一種基于語(yǔ)音識(shí)別與Mesh網(wǎng)絡(luò)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孟令軻

（東營(yíng)市勝利第二中學(xué)，山東 東營(yíng) 257000）

一種基于語(yǔ)音識(shí)別與Mesh網(wǎng)絡(luò)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孟令軻

（東營(yíng)市勝利第二中學(xué)，山東 東營(yíng) 257000）

結(jié)合語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布的藍(lán)牙5規(guī)范，設(shè)計(jì)了一種基于語(yǔ)音識(shí)別與Mesh網(wǎng)絡(luò)的智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由語(yǔ)音識(shí)別模塊、執(zhí)行器模塊和后臺(tái)控制中心3部分構(gòu)成，各部分的每一個(gè)模塊都有一個(gè)藍(lán)牙5器件，各個(gè)模塊的藍(lán)牙5器件共同組成Mesh網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)語(yǔ)音識(shí)別模塊得到的語(yǔ)音控制命令和后臺(tái)控制中心發(fā)出的設(shè)備控制命令均可覆蓋整個(gè)Mesh網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)家用設(shè)備的語(yǔ)音控制。通過(guò)語(yǔ)音控制和Mesh網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)連接，簡(jiǎn)化了對(duì)家庭設(shè)備的控制過(guò)程，提高了控制效率，同時(shí)對(duì)行動(dòng)不便的群體生活質(zhì)量的提高起著積極作用。且由于Mesh網(wǎng)絡(luò)高度的可擴(kuò)展性，該智能家居控制系統(tǒng)也可進(jìn)行模塊的擴(kuò)展，控制相當(dāng)靈活。

語(yǔ)音識(shí)別；Mesh網(wǎng)絡(luò)；智能家居控制系統(tǒng)；藍(lán)牙5

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是近年來(lái)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，“智能家居”的概念深入人心，通過(guò)一定的控制中心實(shí)時(shí)控制各種家電、門(mén)窗等設(shè)備的開(kāi)關(guān)運(yùn)行狀態(tài)，是智能家居的一個(gè)重要特征。其中，設(shè)備的控制指令主要來(lái)源于2個(gè)方面，一方面是計(jì)算機(jī)基于傳感器得到的數(shù)據(jù)判斷家居環(huán)境情況后自動(dòng)發(fā)出的控制指令，另一方面是用戶(hù)自身發(fā)出的人工指令[1]。前者目前已經(jīng)較為成熟，但是對(duì)于人工指令，傳統(tǒng)的控制方法主要有直接手動(dòng)控制和遙控器紅外控制等，語(yǔ)音控制作為一種新的控制方式，是智能家居系統(tǒng)中人機(jī)交互的一種重要手段。相比于手動(dòng)直接控制或者通過(guò)紅外遙控器控制，通過(guò)語(yǔ)音指令控制不需要進(jìn)行任何肢體動(dòng)作，能夠極大地簡(jiǎn)化操作流程，同時(shí)對(duì)于行動(dòng)不便的老人、殘疾人等群體，語(yǔ)音指令控制更是能夠提供相當(dāng)大的便利，大大提高人們的生活質(zhì)量[2]。

當(dāng)前，智能家居的結(jié)構(gòu)主要包括硬件層、傳輸層和應(yīng)用層3層，其中，硬件層包括收集各類(lèi)信息的傳感器和執(zhí)行各類(lèi)操作的執(zhí)行器；應(yīng)用層則是運(yùn)行在后臺(tái)的各類(lèi)具體應(yīng)用；而傳輸層則實(shí)現(xiàn)硬件和后臺(tái)及硬件之間的通訊，目前常用的通信方式有BLE（低功耗藍(lán)牙）、ZigBee和Low-Power WIFI[3]。以BLE為核心的Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種與傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其采用對(duì)等的、多對(duì)多的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都可以與相鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，并有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)采用洪泛機(jī)制，消息可以傳送到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備。

藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布的藍(lán)牙5規(guī)范支持Mesh網(wǎng)絡(luò)，其可擴(kuò)展性強(qiáng)，若需要新增節(jié)點(diǎn)，只需將新節(jié)點(diǎn)安裝并配置即可；可靠性高，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。因此基于Mesh的智能家居系統(tǒng)前景相當(dāng)廣闊。

本文結(jié)合語(yǔ)音識(shí)別和Mesh網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一種基于語(yǔ)音識(shí)別與藍(lán)牙5 Mesh的智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有智能家居的可擴(kuò)展、分布式的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 語(yǔ)音識(shí)別

語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)是對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行語(yǔ)音語(yǔ)義訓(xùn)練，使人發(fā)出的語(yǔ)音信號(hào)可以被計(jì)算機(jī)所理解，并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的信息[4]。語(yǔ)音識(shí)別本質(zhì)上是一種模式識(shí)別，其過(guò)程可以歸結(jié)為模式識(shí)別和匹配，其識(shí)別流程如圖1所示，主要包括信號(hào)預(yù)處理、特征提取、模式匹配等步驟，首先將未知的語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)話(huà)筒等轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)；數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理，與保存在計(jì)算機(jī)中的語(yǔ)音模版進(jìn)行比較，根據(jù)一定的匹配策略尋找到語(yǔ)音模版與輸入信號(hào)的最優(yōu)匹配，然后根據(jù)此模版的定義查表即可獲知語(yǔ)義。

圖1 語(yǔ)音識(shí)別流程

1.2 Mesh網(wǎng)絡(luò)

Mesh網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)即BLE設(shè)備，可以與網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備進(jìn)行通信，若這2個(gè)設(shè)備相距比較近，則可以直接通信；若相距較遠(yuǎn)，則2個(gè)設(shè)備會(huì)間接通過(guò)一個(gè)或多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)完成通信。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)既可以接收信息，又可以發(fā)送信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有路由功能，但是并沒(méi)有具體的路由節(jié)點(diǎn)來(lái)控制傳輸?shù)穆窂?，而是采用了洪泛機(jī)制，消息將以發(fā)出點(diǎn)為起點(diǎn)擴(kuò)散到網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備，由此可以實(shí)現(xiàn)將任意節(jié)點(diǎn)采集到的信息傳遞到軟件層，或者將軟件層發(fā)出的命令傳送到所有節(jié)點(diǎn)。

軟件層發(fā)出的命令雖然可以傳送到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，但是只有與命令中的地址相匹配的節(jié)點(diǎn)才會(huì)執(zhí)行該命令，通過(guò)以上機(jī)制，即可實(shí)現(xiàn)將任意位置的傳感器采集到的語(yǔ)音信號(hào)傳送到后臺(tái)，并且后臺(tái)在分析語(yǔ)音信號(hào)的語(yǔ)義后控制相應(yīng)節(jié)點(diǎn)按照用戶(hù)的命令改變自身狀態(tài)，其他節(jié)點(diǎn)雖然也會(huì)收到命令，但是由于地址不匹配，所以并不會(huì)有動(dòng)作。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)某家庭中搭建的智能家居控制平臺(tái)的控制目標(biāo)為家中的一盞燈與一臺(tái)電視的電源通斷，發(fā)出語(yǔ)音命令的位置主要在客廳和臥室，發(fā)出的指令包括“開(kāi)燈”“關(guān)燈”“開(kāi)電視”和“關(guān)電視”，則智能家居控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用基于藍(lán)牙5的 Mesh網(wǎng)絡(luò)（如虛線(xiàn)所示）作為傳輸層，以單片機(jī)作為系統(tǒng)的后臺(tái)控制中心，分布在客廳和臥室的語(yǔ)音識(shí)別模塊與電燈和電視的控制器構(gòu)成的執(zhí)行器模塊作為硬件層，當(dāng)用戶(hù)在客廳或臥室中能夠采集到語(yǔ)音信號(hào)的位置發(fā)出以上指令時(shí)，聲音信息由語(yǔ)音識(shí)別模塊獲得并處理，得到的指令通過(guò)Mesh網(wǎng)絡(luò)達(dá)到后臺(tái)控制中心，控制中心分析得到的指令后，發(fā)出相應(yīng)的控制命令，控制命令亦通過(guò)Mesh網(wǎng)絡(luò)達(dá)到所有節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的開(kāi)關(guān)控制器在控制命令下動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電視或電燈的開(kāi)關(guān)控制。

圖2 智能家居控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.2 語(yǔ)音識(shí)別模塊

語(yǔ)音識(shí)別模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由咪頭、LD3320語(yǔ)音識(shí)別芯片、單片機(jī)與藍(lán)牙5器件等部分構(gòu)成，并且可以根據(jù)房間大小、隔音效果等環(huán)境因素在家庭中部署多個(gè)。

圖3 語(yǔ)音識(shí)別模塊的硬件結(jié)構(gòu)

咪頭用于對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行采集。LD332Х是一款基于非特定人語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的語(yǔ)音識(shí)別/聲控芯片，提供了單芯片語(yǔ)音識(shí)別解決方案，其支持并口和SPI2種接口，只需要單片機(jī)將關(guān)鍵詞語(yǔ)的拼音串設(shè)置寄存器傳入LD332Х芯片，即可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別。藍(lán)牙5模塊用于組建Mesh網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音命令的傳輸。由于LD3320芯片支持并口接入，市售的藍(lán)牙模塊一般只需要用到UART串口即可工作，因此采用51系列單片機(jī)即可滿(mǎn)足模塊要求。

2.3 后臺(tái)控制中心與執(zhí)行器模塊

后臺(tái)控制中心主要由單片機(jī)和藍(lán)牙5模塊構(gòu)成，用于接收由Mesh網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的語(yǔ)音控制命令并作出相應(yīng)處理；執(zhí)行器模塊主要由單片機(jī)、藍(lán)牙5模塊與相應(yīng)的繼電器構(gòu)成，當(dāng)接收到來(lái)自控制中心的指令時(shí)，相應(yīng)的執(zhí)行器中的單片機(jī)控制繼電器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電源的通斷。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化，各個(gè)模塊的藍(lán)牙5器件在各自單片機(jī)的控制下組成Mesh網(wǎng)絡(luò)。

語(yǔ)音識(shí)別模塊的語(yǔ)音識(shí)別芯片LD3320進(jìn)行復(fù)位、初始化，并將需要識(shí)別的語(yǔ)音條目通過(guò)單片機(jī)寫(xiě)入識(shí)別列表，單片機(jī)開(kāi)放外部中斷，等待語(yǔ)音信號(hào)輸入；當(dāng)采集到語(yǔ)音信號(hào)時(shí)，若通過(guò)處理識(shí)別得到該信號(hào)與識(shí)別列表中的某一條目匹配，則觸發(fā)外部中斷，單片機(jī)在中斷服務(wù)程序中根據(jù)相應(yīng)寄存器的值判斷該信號(hào)代表的語(yǔ)音命令；此后，單片機(jī)控制藍(lán)牙5器件，將該命令通過(guò)Mesh網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到后臺(tái)控制中心。若采集到語(yǔ)音信號(hào)與識(shí)別列表中的所有條目均不匹配，則放棄當(dāng)前結(jié)果，不觸發(fā)外部中斷，重新等待語(yǔ)音信號(hào)輸入。

控制中心不斷接收來(lái)自Mesh網(wǎng)絡(luò)的信息，并根據(jù)接收到的信息生成相應(yīng)的控制指令，再通過(guò)Mesh網(wǎng)絡(luò)以廣播的形式發(fā)送。

執(zhí)行器模塊中的單片機(jī)控制藍(lán)牙5接收來(lái)自Mesh網(wǎng)絡(luò)中的信息并進(jìn)行判斷，若該信息是來(lái)自控制中心的控制命令且控制地址與自身藍(lán)牙地址相符，則單片機(jī)根據(jù)控制命令控制繼電器進(jìn)行相應(yīng)的通斷動(dòng)作；若該信息是來(lái)自于語(yǔ)音識(shí)別模塊，或者是控制另一個(gè)執(zhí)行器模塊的控制命令，則繼電器不動(dòng)作，只將獲得的信息再次以廣播的形式發(fā)送出去，實(shí)現(xiàn)信息沿Mesh網(wǎng)絡(luò)的傳遞。

4 結(jié)論

本文通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別模塊和基于藍(lán)牙5的Mesh網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了智能家居控制系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)能夠識(shí)別簡(jiǎn)單的語(yǔ)音命令，然后根據(jù)語(yǔ)音識(shí)別的結(jié)果控制相應(yīng)的電氣設(shè)備的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制的基本功能，從而使控制更加便捷，同時(shí)對(duì)于行動(dòng)不便的人生活品質(zhì)的提高有良好作用。由于Mesh網(wǎng)絡(luò)自身的特性，本文的設(shè)計(jì)基于Mesh網(wǎng)絡(luò)的智能家居控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，可以在系統(tǒng)中方便地添加諸如溫濕度感應(yīng)器、火焰?zhèn)鞲衅鳌熿F傳感器等環(huán)境參數(shù)檢測(cè)的傳感器，即可實(shí)現(xiàn)家庭環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高家庭對(duì)災(zāi)害的預(yù)防能力，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］陳哲.智能家居語(yǔ)音控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2013.

［2］李澤彬，姚有峰，張飛龍，等.基于單片機(jī)的智能家居語(yǔ)音控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2017，25（08）：175-177，182.

［3］涂藍(lán).基于OpenWrt和BLE Mesh的智能家居終端控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.南昌：江西理工大學(xué)，2016.

［4］劉文強(qiáng).語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)在智能家居中的研究與應(yīng)用［D］.大連：大連海事大學(xué)，2013.

〔編輯：劉曉芳〕

TP273+.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.24.136

2095-6835（2017）24-0136-03