非特定說話人語音指令識別的家居控制系統(tǒng)設(shè)計

李薇，楊慶華，何先波，李寶林

（1.西華師范大學(xué)計算機學(xué)院，南充637000；2.川北醫(yī)學(xué)院影像學(xué)院，南充637000）

0 引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，智能家居和語音識別技術(shù)在生活中開始應(yīng)用和普及。因現(xiàn)代家居控制系統(tǒng)有方便性、智能性和實用性的應(yīng)用需求和發(fā)展趨勢，語音控制家居系統(tǒng)成為目前研究和技術(shù)應(yīng)用熱點。眾多研究者和開發(fā)者提出了新設(shè)計和新方法[1-9]，如文獻[1-3]設(shè)計以STM32 等單片機為核心的家居控制系統(tǒng)[1-3]，文獻4 提出基于LD3320 和Mesh 網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計[4]，文獻[5]提出基于AIUI 模塊和ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的智能家居主控設(shè)計[5]，文獻[6]設(shè)計智能家居網(wǎng)關(guān)[6]，文獻[7-9]分別將語音識別技術(shù)應(yīng)用于洗碗機、人體運動仿真和智能小車[7-9]。本文提出基于ZigBee 無線傳感網(wǎng)的非特定說話人語音指令識別的家居控制系統(tǒng)方案，含結(jié)構(gòu)設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功能的實現(xiàn)，并通過實驗測試證明其有效性。

1 家居語音控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)和硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1 所示。由圖1 知，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以協(xié)調(diào)器節(jié)點為核心，主要基于星型拓撲的Zig-Bee 無線傳感網(wǎng)進行構(gòu)建設(shè)計。系統(tǒng)功能層次分為：采集識別、分發(fā)、控制、終端四層。其中，輸入識別層含一個語音識別節(jié)點，負責(zé)非特定說話人語音指令采集輸入，并轉(zhuǎn)換成指令編碼發(fā)送給協(xié)調(diào)器，同時發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)申請，及接收協(xié)調(diào)器的管理。分發(fā)層含一個協(xié)調(diào)器節(jié)點，負責(zé)分發(fā)設(shè)備控制指令，同時接受網(wǎng)絡(luò)節(jié)點加入申請?？刂茖雍N對應(yīng)控制節(jié)點，負責(zé)發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)申請給協(xié)調(diào)器，并接受從協(xié)調(diào)器發(fā)送的設(shè)備操控指令，并控制掛接的設(shè)備終端。終端層含風(fēng)扇、窗簾、燈管三種家居設(shè)備終端，掛接在控制層對應(yīng)節(jié)點上，接受對應(yīng)控制節(jié)點的操控命令，進行工作。系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。系統(tǒng)節(jié)點子系統(tǒng)以CC2530 為核心，RF 模塊作為節(jié)點間通信單元，串口負責(zé)跟上位機通信以便監(jiān)測。工作時語音信號通過語音識別電路LD3320 的語音傳感器采集，送識別電路進行識別轉(zhuǎn)換，再通過協(xié)調(diào)器節(jié)點分轉(zhuǎn)發(fā)控制指令給掛接了終端設(shè)備的控制節(jié)點。終端設(shè)備掛接在控制節(jié)點的控制電路（繼電器控制燈管和風(fēng)扇，步進電機控制窗簾）。

圖1 系統(tǒng)總體邏輯結(jié)構(gòu)及功能層次

圖2 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)工作流程設(shè)計

系統(tǒng)總體工作流程主要涉及通過建立的無線傳感網(wǎng)的語音識別、協(xié)調(diào)器、及控制三類節(jié)點對風(fēng)扇、窗簾、燈管三種家居設(shè)備終端的操控流程。流程中主要包含無線傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和配置、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的加入、語音指令的識別轉(zhuǎn)換、控制指令發(fā)送和終端的響應(yīng)。系統(tǒng)的總體工作流程如圖2 所示。

圖3 系統(tǒng)工作流程

由圖3 知，系統(tǒng)啟動時，首先，上電協(xié)調(diào)器節(jié)點以便啟動初始化協(xié)調(diào)器節(jié)點資源，并由協(xié)調(diào)器構(gòu)建和配置一個具有PANID 和信道的無線傳感網(wǎng)；接著，上電控制節(jié)點和語音識別節(jié)點以便啟動初始化節(jié)點資源，并經(jīng)協(xié)調(diào)器允許加入WSN 星型網(wǎng)絡(luò)；然后，非特定說話人面對語音節(jié)點發(fā)出家居操控語音指令，由語音傳感器采集送至語音節(jié)點以進行識別轉(zhuǎn)換，并由語音節(jié)點發(fā)送識別轉(zhuǎn)換結(jié)果信息至協(xié)調(diào)器節(jié)點；最后，由協(xié)調(diào)器節(jié)點分析并分轉(zhuǎn)發(fā)終端控制命令以操控對應(yīng)類型的家居終端設(shè)備。

2 功能節(jié)點實現(xiàn)

由1 節(jié)所述知，為基于星型無線傳感網(wǎng)實現(xiàn)語音識別控制家居設(shè)備終端的功能，系統(tǒng)中包含語音識別、協(xié)調(diào)器、控制三種功能節(jié)點，分別負責(zé)語音采集識別、分發(fā)指令、控制設(shè)備三種功能。

2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點實現(xiàn)

協(xié)調(diào)器節(jié)點的主要功能為：構(gòu)建和配置基于CC2530+ZigBee 的星型異構(gòu)無線傳感網(wǎng)、添加語音識別節(jié)點和控制節(jié)點、接收語音識別節(jié)點的語音識別轉(zhuǎn)換結(jié)果信息、分析結(jié)果信息和轉(zhuǎn)分發(fā)控制命令給控制節(jié)點。

（1）協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件組成

協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)以CC2530 為核心，主要以CC2530+接口資源（調(diào)試接口、傳感器接口、其他接口）+I/O 資源（LED 燈、按鍵、蜂鳴器等）+電源模塊（電源/接口/指示燈/開關(guān)）為主體組合構(gòu)建。協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件組成如圖4（a）所示。

圖4 節(jié)點硬件組成框圖

（2）協(xié)調(diào)器節(jié)點程序流程

協(xié)調(diào)器節(jié)點程序流程為：初始化協(xié)調(diào)器節(jié)點系統(tǒng)的軟硬件資源后，通過設(shè)置PANID 和信道等創(chuàng)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)。一方面，接收節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)加入申請，將語音識別節(jié)點和控制節(jié)點先后加入網(wǎng)絡(luò)，接收和分析語音節(jié)點的識別轉(zhuǎn)換信息，并轉(zhuǎn)分發(fā)控制命令給控制節(jié)點（風(fēng)扇/窗簾/燈光）。另一方面，經(jīng)串口對上位機Ping命令應(yīng)答和通信，以便可通過上位機觀察協(xié)調(diào)器節(jié)點接收信息。協(xié)調(diào)器節(jié)點程序流程如圖5（a）所示。

2.2 控制節(jié)點實現(xiàn)

控制節(jié)點主要功能為：加入星型無線傳感網(wǎng)、接收協(xié)調(diào)器節(jié)點控制命令、控制家居終端工作。

（1）控制節(jié)點硬件組成

控制節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)以CC2530 為核心，主要以CC2530+接口資源（調(diào)試接口、傳感器接口、其他接口）+I/O 資源（LED 燈、按鍵、蜂鳴器等）+電源模塊（電源/接口/指示燈/開關(guān)）+控制模塊（繼電器/步進電機控制模塊）為主體組合構(gòu)建?？刂乒?jié)點硬件組成如圖4（b）所示，其中繼電器可掛接風(fēng)扇和燈管，步進電機控制模塊掛接窗簾。

（2）控制節(jié)點程序流程

控制節(jié)點程序流程為：在初始化控制節(jié)點系統(tǒng)軟硬件資源后，控制節(jié)點發(fā)送WSN 網(wǎng)絡(luò)加入申請給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器響應(yīng)請求添加控制節(jié)點入網(wǎng)絡(luò)。然后，控制節(jié)點等待和接收協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送的無線控制命令，根據(jù)命令類型，通過繼電器模塊或步進電機控制模塊，控制掛接的家居設(shè)備終端（風(fēng)扇、窗簾、燈管）工作?？刂乒?jié)點程序流程如圖5（b）所示。

2.3 語音識別節(jié)點實現(xiàn)

（1）語音識別節(jié)點硬件組成

語音識別節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)以CC2530 為核心，主要以CC2530+接口資源（調(diào)試接口、傳感器接口、其他接口）+I/O 資源（LED 燈、按鍵、蜂鳴器等）+電源模塊（電源/接口/指示燈/開關(guān)）+語音識別傳感器為主體組合構(gòu)建。語音識別節(jié)點硬件組成如圖4（c）所示。

（2）語音識別節(jié)點程序流程

語音識別節(jié)點程序流程為：在初始化語音識別節(jié)點系統(tǒng)軟硬件資源后，語音識別節(jié)點發(fā)送WSN 網(wǎng)絡(luò)加入申請給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器響應(yīng)請求添加語音識別節(jié)點入網(wǎng)絡(luò)。然后，語音識別節(jié)點等待和采集非特定說話人語音指令，根據(jù)離線自定義指令詞庫識別語音指令并轉(zhuǎn)換為指令編碼。最后，語音節(jié)點發(fā)送轉(zhuǎn)換的指令編碼信息給協(xié)調(diào)器節(jié)點。語音識別節(jié)點程序流程如圖5（c）所示。

（3）語音識別傳感器

在語音識別節(jié)點硬件部分采用了ICRoute 公司設(shè)計生產(chǎn)的語音識別傳感器專用芯片LD3320 進行語音識別。節(jié)點可通過ICRoute 公司特有的快速穩(wěn)定的優(yōu)化算法，完成非特定人語音識別，且無需用戶事先訓(xùn)練和錄音，識別準確率達95%。語音識別傳感器與CC2530 接口電路如圖6 所示。由圖6 知，通過MK2將采集到的語音傳給芯片，芯片做識別處理后，通過SPI 總線，將數(shù)據(jù)返回。對識別時需要的預(yù)定義指令關(guān)鍵詞，遵循長度規(guī)則（不超過10 個漢字或者79 個字節(jié)拼音串），根據(jù)應(yīng)用需求（風(fēng)扇、窗簾、燈管三種家居終端的控制）進行離線動態(tài)編輯設(shè)置。指令庫中預(yù)定關(guān)鍵詞如表1 所示。

圖5 節(jié)點程序流程圖

表1 預(yù)定語音指令關(guān)鍵詞

圖6 語音識別傳感器和CC2530的接口電路

3 系統(tǒng)測試

在給定的測試條件下，該文對系統(tǒng)從功能和性能上分別進行了測試。測試條件為：上位機：Intel i5-7200U CPU@2.50Hz，雙 內(nèi) 核。Win10 OS。PANID:0x1444，信道：22。內(nèi)存16G。測試人數(shù)：20 人。發(fā)聲距離：20-50cm。

3.1 系統(tǒng)功能測試

系統(tǒng)功能測試包括利用上位機和串口對三種家居終端（燈、風(fēng)扇、窗簾）對應(yīng)的三個節(jié)點（語音、協(xié)調(diào)器和控制）進行功能測試（指令識別、指令傳輸、指令控制），以及對家居終端實物控制測試（開關(guān)燈、打開關(guān)閉風(fēng)扇、打開關(guān)閉窗簾）。開關(guān)燈指令功能測試包含開燈、關(guān)燈指令的語音指令識別、指令編碼傳輸、指令控制功能測試。測試結(jié)果如圖7 所示。打開關(guān)閉風(fēng)扇指令功能測試包含打開風(fēng)扇、關(guān)閉風(fēng)扇指令的語音指令識別、指令編碼傳輸、指令控制功能測試。測試結(jié)果如圖8所示。打開關(guān)閉窗簾指令功能測試包含打開窗簾、關(guān)閉窗簾指令的語音指令識別、指令編碼傳輸、指令控制功能測試。測試結(jié)果如圖9 所示。家居終端實物控制測試主要包括開關(guān)燈、打開關(guān)閉風(fēng)扇、打開關(guān)閉窗簾控制測試，如圖10 所示。

3.2 系統(tǒng)性能測試

系統(tǒng)性能測試主要利用上位機和串口對三種家居終端（燈管、風(fēng)扇、窗簾）對應(yīng)三個節(jié)點（語音、協(xié)調(diào)器和控制節(jié)點）進行平均耗時測試，含：指令識別、指令傳輸、指令控制、總耗時測試，如表2 所示。由表2 知系統(tǒng)對于開關(guān)燈、開關(guān)風(fēng)扇、開關(guān)窗簾指令總耗時約13s，其中ZigBee 通信指令傳輸耗時約12s。

圖8 開關(guān)風(fēng)扇指令識別、傳輸、控制功能測試（語音節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點、風(fēng)扇控制節(jié)點串口打印）

圖9 開關(guān)窗簾指令識別、傳輸、控制功能測試（語音節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點、窗簾控制節(jié)點串口打印）

4 結(jié)語

現(xiàn)代家居控制系統(tǒng)有方便性、智能性和實用性的應(yīng)用需求和發(fā)展趨勢，該文針對需求和趨勢，提出了一種非特定說話人語音指令識別的家居控制系統(tǒng)方案，設(shè)計了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作流程，實現(xiàn)了語音識別、協(xié)調(diào)器、控制三種功能節(jié)點，經(jīng)過系統(tǒng)功能測試和性能測試，證明該系統(tǒng)能實時有效地進行燈管、風(fēng)扇、窗簾終端的語音識別控制，具有良好的方便性、智能性和實用性。

5 致謝

感謝深圳訊方技術(shù)股份有限公司技術(shù)支持。

圖10 家居控制功能測試實物效果