面向智能家居的無(wú)線語(yǔ)音控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：在嵌入式系統(tǒng)下借助語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)一套無(wú)線控制系統(tǒng)，通過(guò)此系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)家電進(jìn)行一些常規(guī)的語(yǔ)音與界面人機(jī)交互操作，實(shí)現(xiàn)包括多設(shè)備交互控制、網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)顯示等功能，這將極大提升家居生活的便利性和舒適性。系統(tǒng)采用基于高級(jí)精簡(jiǎn)指令集機(jī)器（advanced RISC machine，ARM）處理器+Linux+語(yǔ)音識(shí)別庫(kù)+無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方案，主要包括硬件電路設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)，控制系統(tǒng)利用語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)對(duì)聲音進(jìn)行識(shí)別，借助ZigBee模塊進(jìn)行主控系統(tǒng)與終端設(shè)備的交互。與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，該交互式家居語(yǔ)音控制系統(tǒng)提供多樣的識(shí)別、交互模式，創(chuàng)新的控制模式及更大范圍的識(shí)別距離。

關(guān)鍵詞：智能家居;ARM;Linux;語(yǔ)音識(shí)別;Qt開(kāi)發(fā);ZigBee

中圖分類號(hào)：TP399"" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

智能家居以住宅環(huán)境為應(yīng)用背景，利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化控制和語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)等將家電設(shè)施集成，建立高效的家居管理系統(tǒng)，提升家居生活的便利性和舒適性[1]。家居智能化的一個(gè)重要發(fā)展方向是基于語(yǔ)音識(shí)別的控制技術(shù)，對(duì)此國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了大量運(yùn)用語(yǔ)音識(shí)別的控制技術(shù)的研究，目前一些語(yǔ)音科技公司的語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)已經(jīng)非常高效，識(shí)別率通常在95%左右。

現(xiàn)階段傳統(tǒng)家居語(yǔ)音控制系統(tǒng)的控制、交互方式單一，語(yǔ)音識(shí)別模式單一，識(shí)別距離局限大，用戶體驗(yàn)不理想[2]。對(duì)于上述問(wèn)題的解決方案比較欠缺，目前而言市面上設(shè)計(jì)的產(chǎn)品還沒(méi)有進(jìn)行深入研究。對(duì)此，本文設(shè)計(jì)重點(diǎn)不在于提高識(shí)別精度，而是在嵌入式系統(tǒng)下借助語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)一套無(wú)線控制系統(tǒng)，通過(guò)此系統(tǒng)除了實(shí)現(xiàn)家電的一些常規(guī)語(yǔ)音交互操作外，再力求與市面上的同類產(chǎn)品相比能夠提供更加多樣的控制模式、交互模式、識(shí)別模式，更大范圍的識(shí)別距離，以期給人們的家居生活帶來(lái)極大便利。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)采用星形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，核心中樞的麥克風(fēng)采集用戶發(fā)出的語(yǔ)音，將語(yǔ)音識(shí)別成文字信息后，程序再將文字信息轉(zhuǎn)換為指令，根據(jù)無(wú)線傳感器將特定的指令通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到分布在家中各個(gè)角落的終端設(shè)備，終端設(shè)備在響應(yīng)指令后根據(jù)指令執(zhí)行情況反饋信息到核心中樞[3]。核心的主控板用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)與操控，終端設(shè)備借助光敏和溫濕度傳感器，可以模擬家庭中使用的各種電器設(shè)備，如燈、空調(diào)、自動(dòng)窗簾、加濕器等。同時(shí)為了用戶控制方便，增設(shè)了語(yǔ)音遠(yuǎn)程擴(kuò)展的功能，將聲音的采集和播放集成到一塊電路上，方便用戶遠(yuǎn)距離控制整個(gè)家居系統(tǒng)。系統(tǒng)的整體架構(gòu)見(jiàn)圖1。

控制系統(tǒng)主要包括以下功能：

1.語(yǔ)音采集與識(shí)別。語(yǔ)音的采集和識(shí)別單元負(fù)責(zé)對(duì)外界的聲音進(jìn)行模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號(hào)到控制指令的轉(zhuǎn)換。

2.語(yǔ)音遠(yuǎn)程擴(kuò)展處理。語(yǔ)音遠(yuǎn)程擴(kuò)展處理單元用于處理通過(guò)WiFi傳入的遠(yuǎn)端聲音信息，并將信息接入語(yǔ)音采集與識(shí)別單元處理，隨后將語(yǔ)音處理結(jié)果的反饋信息返回到語(yǔ)音遠(yuǎn)程擴(kuò)展單元。

3.語(yǔ)音、界面交互。為了更好的交互式體驗(yàn)，本系統(tǒng)在語(yǔ)音交互的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的界面交互終端，其負(fù)責(zé)信息顯示和系統(tǒng)配置。

貴州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）第37卷

第4期肖清泉 等：面向智能家居的無(wú)線語(yǔ)音控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.控制和反饋?？刂婆c反饋單元利用ZigBee無(wú)線傳感器組成的網(wǎng)絡(luò)對(duì)在線的所有終端設(shè)備進(jìn)行控制，同時(shí)接收它們的反饋信息并作出相應(yīng)的處理工作[4]。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要包括核心主控電路模塊、終端設(shè)備電路模塊、語(yǔ)音遠(yuǎn)程擴(kuò)展電路模塊。

2.1 核心主控模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)核心主控模塊采用三星公司開(kāi)發(fā)的S5PV210核心板加上一系列實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需求的外設(shè)和電路組成，主要包括：系統(tǒng)電源電路、聲卡、通用串行總線集線器（universal serial bus hub， USB Hub）擴(kuò)展電路、WiFi、ZigBee、液晶顯示器（liquid crystal display， LCD）顯示電路、復(fù)位電路、按鍵電路。各硬件之間的邏輯關(guān)系見(jiàn)圖2，核心主控模塊如圖3所示。

2.2 終端設(shè)備模塊設(shè)計(jì)

終端設(shè)備由STM32和ZigBee外加實(shí)現(xiàn)不同功能的硬件設(shè)備組成，因具體實(shí)現(xiàn)的功能不同模塊有所區(qū)別。本文主要的終端設(shè)備有實(shí)體色溫?zé)簦^電器開(kāi)關(guān)模擬光敏自動(dòng)窗簾、溫控空調(diào)、濕度加濕器等，其各個(gè)硬件的整體邏輯結(jié)構(gòu)類似，邏輯關(guān)系見(jiàn)圖4，終端設(shè)備模塊如圖5所示。

2.3 語(yǔ)音遠(yuǎn)程擴(kuò)展模塊設(shè)計(jì)

語(yǔ)音遠(yuǎn)程擴(kuò)展模塊由STM32、WiFi網(wǎng)卡、WM8960芯片和Flash存儲(chǔ)器組成，主要用于遠(yuǎn)程的聲音輸出與語(yǔ)音控制功能，各硬件的邏輯關(guān)系見(jiàn)圖6，語(yǔ)音遠(yuǎn)程擴(kuò)展模塊如圖 7所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用Linux+Qt的軟件框架，以Linux內(nèi)核和一些外設(shè)驅(qū)動(dòng)為軟件基礎(chǔ)環(huán)境，構(gòu)建嵌入式的Qt應(yīng)用程序終端[5]，系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)分為4層：硬件層、Uboot內(nèi)核層、文件系統(tǒng)層、軟件應(yīng)用層[6-7]。系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。

軟件設(shè)計(jì)通過(guò)此架構(gòu)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音采集識(shí)別、多語(yǔ)音識(shí)別引擎切換、多模式交互控制與反饋、語(yǔ)音識(shí)別距離擴(kuò)展等功能，下面對(duì)此做具體介紹。

3.1 語(yǔ)音采集與識(shí)別

語(yǔ)言信息的采集與識(shí)別是本系統(tǒng)獲取信息的主要途徑，也是軟件必須要實(shí)現(xiàn)的核心功能，主要包括語(yǔ)音喚醒、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音合成等功能。本系統(tǒng)采用訊飛開(kāi)放平臺(tái)的語(yǔ)音識(shí)別庫(kù)進(jìn)行聲音到文字或指令的轉(zhuǎn)換[8]。語(yǔ)言信息采集和播放使用WM8960，WM8960將外界聲音利用高精度

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog to digital converter， ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，隨后軟件將聲音的數(shù)字信息傳入語(yǔ)音識(shí)別庫(kù)即可獲取到聲音的文字信息[9]。控制板利用文字信息進(jìn)行一系列邏輯判斷，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)對(duì)終端設(shè)備下發(fā)指令，終端設(shè)備接收指令后按照指令完成一系列動(dòng)作，并反饋信息到控制板，控制板接收信息并通過(guò)聲音和文字的方式將信息呈現(xiàn)給用戶。具體識(shí)別過(guò)程如圖9所示[10-11]。

3.2 多語(yǔ)音識(shí)別引擎切換

傳統(tǒng)語(yǔ)音控制系統(tǒng)大多采用在線網(wǎng)絡(luò)，基于云端語(yǔ)音識(shí)別引擎得出識(shí)別結(jié)果，此識(shí)別模式提供多樣化的語(yǔ)音服務(wù)和高精度的識(shí)別結(jié)果，但需要接入網(wǎng)絡(luò)，語(yǔ)音的識(shí)別可能受到網(wǎng)絡(luò)影響導(dǎo)致延時(shí)甚至直接無(wú)法工作，導(dǎo)致用戶體驗(yàn)變差[12]。另一種常用的識(shí)別模式是離線語(yǔ)音識(shí)別，其使用本地的語(yǔ)音識(shí)別算法進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別，不需要經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)，在速度方面快于云端識(shí)別，但多樣化與識(shí)別精度方面不及在線識(shí)別。

汲取兩種識(shí)別模式的優(yōu)勢(shì)，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用一種創(chuàng)新模式，自動(dòng)切換兩種識(shí)別模式進(jìn)行識(shí)別。在網(wǎng)絡(luò)情況良好時(shí)，優(yōu)先使用在線語(yǔ)音識(shí)別引擎;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁堵時(shí)，自動(dòng)切換至離線語(yǔ)音識(shí)別引擎。隨時(shí)保證用戶命令能夠成功識(shí)別。

云端語(yǔ)音識(shí)別引擎和離線語(yǔ)音識(shí)別引擎的自動(dòng)切換是本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，兩者自動(dòng)切換的軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖10所示。

采集語(yǔ)音數(shù)據(jù)后，根據(jù)當(dāng)時(shí)“ping”命令的網(wǎng)絡(luò)

延時(shí)情況，進(jìn)行識(shí)別引擎選擇：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)延遲較低時(shí)，選擇云端語(yǔ)音識(shí)別引擎;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)延遲很高時(shí)，采用離線語(yǔ)音識(shí)別引擎。考慮到網(wǎng)絡(luò)可能在識(shí)別過(guò)程中突然擁堵，因此，云端語(yǔ)音識(shí)別引擎在一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有返回識(shí)別結(jié)果時(shí)，結(jié)束語(yǔ)音識(shí)別并使用離線語(yǔ)音識(shí)別引擎直接解析返回結(jié)果，保證每次語(yǔ)音識(shí)別都能得到最優(yōu)化結(jié)果。

3.3 多模式交互控制

傳統(tǒng)的語(yǔ)音控制系統(tǒng)在家居控制方面大多采用被動(dòng)控制的方式，用戶發(fā)出確切的指令完成控制動(dòng)作，但在很多特定的場(chǎng)合不能滿足控制需求。甚至有時(shí)用戶在忙碌時(shí)，不會(huì)注意到家居環(huán)境的變化，需要設(shè)備主動(dòng)提醒[13]。這些需求的實(shí)現(xiàn)不是單一被動(dòng)控制模式就可以完成，因此必須在傳統(tǒng)控制模式上加入更多新的控制方式，使家居更加智能。

本系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)控制方式，對(duì)大部分控制終端都設(shè)置有三種控制模式：被動(dòng)控制、自動(dòng)提醒、自動(dòng)控制。

1.被動(dòng)控制模式。設(shè)備只能被動(dòng)地接收主控板發(fā)出的指令而工作，用戶通過(guò)發(fā)出確切的控制指令來(lái)操作設(shè)備，即傳統(tǒng)的直接控制模式。

2.自動(dòng)提醒模式。在配置自動(dòng)提醒的條件后，設(shè)備主動(dòng)反饋信息到控制板提醒用戶，主控板會(huì)以聲音和圖像形式提醒用戶出現(xiàn)了異常情況。

3.自動(dòng)控制模式。在配置了自動(dòng)控制的條件后，設(shè)備將自行控制調(diào)節(jié)，不再需要用戶的干預(yù)，實(shí)現(xiàn)真正的智能化。

系統(tǒng)利用ZigBee傳感器接入網(wǎng)絡(luò)通信，終端設(shè)備上電運(yùn)行后，首先讀取控制板設(shè)備的配置信息，如空調(diào)的工作模式，上下限溫度閾值等等，隨后開(kāi)始各種傳感器外設(shè)的初始化工作，在完成初始化后，進(jìn)入無(wú)限循環(huán)。

檢查ZigBee傳感器連接的串口緩沖區(qū)是否收到有效的控制指令協(xié)議，若收到則開(kāi)始解析控制指令，按照協(xié)議定義的操作開(kāi)始控制各種外設(shè)電器工作[14]，它們可能是調(diào)節(jié)色溫?zé)簦蜷_(kāi)關(guān)閉空調(diào)，操作加濕器加濕，打開(kāi)關(guān)閉窗簾等。

若讀取的配置信息是提醒模式，則讀取各種傳感器的值，當(dāng)傳感器的值不在設(shè)定的范圍內(nèi)，則向控制板上報(bào)反饋信息，提醒用戶。若讀取的配置信息是自動(dòng)控制模式，則根據(jù)傳感器的值自動(dòng)控制各類外設(shè)電器工作。整體軟件工作流程如圖11所示。

3.4 語(yǔ)音識(shí)別距離擴(kuò)展

現(xiàn)有傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的語(yǔ)音識(shí)別距離有限，大多在10 m范圍內(nèi)能有效識(shí)別用戶語(yǔ)音，這種缺陷使得家居控制低效且產(chǎn)品體驗(yàn)較差[15]。為了改善傳統(tǒng)產(chǎn)品的這種缺陷，本系統(tǒng)增設(shè)了一種語(yǔ)音遠(yuǎn)程擴(kuò)展模塊，通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)連接到主控板，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離語(yǔ)音控制與反饋，極大擴(kuò)展控制系統(tǒng)語(yǔ)音識(shí)別范圍。識(shí)別范圍取決于遠(yuǎn)程擴(kuò)展模塊的安裝數(shù)量，其可按需求擴(kuò)展，滿足整個(gè)家居系統(tǒng)。

語(yǔ)音遠(yuǎn)程擴(kuò)展模塊由STM32單片機(jī)、WM8960、WiFi模塊和4 MB的Flash存儲(chǔ)器組成，語(yǔ)音遠(yuǎn)程模塊通過(guò)WM8960錄音后，使用WiFi將語(yǔ)音信息發(fā)送到主控板上，主控板處理完畢后，通過(guò)WiFi發(fā)送控制指令的反饋信息到擴(kuò)展模塊，擴(kuò)展模塊播放反饋提示[16]。

具體的工作流程：系統(tǒng)上電后，代碼首先初始化WM8960、WiFi、Flash等硬件外設(shè)，隨后使用socket網(wǎng)絡(luò)連接至主控板的WiFi服務(wù)端上，檢測(cè)用戶是否有語(yǔ)音控制請(qǐng)求（通過(guò)按鍵檢測(cè)），若有則啟動(dòng)WM8960開(kāi)始錄音，當(dāng)錄音的文件大于STM32的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（random access memory， RAM）時(shí)，將多余的錄音數(shù)據(jù)存入Flash中，調(diào)用socket發(fā)送完整的語(yǔ)音數(shù)據(jù)到控制板，接著檢測(cè)socket是否接收到主控板發(fā)來(lái)的語(yǔ)音反饋信息，若收到則通過(guò)WM8960播放語(yǔ)音，并開(kāi)始下一輪的檢測(cè)，軟件整體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖12所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試

所有控制指令基本采用同一的通訊協(xié)議，本小節(jié)以色溫?zé)舻目刂茷槔?yàn)證語(yǔ)音控制系統(tǒng)交互的正確性。

測(cè)試方式：WiFi管理界面連接網(wǎng)絡(luò)，用戶向控制板依次發(fā)出“開(kāi)燈”“把燈調(diào)成暖色”“把燈亮度調(diào)高”語(yǔ)音，觀察終端設(shè)備發(fā)光二極管（light emitting diode， LED）色溫?zé)舻淖兓涂刂瓢屣@示的交互信息，隨后取下WiFi網(wǎng)卡使網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)，重復(fù)上述用例，測(cè)試兩種識(shí)別引擎下系統(tǒng)運(yùn)行是否正常。

開(kāi)燈，把燈調(diào)成暖色命令運(yùn)行演示如圖13，14所示。

4.2 語(yǔ)音識(shí)別率測(cè)試

系統(tǒng)采用被動(dòng)控制模式來(lái)測(cè)試語(yǔ)音識(shí)別正確率，設(shè)置測(cè)試用詞為：開(kāi)燈、關(guān)燈、開(kāi)空調(diào)、關(guān)空調(diào)四個(gè)語(yǔ)法短語(yǔ)。系統(tǒng)加載完畢，測(cè)試者對(duì)著板載麥克說(shuō)出上述任意一個(gè)測(cè)試用詞，可觀察到正確識(shí)別后系統(tǒng)做出對(duì)應(yīng)操作。

測(cè)試人員包括4男4女共8人。測(cè)試時(shí)每人每個(gè)短語(yǔ)說(shuō)8遍，總共64句，統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)識(shí)別率。

G=1-Er+EmE×100%。（1）

式中：G為命令識(shí)別率，E為測(cè)試識(shí)別命令總數(shù)，Er為識(shí)別錯(cuò)誤命令數(shù)，Em為未識(shí)別命令數(shù)。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，t為平均識(shí)別時(shí)間。

通過(guò)表1測(cè)試數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性方面表現(xiàn)優(yōu)良，系統(tǒng)基本能在指令輸出2 s內(nèi)做出控制并反饋，同時(shí)系統(tǒng)識(shí)別率較高，正確率皆在95%以上，測(cè)試性能結(jié)果與市面上同類產(chǎn)品基本持平。

5 結(jié)論

本文采用基于ARM處理器+Linux+語(yǔ)音識(shí)別庫(kù)+無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方案，經(jīng)過(guò)全套完整的硬件電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)搭建，系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)等步驟，研究實(shí)現(xiàn)了一款面向智能家居的無(wú)線語(yǔ)音控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，識(shí)別率較高，可達(dá)95%以上，與市面上同類產(chǎn)品的識(shí)別率基本持平。該系統(tǒng)在識(shí)別模式上具有創(chuàng)新性，能夠極大提升家居生活的便利性和舒適性，與目前市面上同類產(chǎn)品功能對(duì)比，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.多樣語(yǔ)音識(shí)別功能：提供命令詞識(shí)別、語(yǔ)音喚醒、語(yǔ)音交互等多種功能，支持在線、離線識(shí)別模式共同作用。

2.多樣控制模式：自動(dòng)控制、自動(dòng)提醒與被動(dòng)控制相結(jié)合，控制模式自由切換。

3.增設(shè)語(yǔ)音遠(yuǎn)程擴(kuò)展模塊，大幅提升識(shí)別距離，語(yǔ)音識(shí)別范圍擴(kuò)展至整個(gè)居所。

4.觸摸屏操作與語(yǔ)言控制聯(lián)合進(jìn)行設(shè)備交互，交互模式多樣。

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（責(zé)任編輯：周曉南）

Design of Wireless Voice Control System for Smart Home

XIAO Qingquan*1，2， GU Jingcheng3

（1.College of Big Data and Information Engineering， Guizhou University， Guiyang 550025， China; 2. Institute of Advanced Optoelectronic

Materials and Technology， Guizhou University， Guiyang 550025， China;3.Wuxi Branch of the China Telecom Co.， Ltd.， Wuxi 214000， China）

Abstract：

A wireless control system is designed by means of voice recognition technology in the embedded system. Through the wireless control system， some conventional voice and interface human-computer interaction operations are performed on traditional home appliances， and functions such as multi-device interactive control， network connection and data display are realized. The system is based on ARM（advanced RISC machine） processor + Linux + speech recognition library + wireless sensor network， which mainly includes hardware circuit design and software development. Voice recognition technology is used to identify the sound， and the ZigBee module is used to make the control system interact with the terminal device in the wireless control system. The interactive home voice-controlled system provides varieties of recognitions， interaction modes， innovative control modes and recognition distances.

Key words：

smart home; ARM; Linux; speech recognition; Qt Development; ZigBee

收稿日期：2019-12-12

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61264004）;貴州省留學(xué)回國(guó)人員科技活動(dòng)擇優(yōu)資助資助項(xiàng)目（[2018]09）;貴州省高層次創(chuàng)新型人才培養(yǎng)資助項(xiàng)目（[2015]4015）

作者簡(jiǎn)介：肖清泉（1970-），男，教授，博士，研究方向：半導(dǎo)體材料與器件，Email： qqxiao@gzu.edu.cn.

通訊作者：肖清泉，Email： qqxiao@gzu.edu.cn.