基于ARM的智能家居語音控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃夢(mèng)龍 李云紅 馬麗萍 鐘曉妮 王剛毅

摘要：為了改變傳統(tǒng)家居中人為觸發(fā)的控制方式，提高智能控制程度，設(shè)計(jì)了基于ARM和WEGASUN-M6的智能家居語音控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以X6818bv3開發(fā)板和WEGASUN-M6語音識(shí)別模塊為核心搭建了智能家居的硬件平臺(tái)，采用非特定人語音識(shí)別技術(shù)，通過語音識(shí)別模塊對(duì)關(guān)鍵詞語音信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，最終識(shí)別結(jié)果的控制指令以無線方式發(fā)送到設(shè)備節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)家電的智能控制。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該語音控制系統(tǒng)的語音識(shí)別率高，可靠性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：智能家居;ARM;非特定人語音識(shí)別;語音控制

中圖分類號(hào)：TP23? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1009-3044（2018）34-0178-03

智能家居是將家庭中各種通信設(shè)備、家用電器和安防設(shè)備連接成為一個(gè)家庭智能化系統(tǒng)，以便對(duì)上述設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、控制管理和信息交換，提供安全、高效、舒適、便利的家居環(huán)境[1-4]。語音識(shí)別是人機(jī)交互的一種重要技術(shù)手段，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，語音識(shí)別技術(shù)開始應(yīng)用于智能家居生活中，而常見的語音控制系統(tǒng)都是基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，文獻(xiàn)[5-7]采用單片機(jī)進(jìn)行智能家居語音控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但隨著人們對(duì)家居要求不斷提高，傳統(tǒng)的單片機(jī)已無法滿足需求，文獻(xiàn)[8]采用凌陽單片機(jī)以及射頻模塊組成zigbee語音子節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)語音控制系統(tǒng)，但成本比較高。WiFi是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)新興的一支主力軍，滿足了不斷增長的帶寬需求，在文獻(xiàn)[9]中，李云紅等設(shè)計(jì)了基于ARM的WiFi無線終端系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)隨地連接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)沖浪、下載信息等功能，WiFi也廣泛應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)中，備受業(yè)界關(guān)注[10-12]。在以上研究基礎(chǔ)上，系統(tǒng)選擇無線路由WiFi技術(shù)組建家庭內(nèi)網(wǎng)，通過語音模塊實(shí)現(xiàn)語音人機(jī)交互，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)備的監(jiān)控以及語音控制。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件部分包括電源、WEGASUN-M6語音識(shí)別模塊、X6818bv3開發(fā)板、繼電器、WiFi模塊等。系統(tǒng)整體控制由 X6818bv3開發(fā)板實(shí)現(xiàn)，包括對(duì)M6語音識(shí)別模塊的初始化等。用戶語音指令經(jīng)麥克風(fēng)送給語音識(shí)別模塊，語音識(shí)別模塊對(duì)識(shí)別到的語音進(jìn)行解析并且通過USB轉(zhuǎn)串口將識(shí)別結(jié)果發(fā)送給控制器，控制器對(duì)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行判斷分析，將相關(guān)設(shè)備控制命令通過無線發(fā)送到對(duì)應(yīng)的家庭網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，由節(jié)點(diǎn)對(duì)命令進(jìn)行判斷并執(zhí)行底層硬件操作，達(dá)到對(duì)設(shè)備的精確控制，傳感器系統(tǒng)對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)異常時(shí)，控制器發(fā)送相關(guān)指令給語音模塊，進(jìn)行語音報(bào)警。系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件電路主要由控制器模塊X6818bv3開發(fā)板、WEGASUN-M6語音模塊、WiFi模塊等組成。X6818bv3開發(fā)板采用三星最新的S5P6818芯片設(shè)計(jì)，含有64位8核Cortex-a53處理器，并且集成了LCD控制器，USBHost，BUS控制器、中斷控制、存儲(chǔ)控制等豐富的外設(shè)資源。

2.1 WEGASUN-M6語音人機(jī)交互

在語音識(shí)別技術(shù)發(fā)展之初，只能由特定的人進(jìn)行語音命令來完成任務(wù)，而且需要錄音和訓(xùn)練等，而現(xiàn)在非特定人語音識(shí)別只需用戶使用相同的語言就可以進(jìn)行識(shí)別，且識(shí)別效率大大提高，識(shí)別率高達(dá)95%，無須外接輔助，M6語音識(shí)別模塊采用ASR技術(shù)中的非特定人語音識(shí)別技術(shù)。它的原理是通過數(shù)學(xué)模型進(jìn)行建模，將使用者的語音數(shù)據(jù)通過頻譜轉(zhuǎn)換為語音特征提取出來，然后通過關(guān)鍵詞列表逐一匹配，通過概率匹配最優(yōu)的結(jié)果。

M6語音識(shí)別模塊芯片內(nèi)部集成了快速穩(wěn)定的優(yōu)化算法，不需外接存儲(chǔ)器，不需要用戶在使用前進(jìn)行訓(xùn)練和錄音完成非特定人語音識(shí)別，識(shí)別的語音準(zhǔn)確率比較高，可識(shí)別漢語以及英語，模塊具有優(yōu)越的語音識(shí)別和語音合成性能，可獨(dú)立運(yùn)行，識(shí)別詞條達(dá)2000多句，識(shí)別距離達(dá)5米，包含多種工作模式，無須在Windows或者Android平臺(tái)上，通過TTL串口（UART）接收指令和返回結(jié)果，能通過串口與各種MCU進(jìn)行通訊。

2.1.2 語音控制設(shè)備流程

設(shè)置語音識(shí)別模塊串口通信參數(shù)、與設(shè)備相對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵詞列表，以及語音詞條識(shí)別結(jié)果輸出，設(shè)置成功后再與控制器USB接口相連接，控制器對(duì)M6語音識(shí)別模塊初始化，語音模塊與控制器之間就可以進(jìn)行正常通信，同時(shí)控制器可以發(fā)送相應(yīng)指令給語音模塊，讓語音模塊輸出語音信息達(dá)到語音報(bào)警的目的。

MIC將控制命令語音信息輸入給語音模塊后，首先進(jìn)行頻譜分析，從語音信息中提取特征信息，隨后模塊中語音識(shí)別器將采集到的語音特征信息與識(shí)別關(guān)鍵詞條列表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比匹配，與關(guān)鍵詞條列表中的一條匹配成功后，則輸出已經(jīng)設(shè)置好的詞條識(shí)別結(jié)果，此時(shí)，控制器收到識(shí)別結(jié)果并且對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，執(zhí)行相應(yīng)的操作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，為了有效提高語音識(shí)別率，識(shí)別模塊采取口令工作模式，避免周圍環(huán)境雜聲導(dǎo)致系統(tǒng)錯(cuò)誤識(shí)別，如控制客廳燈時(shí)，說出口令“大管家”，語音模塊播放語音“我在呢”，說出“打開客廳燈”控制命令，語音識(shí)別模塊對(duì)控制命令進(jìn)行識(shí)別，并將識(shí)別結(jié)果發(fā)送給控制器，語音控制設(shè)備流程圖如圖2所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

控制器采用linux操作系統(tǒng)，在其基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)相關(guān)程序的設(shè)計(jì)，軟件主要包括系統(tǒng)軟件平臺(tái)的搭建、linux系統(tǒng)裁剪及編譯、驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、應(yīng)用主程序設(shè)計(jì)，系統(tǒng)應(yīng)用主程序主要包括控制器調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊的程序以及Qt界面程序，并且兩應(yīng)用程序之間通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行socket通信。

3.1 系統(tǒng)軟件平臺(tái)搭建

在智能家居系統(tǒng)中選擇3.4.39版本的linux操作系統(tǒng)，構(gòu)建交叉編譯環(huán)境，進(jìn)行uboot移植，在內(nèi)核目錄中，通過運(yùn)行make menuconfig進(jìn)入內(nèi)核配置菜單，進(jìn)行l(wèi)inux內(nèi)核配置如對(duì)USB攝像頭、無線網(wǎng)絡(luò)802.11協(xié)議的支持等，編譯內(nèi)核并移植，完成后制作根文件系統(tǒng)并進(jìn)行移植，搭建Qt編譯與開發(fā)環(huán)境。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)采用C/S架構(gòu)，包括進(jìn)行TCP/IP socket通信的服務(wù)器端程序以及客戶端程序（app），其中對(duì)客戶端發(fā)送的指令進(jìn)行判斷并將相應(yīng)指令發(fā)送至節(jié)點(diǎn)的程序?yàn)榉?wù)器端，Qt界面程序?yàn)榭蛻舳?。在Qt編程中，TabWidget控件可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行切換顯示不同的內(nèi)容，利用信號(hào)和槽機(jī)制進(jìn)行對(duì)象間的通信，如在LCD觸摸屏上點(diǎn)擊燈光開關(guān)按鈕時(shí)，則會(huì)觸發(fā)clicked（）響應(yīng)信號(hào)，然后執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的槽函數(shù)，將燈光控制指令發(fā)送給服務(wù)器。在Qt主線程中，程序通過定時(shí)器類QTimer不停地監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)檢測(cè)到的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)異常時(shí)，控制器發(fā)送相應(yīng)指令給語音模塊，達(dá)到語音模塊語音提示與報(bào)警的效果，環(huán)境參數(shù)檢測(cè)流程圖如圖3所示。Qt界面程序不僅設(shè)計(jì)控制界面，同時(shí)還通過線程類QThread建立子線程實(shí)現(xiàn)不斷輪詢語音模塊的輸出值，解決程序多任務(wù)同時(shí)運(yùn)行的問題，當(dāng)客戶端程序收到語音模塊輸出值時(shí)，進(jìn)行判斷并且將對(duì)應(yīng)的設(shè)備控制命令通過TCP/IP協(xié)議socket通信發(fā)送給服務(wù)器端程序，服務(wù)器端程序?qū)邮盏降脑O(shè)備控制命令進(jìn)行判斷后，發(fā)送命令至對(duì)應(yīng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，最后設(shè)備執(zhí)行響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)家居設(shè)備的控制。應(yīng)用程序設(shè)計(jì)框架如圖4所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

智能家居系統(tǒng)硬件以及軟件設(shè)計(jì)完成后，部署好硬件，并將設(shè)計(jì)好的Qt客戶端程序移植到控制器上并運(yùn)行，與控制器連接的LCD觸摸屏界面顯示如圖5所示，首先測(cè)試觸摸屏控制設(shè)備效果，通過點(diǎn)擊觸摸屏對(duì)應(yīng)按鈕對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，測(cè)試結(jié)果表明，智能家居系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

對(duì)語音模塊進(jìn)行測(cè)試，說出包含控制設(shè)備的關(guān)鍵詞識(shí)別詞條，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)各識(shí)別詞條進(jìn)行多次測(cè)試，分別在安靜環(huán)境和嘈雜環(huán)境兩種家庭場景中使用設(shè)備，分別記錄在不同情況下設(shè)備指令識(shí)別成功的準(zhǔn)確率，測(cè)試結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，在安靜的環(huán)境中，設(shè)備對(duì)非特定人的語音識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)91%，在嘈雜環(huán)境中準(zhǔn)確率降低，這主要是由于雜音對(duì)語音信息的干擾導(dǎo)致語音處理器的誤處理。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)的智能家居語音控制系統(tǒng)，通過WiFi組建家庭內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)，以ARM控制器為核心，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)語音交互，可實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別以及控制智能家居的所有終端節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)的功能性強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定，可應(yīng)用在智能家居以及相關(guān)行業(yè)中，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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