基于Arduino的語音識別系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為了探索基于Arduino平臺的智能硬件設(shè)計方法，本文設(shè)計了一套基于Arduino的語音識別系統(tǒng)。首先，本文搭建了硬件平臺，核心模塊為Arduino和一款語音識別芯片LD3320。然后，利用Arduino的軟件編程環(huán)境實現(xiàn)了本文的軟件算法。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)能實現(xiàn)智能語音識別的功能，可推廣到其他智能平臺。

關(guān)鍵詞： Arduino；語音識別； LD3320

隨著科技的不斷進(jìn)步，人們的生活水平也大大的提高，智能家電開始逐步實現(xiàn)。在智能家電的時代，我們想開燈，想打開電視，想看哪個臺，哪個節(jié)目等等，無需去找開關(guān)，遙控器，只需要大聲地說出我們的想法，就能如我所愿?，F(xiàn)在移動終端的使用大大方便了我們的生活，我們設(shè)想，將所有家電（電扇，電視，冰箱，空調(diào)，微波爐，電飯煲，洗衣機(jī)），以及門、燈等都可以安裝上一些相應(yīng)的傳感器，在移動終端（如手機(jī)，平板）上安裝一個自己開發(fā)的APP，然后通過語音識別技術(shù)就可以控制這些電器，實現(xiàn)更智能、更方便的家居生活。因此，基于這些設(shè)想，本文設(shè)計了一套基于Arduino+LD3320語音識別系統(tǒng)，用戶可以通過語音控制LED燈的打開與熄滅，也可以控制流水燈以及全彩燈等的熄滅。本系統(tǒng)簡便流暢，可以推廣到其他智能交互系統(tǒng)中。

1 語音識別原理

語音識別的研究可以追溯到1952年，當(dāng)時世界上的第一個語音識別系統(tǒng)是可識別到10個英語數(shù)字的 Audry 系統(tǒng)。后來，隨著語音識別技術(shù)的發(fā)展，在提高小詞匯量的語音識別系統(tǒng)的性能之后，研究人員們開始有更大目標(biāo)，將研究方向轉(zhuǎn)到了非特定人、大詞匯量的語音識別系統(tǒng)上，其中最具突破性意義的是CMU大學(xué)研發(fā)的SPHINX系統(tǒng)，它成功解決了非特定人、大詞匯量以及連續(xù)語音的三大難題，曾被一致定義為語音識別技術(shù)發(fā)展中的奠基石。

上述語音識別系統(tǒng)的關(guān)鍵就是語音識別技術(shù)，而語音識別技術(shù)可以定義為讓機(jī)器通過識別和理解，把人類的語音信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的文本信號的技術(shù)。本文所采用的LD3320芯片利用了這些語音識別技術(shù)，并將非特定人的語音信號轉(zhuǎn)換為了文本信號。

2 系統(tǒng)軟件及硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件平臺搭建

本文所設(shè)計的基于Arduino 的語音識別系統(tǒng)，是一個以Arduino為處理器平臺的并依托語音識別技術(shù)對輸入作出響應(yīng)的智能系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括以下幾部分：以Arduino為核心的處理器模塊，以LD3320為核心的語音識別模塊以及各種接口部件。平臺組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)的工程流程如下：首先用戶通過麥克風(fēng)將語音信號輸入到語音識別模塊中，語音識別模塊將語音信號轉(zhuǎn)換為特定的信號，然后在Arduino的控制下，將識別出的信號轉(zhuǎn)換為指令輸出，然后控制LED燈的開啟與熄滅。

2.2 Arduino開發(fā)板

Arduino是2005 年1 月由意大利米蘭交互設(shè)計學(xué)院的兩位教師David Cuartielles 和Massimo Banzi聯(lián)合開發(fā)的開源硬件平臺。本文采用的產(chǎn)品型號為Arduino UNO R3，該款開發(fā)板提供了豐富的硬件接口資源，包括0～13共計14個數(shù)字輸入/輸出口以及A0～A5共計6個模擬輸入接口。因此，用戶可以根據(jù)需要很方便的進(jìn)行二次開發(fā)。

2.3 語音識別模塊

本文采用安然之家智能工作室開發(fā)的LPICR V1.4 免編程（IO 版）非特定人語音識別模塊，該語音模塊以LD3320位核心，當(dāng)麥克風(fēng)采集到語音信號時，LD3320發(fā)送低電平請求中斷，然后MCU執(zhí)行相應(yīng)的識別流程序。語音識別模塊的引腳定義如下圖3所示。

在語音識別系統(tǒng)實現(xiàn)之前，首先需要將待識別語句燒寫到語音識別模塊中。語音識別模塊與電腦連接進(jìn)行命令的輸入過程比較簡單，可以用如下圖3以及圖4進(jìn)行說明，其分別是語音識別模塊與電腦連接的示意圖和實物圖。

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計實現(xiàn)

接下來是系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分，Arduino采用類似于Java和C語言的Processing/Wiring 開發(fā)環(huán)境。測試開燈關(guān)燈命令的時候，只需要利用digitalWrite函數(shù)把相應(yīng)的引腳拉高或者拉低，然后就可以實現(xiàn)LED的打開和熄滅。而測試流水燈時，只需要按一定的延遲拉高或者拉低相應(yīng)的引腳。語音識別芯片識別到的結(jié)果會轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制信號，Arduino會利用這些識別的結(jié)果做出相應(yīng)的操作。

3 實驗結(jié)果

搭建完硬件平臺以后，然后將編寫的聲控程序編譯、燒寫至開發(fā)板。接下來對系統(tǒng)進(jìn)行聲控測試。首先，對系統(tǒng)的麥克風(fēng)正確說出“開燈”、“關(guān)燈”、“打開流水燈”等預(yù)先設(shè)置的命令，系統(tǒng)識別出了預(yù)先設(shè)置的命令，然后，面包板上的LED燈也做出了相應(yīng)的反應(yīng)。多次測試發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的識別率在90%以上，說明系統(tǒng)是可靠的，并且也是比較穩(wěn)定的。

最終的測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在無噪或低噪環(huán)境下運行良好，識別精度非常高，能實現(xiàn)語音控制LED燈的開與關(guān)的要求。

4 結(jié)語

本文主要對基于Arduino的語音識別系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)進(jìn)行了闡述。系統(tǒng)的設(shè)計工作主要包括了硬件平臺的搭建及軟件的實現(xiàn)。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠通過語音識別芯片實現(xiàn)開燈關(guān)燈等操作，說明本系統(tǒng)是可靠的，智能的，并且也是有效的。此外，由于本系統(tǒng)具有體積小、功耗低、通用性強(qiáng)等優(yōu)勢，因此，可推廣到各種智能應(yīng)用領(lǐng)域，如智能家居、智能家電、智能交通等。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙璐，吳蒙.基于Arduino的語音識別與控制系統(tǒng)實現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2015 （21）.

[2]黃麗雯，韓榮榮，宋江敏.基于Arduino /Android 的語音控制小車設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2015，34（12）.

[3]鄭昊，鐘志峰，郭昊，許駿.基于Arduino/Android的藍(lán)牙通信系統(tǒng)設(shè)計[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012（5） .

[4]劉楚紅，董鎮(zhèn)，錢宇捷，陶立，柳盛東.基于Arduino 的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（17）.

作者簡介：鄭斯琦（2001），女，四川省成都市第七中學(xué)高新校區(qū)高2016級級9班。積極參加20162017年度兩期“成都七中創(chuàng)客集合”活動，開展了C、C++等編程語言的研究性學(xué)習(xí)，初步學(xué)習(xí)了MFC、Arduino。