基于語音識別的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計

黃李健

（寧德師范學(xué)院信息與機(jī)電工程學(xué)院，福建寧德，352100）

0 引言

智能語音識別技術(shù)可以讓機(jī)器通過識別、理解，把聲音信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的文本或命令，讓機(jī)器能夠聽懂人類的語言，從而做出正確的操作[1]。智能語音技術(shù)作為AI應(yīng)用最成熟的技術(shù)之一，在智能家居、智能車載、智能可穿戴領(lǐng)域有了迅猛發(fā)展[2]?！爸悄芗揖印笔羌畔⒓译姟⒃O(shè)備自動化、網(wǎng)絡(luò)通信、傳感為一體，從而實現(xiàn)家電可被遠(yuǎn)程操控的一種便利、高效、安全的管理系統(tǒng)[3]。真正的智能家居應(yīng)該做到真正的無感化，可以直接與其“對話”，實現(xiàn)對家電家居的控制，真正打造一款無感化的智能家居系統(tǒng)[4]。利用話語來進(jìn)行操作控制，能夠為人們在實際應(yīng)用過程中減少手動控制的過程，提高操作的便利性，這一控制技術(shù)正在改變?nèi)藗內(nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?。智能語音家居系統(tǒng)可以提高人們生活的幸福感[5]。本文設(shè)計了一個具有語音識別的智能家居控制系統(tǒng)，系統(tǒng)使用便利，安全可靠。

1 系統(tǒng)整體方案

如圖1所示，系統(tǒng)以STM32F103C8T6作為主控制器，語音模塊采用SNR6812進(jìn)行語音信息的識別，溫濕度模塊采用DHT11進(jìn)行室內(nèi)溫度和濕度信號的檢測，并交由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；采用光敏電阻實現(xiàn)對外界光強(qiáng)的測量，并可依據(jù)設(shè)定的光強(qiáng)閾值范圍，實現(xiàn)對窗簾的自動控制；按鍵電路可以實現(xiàn)模式的切換以及數(shù)值的調(diào)節(jié)；顯示模塊采用TFT液晶顯示屏，實現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，通過顯示屏可以讀取溫濕度、光照強(qiáng)度、時間日期、設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)、燈光亮度等信息。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

該智能家居系統(tǒng)能夠?qū)彝?nèi)部的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性的采集，根據(jù)光照、溫度、濕度等環(huán)境信息的變化自動做出相應(yīng)控制。同時，聲控模式可以識別用戶的語音命令，并傳輸給單片機(jī)，通過主控中心解析該命令后進(jìn)行相關(guān)操作控制。此外，還保留了手動控制模式，當(dāng)自動模式和聲控模式失靈時，可以通過手動操作按鍵控制設(shè)備。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 微處理器選擇

系統(tǒng)選用的處理器模塊采用STM32單片機(jī)，型號為STM32F103C8T6，它最高帶有64K的Flash，抗干擾能力強(qiáng)。采用STM32作為主控制器，功能比較全面，編程方式基于C語言，編程靈活，可移植性強(qiáng)，自由度大，能實現(xiàn)多種算法，這個控制器也在各個領(lǐng)域廣泛的使用，小到日常家電，大到工業(yè)儀表，隨處可見它的身影。

2.2 語音模塊設(shè)計

語音模塊采用SNR6812語音模塊，其抗干擾能力比大多數(shù)的語音識別模塊要強(qiáng)，在市場上的使用率非常高，原因是該模塊的內(nèi)部具有更高級的語音識別算法，這樣即使在高噪聲環(huán)境下使用也可以較為穩(wěn)定地識別出指定關(guān)鍵字的聲音。且該模塊無需用戶錄音訓(xùn)練，具有高穩(wěn)定的非特定人聲語音識別，可以滿足設(shè)計的可靠性需求。本模塊具備UART通信界面，語音引擎可以自動反饋識別成功后的數(shù)據(jù)，通過UART串口發(fā)送，可靈活搭配MCU使用，這使得語音識別的使用變得簡單，提高了開發(fā)的效率。該模塊專注本土優(yōu)化的語音識別算法，只支持普通話語種。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊包含溫濕度采集和光照強(qiáng)度采集模塊。設(shè)計中利用DHT11溫濕度傳感器對室內(nèi)溫濕度進(jìn)行監(jiān)測采集，DHT11是一款常用的溫濕度復(fù)合傳感器，具有校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出功能，其性能穩(wěn)定，安全可靠。采用光敏電阻傳感器對外部環(huán)境光線進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)光敏電阻阻值隨光照強(qiáng)度變化的特性，實現(xiàn)光照強(qiáng)度的測量。

2.4 顯示電路設(shè)計

顯示模塊采用TFT-LCD液晶顯示器，它是薄膜晶體管型液晶顯示屏，即所謂的“真彩”。每一個TFT液晶的像素都有獨(dú)立的半導(dǎo)體開關(guān)，因此每個像素都可以通過點脈沖直接控制，故而每個節(jié)點都相對獨(dú)立，同時也可以連續(xù)控制，這不僅使顯示屏的反應(yīng)速度更快，還可以使顯示色階更精準(zhǔn)，這都使得TFT液晶的色彩更真實。該模塊可以實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的溫濕度、光照強(qiáng)度、風(fēng)扇燈光等設(shè)備的工作狀態(tài)以及時間、日期等信息的顯示功能。

2.5 電機(jī)驅(qū)動電路

在此系統(tǒng)設(shè)計中，通過對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)的控制，模擬實現(xiàn)對窗簾的自動開關(guān)功能。步進(jìn)電機(jī)是一種可以將接收到的電信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)角度動作的電機(jī)，屬于一步一動類型，與直流電機(jī)相比，其可以很好地控制行程的長短，達(dá)到較好的控制效果，采用的步進(jìn)電機(jī)型號為28BJY-48，是一個四相八拍的步進(jìn)電機(jī)。由于單片機(jī)的I/O口本身驅(qū)動能力有限，不能對其進(jìn)行直接驅(qū)動，因此需要經(jīng)過相應(yīng)的電路進(jìn)行放大，可以通過ULN2003實現(xiàn)，其持續(xù)輸出電流可以達(dá)到500毫安以上，滿足本次設(shè)計需求。

2.6 風(fēng)扇和燈光控制電路

風(fēng)扇的作用是模擬降溫設(shè)備，當(dāng)家庭環(huán)境的溫度過高，可自動開啟風(fēng)扇設(shè)備，風(fēng)扇相當(dāng)于一個電機(jī)設(shè)備，所以無法直接用單片機(jī)的引腳口去驅(qū)動，這里使用了一個三極管的驅(qū)動電路實現(xiàn)，采用8050型號三極管，這是一種NPN型三極管，在三極管的基極串聯(lián)一個限流電阻，然后與單片機(jī)的I/O口相接，這樣當(dāng)該引腳口輸出高電平時三極管導(dǎo)通，風(fēng)扇就會開啟。燈光控制部分采用USB接口驅(qū)動LED燈實現(xiàn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

主程序流程圖如圖2所示。程序啟動后首先進(jìn)入初始化設(shè)置，傳感器、顯示模塊、語音模塊以及相應(yīng)的時鐘、定時器的初始化完成后，系統(tǒng)就會進(jìn)入主程序循環(huán)，控制包括自動、手動、聲控三種模式。當(dāng)程序進(jìn)入自動模式后會進(jìn)行溫濕度和光照強(qiáng)度的檢測，從而實現(xiàn)對風(fēng)扇以及燈光的開關(guān)控制；當(dāng)程序進(jìn)入聲控模式，語音模塊等待喚醒，喚醒后接收預(yù)先設(shè)置的指令，例如“打開風(fēng)扇”指令后，單片機(jī)會控制風(fēng)扇電路啟動風(fēng)扇；當(dāng)程序進(jìn)入手動模式，按鍵掃描程序啟動，對按下的按鍵進(jìn)行檢測，進(jìn)而通過單片機(jī)控制對應(yīng)設(shè)備的開關(guān)。

圖2 主程序流程圖

3.2 語音識別子程序設(shè)計

語音識別模塊包含語音關(guān)鍵字識別和語音識別芯片與單片機(jī)之間利用串口的信息傳輸，傳輸?shù)膬?nèi)容是一串十六進(jìn)制數(shù)值。系統(tǒng)初始化后，加載語音關(guān)鍵詞和識別列表，當(dāng)用戶通過語音進(jìn)行控制時，單片機(jī)對語音信號進(jìn)行匹配，匹配成功后輸出控制命令。語音識別命令包括一級指令和二級指令，呼叫一級指令“小智你好”喚醒語音模塊才能進(jìn)行語音控制操作。之后通過語音控制二級指令如“打開燈光”、“關(guān)閉燈光”、“調(diào)亮一點”、“調(diào)暗一點”、“打開風(fēng)扇”、“關(guān)閉風(fēng)扇”、“提高速度”、“降低速度”、“打開窗簾”、“關(guān)閉窗簾”等實現(xiàn)相應(yīng)具體控制動作。

3.3 自動控制和手動控制子程序設(shè)計

當(dāng)程序進(jìn)入自動模式后會進(jìn)行溫濕度和光照強(qiáng)度的實時檢測，采集信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)處理并顯示，依據(jù)預(yù)先設(shè)定閾值范圍實現(xiàn)對相關(guān)設(shè)備的自動控制。例如：當(dāng)光照強(qiáng)度在合適的范圍內(nèi)可以驅(qū)動電機(jī)打開窗簾，溫度過高時自動打開風(fēng)扇，環(huán)境光線較暗時自動打開LED燈。手動控制模式通過具體功能按鍵控制。