基于語音控制技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈小龍

（寧夏理工學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，寧夏 753000）

將語音識(shí)別技術(shù)和語音合成技術(shù)構(gòu)成的語音用戶界面應(yīng)用到智能家居中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)家電設(shè)備的語音控制和管理，為用戶提供更為安全舒適高效便利的生活環(huán)境。目前智能家居技術(shù)及產(chǎn)品已逐步廣泛應(yīng)用。本文主要討論如何構(gòu)建先進(jìn)的智能淋浴節(jié)水系統(tǒng)，以此來解決公共浴室用水浪費(fèi)嚴(yán)重的問題，并實(shí)現(xiàn)方便用戶洗浴的功能。這里所說的“先進(jìn)”會(huì)體現(xiàn)在設(shè)備的技術(shù)水平上，同時(shí)也會(huì)反映在用水的觀念上，智能淋浴節(jié)水系統(tǒng)的廣泛使用是推動(dòng)公共浴室節(jié)能發(fā)展的有效措施。

1 系統(tǒng)功能需求分析

本文的研究目的是實(shí)現(xiàn)基于語音控制的智能家居系統(tǒng)，用戶可以通過語音指令進(jìn)行家用設(shè)備的控制，如電視、空調(diào)、燈光等，這將提高人們生活的便利性。所以本系統(tǒng)的需求分析從用戶角度出發(fā)進(jìn)行深入分析。功能需求如下。

（1）語音識(shí)別功能：語音識(shí)別是系統(tǒng)最重要的基本功能，也是本次設(shè)計(jì)的主要功能。語音識(shí)別能有效提高家居生活的便利性。（2）無線數(shù)據(jù)傳輸功能：數(shù)據(jù)傳輸是系統(tǒng)間相互聯(lián)系的基帶，采用語音控制nRF905模塊的進(jìn)行。（3）自動(dòng)休眠功能：節(jié)約用電，降低功耗。（4）語音喚醒功能：檢測(cè)到語音輸入時(shí)，自動(dòng)退出休眠模式，馬上進(jìn)行工作。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 主要模塊選擇

（1）本設(shè)計(jì)選用非接觸式IC卡。非接觸式IC卡又稱為無觸點(diǎn)集成電路卡、射頻卡技術(shù)結(jié)合產(chǎn)物，因?yàn)槠渑c讀寫器之間沒有機(jī)械接觸，而是借助了“空間媒介”電磁波來進(jìn)行通訊。具有操作方便、可靠性高、防偽性好、安全性好、抗干擾能力強(qiáng)和一卡多用的優(yōu)點(diǎn)。

（2）本設(shè)計(jì)選用WaterSensor水位傳感器。水位計(jì)也被稱為“液位計(jì)”。如果水位過低，會(huì)有爆炸的危險(xiǎn)。為了要隨時(shí)了解水位，應(yīng)該裝上水位計(jì)，使水位計(jì)和鍋爐構(gòu)成了一個(gè)連通器。

（3）本設(shè)計(jì)選擇DS18B20測(cè)溫。DS18B20是一款數(shù)字溫度傳感器，其封裝后可用于機(jī)房測(cè)溫、鍋爐測(cè)溫、電纜溝測(cè)溫、潔凈室測(cè)溫、農(nóng)業(yè)大棚測(cè)溫和高爐水循環(huán)測(cè)溫等各種場(chǎng)合。

（4）本設(shè)計(jì)選用LCD1602液晶屏。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)硬件電路分為五部分：主控制電路、語音識(shí)別電路、nRF905模塊電路、開關(guān)控制接口電路和電源管理電路。硬件電路的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

（1）主控制電路。主控制電路選用STC公司的微控制處理器STC89C52RC，該芯片是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)編程Flash存儲(chǔ)器，512字節(jié)RAM，使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，做了很多改進(jìn)后使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。

（2）語音識(shí)別電路。語音識(shí)別電路采用LD3320專用語音識(shí)別芯片。該芯片具有快速而穩(wěn)定的語音識(shí)別算法，不但能完成非特定人語音識(shí)別，而且不需要用戶進(jìn)行繁瑣的錄音。LD3320芯片不需要外接任何輔助的RAM芯片、閃存芯片或者AD芯片就可以完成語音識(shí)別的功能。由于其具有單芯片語音識(shí)別功能，所以簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

（3）nRF905無 線 模 塊。nRF905模 塊使 用nRF905芯 片。nRF905的 工 作 頻 段 是433/868/915MH；由頻率調(diào)制器、功率放大器、一個(gè)帶解調(diào)器的接收器、調(diào)節(jié)器和晶體震蕩器組成。與單片機(jī)之間的通訊方式采用SPI總線，使用非常方便。

（4）電源管理電路。系統(tǒng)中各個(gè)模塊所需要的工作電壓不同，所以需要設(shè)計(jì)合適的電源方案以保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定。這里采用電源室適配器提供直流15V電源，經(jīng)過電源管理集成電路分別降壓至12V、5V、3.3V。因?yàn)橄到y(tǒng)中有開關(guān)電路，容易產(chǎn)生干擾，又有nRF905電路，需要穩(wěn)定的電源，所以電源電路的設(shè)計(jì)要能提供濾除雜波，提供穩(wěn)定電源。

（5）開關(guān)接口電路。該電路主要為家居中的控制開關(guān)量提供接口，主要由繼電器和三極管電路構(gòu)成。通過單片機(jī)I/O電平變化，控制三極管的導(dǎo)通跟截止，進(jìn)而控制繼電器的開關(guān)。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

編寫主函數(shù)庫，以供子程序調(diào)用。語音識(shí)別模塊程序調(diào)用主函數(shù)庫與單片機(jī)進(jìn)行并行通訊。然后編寫語音識(shí)別的芯片功能程序，提供接口函數(shù)給語音用戶界面調(diào)用。nRF905模塊程序調(diào)用主函數(shù)的SPI總線協(xié)議進(jìn)行通訊。主程序通過調(diào)用模塊函數(shù)以及編寫的主函數(shù)庫，完成系統(tǒng)的功能要求。

（1）主程序設(shè)計(jì)。微控制處理器STC89C52RC上電/復(fù)位狀態(tài)后，首先執(zhí)行設(shè)備初始化程序，完成微控制處理器的初始化和各個(gè)外設(shè)的初始化。然后啟動(dòng)語音識(shí)別程序，開啟語音用戶界面，等待用戶的語音輸入，語音識(shí)別后將數(shù)據(jù)無線發(fā)送，接收端判斷數(shù)據(jù)控制開關(guān)電路。

（2）上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。上位機(jī)界面采用LabVIEW軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。LabVIEW是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議采用串口VISA，再分別經(jīng)過R模塊跟W模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，使用字符串比較方式進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)。在程序外圍框架使用一個(gè)按鍵Button與一個(gè)While相連接，控制整體程序的運(yùn)行與停止。

3 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境分別為安靜環(huán)境和嘈雜環(huán)境。測(cè)試流程為首先測(cè)試語音識(shí)別準(zhǔn)確率；其次測(cè)試無線數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確率；最后測(cè)試開關(guān)控制功能。測(cè)試結(jié)果如下。

（1）語音識(shí)別準(zhǔn)確率。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在安靜環(huán)境中語音識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)91.11%，在嘈雜環(huán)境中語音識(shí)別率為77.77%。

（2）無線數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確率。通過電腦串口軟件讀取發(fā)送的數(shù)據(jù)，檢查是否有丟失數(shù)據(jù)現(xiàn)象，經(jīng)測(cè)試此功能正常。

（3）開關(guān)控制功能。使用語音控制8路開關(guān)，經(jīng)測(cè)試能夠準(zhǔn)確控制每路的繼電器開關(guān)和閉合。

測(cè)試結(jié)果表明，在嘈雜的環(huán)境下會(huì)使語音識(shí)別率有所下降。測(cè)試中還發(fā)現(xiàn)語音識(shí)別速度在安靜環(huán)境中比較快。測(cè)試表明系統(tǒng)能夠正常完成預(yù)定的功能。

4 結(jié)語

本文主要完成了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。經(jīng)過測(cè)試表明，本系統(tǒng)具有較高的識(shí)別率和穩(wěn)定性，以及快速響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，能夠在家居生活當(dāng)中為人們生活提供便利，使人們的家居生活更加智能。本系統(tǒng)還有待進(jìn)一步完善，比如控制端口用戶不能自定義，以及與現(xiàn)有家電的橋接不是很便利。為保證PC可以與單片機(jī)進(jìn)行通訊，設(shè)計(jì)中預(yù)留了STC的USART接口，后續(xù)可以在PC機(jī)上以使用串口通訊的方式對(duì)單片機(jī)進(jìn)行軟件升級(jí)，進(jìn)而更加完善系統(tǒng)的功能。