電氣設(shè)備啟動或關(guān)閉；同時(shí)也可發(fā)出相關(guān)指令，驅(qū)動MP3模塊發(fā)出相關(guān)語音信息或播放特定語音流。在系統(tǒng)工作過程中，利用火焰、煙霧和溫濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，當(dāng)環(huán)境參數(shù)超過預(yù)定值時(shí)，單片機(jī)發(fā)出指令給MP3模塊，播放特定語音報(bào)警信息。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 單片機(jī)控制模塊

本系統(tǒng)采用單片機(jī)STC90LE52RC來控制外圍設(shè)備，STC90LE52RC具有超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，操作指令與8051單片機(jī)完全兼容[13-14]，其構(gòu)成的控制模塊最小系統(tǒng)如圖2所示，本系統(tǒng)中采用3.3 V供電，與LD3320語音識別模塊相同，這樣能有效的增加了內(nèi)部數(shù)據(jù)處理的可靠性、兼容性。

圖2 單片機(jī)控制模塊

1.2 語音識別與播放模塊

圖3 LD3320模塊電路和MP3模塊電路

LD3320模塊內(nèi)集成了LD3320芯片、咪頭及相關(guān)電路，其主要是采集語音信號并識別特定語音信號，采用并行方式直接與單片機(jī)相接，如圖3（a）所示。麥克風(fēng)采集到語音信號，當(dāng)LD3320模塊識別出語音信號后，芯片會產(chǎn)生一個(gè)中斷信號通過LD_IR管腳返回給單片機(jī)，并且將數(shù)據(jù)通過P0～P7傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。因?yàn)長D3320芯片最多可以存儲50條識別語句[15]，顯然在實(shí)際復(fù)雜系統(tǒng)中是不夠用的，為此，本設(shè)計(jì)中LD3320芯片主要用于存儲語音控制命令，采用MP3模塊電路存儲語音流信息，語音流采用MP3格式存放在該模塊的SD卡中，其端口RX和TX與單片機(jī)P30和P31連接，電路如圖3（b）所示。當(dāng)MP3模塊接收單片機(jī)控制信號后，驅(qū)動喇叭發(fā)出語音信號或相關(guān)MP3語音流。

1.3 傳感器與設(shè)備驅(qū)動控制模塊

本系統(tǒng)中的火焰?zhèn)鞲衅髋c煙霧傳感器采用模塊電路，溫濕度傳感器采用DHT11。火焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器、溫濕度傳感器分別獲取室內(nèi)火焰、煙霧濃度以及溫濕度信息，將采集到的信息送給單片機(jī)，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)隱患時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動MP3發(fā)出個(gè)性化火災(zāi)報(bào)警信息；當(dāng)溫濕度超出設(shè)定范圍時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動MP3發(fā)出溫濕度提示信息；與此同時(shí)LED燈也發(fā)出不同規(guī)律的閃爍報(bào)警信號，其電路如圖4（a）所示。

本系統(tǒng)中電氣設(shè)備驅(qū)動控制電路由光電耦合器MOC3022和可控硅BT136-800E組成，這里只給出一個(gè)端口連接情況，如圖4（b）所示，若要控制其他設(shè)備只須將該電路和單片機(jī)其他空余端口連接即可。光電耦合器MOC3022主要用來分離單片機(jī)控制電路和動力電路；為了較好的驅(qū)動家庭電氣設(shè)備，本系統(tǒng)采用了具有擊穿電壓高、輸出電流大的可控硅BT136-800E；電路中R15和C5主要是吸收高頻脈沖干擾。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖4 傳感器電路與電氣設(shè)備驅(qū)動控制電路

本系統(tǒng)開始工作后，語音識別芯片進(jìn)行復(fù)位、初始化，并將識別的語音條目寫入識別列表，等待語音信號輸入后開始識別，打開中斷允許位，識別完成后向主控制器發(fā)出中斷請求。主控制器通過相應(yīng)狀態(tài)寄存器得到識別結(jié)果，從而獲得相應(yīng)的控制命令，語音寫入流程圖，如圖5（a）所示。本系統(tǒng)采用口令模式，LD3320首先將采集到的語音信號與預(yù)設(shè)的觸發(fā)口令進(jìn)行匹配，匹配通過后繼續(xù)采集語音信號，采集到有效語音信號后，則將其與關(guān)鍵詞列表中口令進(jìn)行再次匹配，如匹配結(jié)果符合預(yù)設(shè)口令，則將識別結(jié)果傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)執(zhí)行設(shè)備控制和語音播放命令。如不匹配則放棄當(dāng)前采集結(jié)果，重新采集觸發(fā)口令。語音識別與設(shè)備驅(qū)動流程圖，如圖5（b）所示。

圖5 流程圖

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，為了有效提高識別率、降低誤識別率，采取了以下2種措施：1）在設(shè)置好特定語音識別條目后，添加了多個(gè)與識別列表內(nèi)有一定聯(lián)系的任意其他條目，用來吸收錯誤語音識別；2）使用了口令模式，避免了周圍環(huán)境雜聲導(dǎo)致系統(tǒng)錯誤識別。

在系統(tǒng)循環(huán)執(zhí)行過程中，程序不停的監(jiān)測環(huán)境火焰、煙霧、溫濕度參數(shù)，當(dāng)檢測到有效信號后，單片機(jī)驅(qū)動MP3模塊發(fā)出個(gè)性化語音、并報(bào)警提示，其環(huán)境參數(shù)檢測流程圖，如圖5（c）所示。

3 結(jié)束語

該設(shè)計(jì)利用單片機(jī)和語音識別模塊實(shí)現(xiàn)了智能家居語音控制系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)能夠識別語音指令，并能根據(jù)識別結(jié)果控制家居電路中日光燈、風(fēng)扇和電視等其他電氣設(shè)備的開啟或關(guān)閉；通過環(huán)境中的火焰、煙霧和溫濕度參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測進(jìn)行家居火災(zāi)預(yù)防，并在特定情況下播報(bào)個(gè)性化定制的語音提示和語音流，提高了家居生活的預(yù)防災(zāi)害水平，同時(shí)系統(tǒng)也能改善特殊群體的生活質(zhì)量，使得特殊群體實(shí)現(xiàn)輕松、便捷、安全的現(xiàn)代家居生活。通過該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測試，結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，語音識別率高，結(jié)構(gòu)簡單，能夠完成家居電氣設(shè)備的控制和環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測。

[1]劉瓊.C8051F040單片機(jī)在語音識別系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].世界產(chǎn)品與技術(shù)，2012（8）:38-40.

[2]徐子豪，張騰飛.基于語音識別和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2012，20（1）:180-182.

[3]何侃，田亞清，李強(qiáng)，等.基于LD3320的語音識別智能垃圾桶設(shè)計(jì)[J].國外電子測量技術(shù)，2015（6）: 85-88.

[4]閆哲，杜濤，左海利.智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2010，29（2）:93-95.

[5]余超，羅純，黃伍成.基于LD3320的語音控制照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015（3）:48-51.

[6]鄒偉.基于可重構(gòu)的語音識別片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2014.

[7]馬玉志，吳登娥.非特定人語音控制系統(tǒng)在家用電器中的應(yīng)用[J].無線互聯(lián)科技，2015（18）:137-138.

[8]陳濤，高必梵，艾菊梅.語音識別技術(shù)在智能家居控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].電子質(zhì)量，2015（3）:1-3.

[9]程克學(xué)，林蔚朝.家用電器遙控器用作控制照明—克林開關(guān)[J].建筑電氣，2004，23（6）:31-33.

[10]付蔚，唐鵬光，李倩.智能家居語音控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動化儀表，2014，35（1）:46-50.

[11]于慶棟，王仁杰，王龍，等.基于DSP+單片機(jī)的主從式智能輪椅語音控制系統(tǒng) [J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（15）:167-169.

[12]梁俊，楊燕翔，王娟，等.基于DSP的語音識別計(jì)算器設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（5）:135-138.

[13]邢園園.基于STC90C52RC單片機(jī)的尿不濕手機(jī)報(bào)警裝置[J].電子質(zhì)量，2013（3）:44-46.

[14]鄧雅琪，徐承韜，宋禹輝，等.一種便攜式語音提示器的設(shè)計(jì)[J].沈陽化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，29（4）.

[15]洪家平.LD3320的嵌入式語音識別系統(tǒng)的應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012，12（2）:47-49.

Design of smart home voice control system based on single-chip microcomputer

LI Ze-bin，YAO You-feng，ZHANG Fei-long，XU Yun-fei，LI Xuan
（Comprehensive Application Laboratory of Sensor networks and Information Processing System，West Anhui University，Lu'an 237012，China）

In order to improve life quality of special groups，smart home voice control system is designed based on single-chip computer module and LD3320 speech recognition module.The electric equipments control system could be ON and OFF according to the voice commands by the recognized voice commands.A variety of voice prompt and voice steam could be customized and played by the monitored indoor environment parameters.After testing，the designed system has high stability，high speech recognition rate.In the home life，the system can improve the level of disaster prevention.The modern home life can be made easier and more convenient，more secure.

smart home；speech recognition；electric equipment；living environment

TN912.34

：A

：1674-6236（2017）08-0175-03

2016-06-19稿件編號：201606130

安徽高校省級自然科學(xué)研究項(xiàng)目（KJ103762015B20）；省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（AH201510376017；AH201510376034）；皖西學(xué)院校級科學(xué)研究項(xiàng)目（WXZR201642）

李澤彬（1979—），男，安徽六安人，碩士，講師。研究方向：復(fù)雜系統(tǒng)和混沌信號處理。