基于語(yǔ)音控制的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王文博 王威 邢軍輝 岳朋闖

摘要：智能化正在影響著人們的生活，給人們帶來(lái)越來(lái)越便利的生活條件。為使智能化更好服務(wù)生活，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于語(yǔ)音控制的智能家居系統(tǒng)，通過(guò)打開Android手機(jī)APP，啟用語(yǔ)音喚醒功能，通過(guò)關(guān)鍵詞喚醒實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別功能，識(shí)別出用戶的指令，把識(shí)別出來(lái)的命令語(yǔ)句發(fā)送給服務(wù)器，通過(guò)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給已經(jīng)上線的控制器端，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制過(guò)程。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，該系統(tǒng)是可靠實(shí)用，操作方便。

關(guān)鍵詞：語(yǔ)音控制；Android；智能家居

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）17-0241-02

1 背景

家居智能化正在慢慢影響著人們的生活，給人們帶來(lái)越來(lái)越多的便利條件。智能家居的控制方式從傳輸媒質(zhì)的角度來(lái)說(shuō)，存在有線控制方式；從控制終端上來(lái)說(shuō)有鍵盤、紅外遙控器、計(jì)算機(jī)終端、移動(dòng)設(shè)備等方式。智能手機(jī)通過(guò)無(wú)線方式對(duì)家居系統(tǒng)進(jìn)行控制，快捷、方便、靈活，因此移動(dòng)端控制將是智能家居的發(fā)展趨勢(shì)。Android系統(tǒng)主要用于移動(dòng)設(shè)備開發(fā)，憑借開源，免費(fèi)和豐富的硬件選擇，其已經(jīng)成為使用最多的移動(dòng)端操作系統(tǒng)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，百度公司推出語(yǔ)音識(shí)別Android SDK（離在線），給開發(fā)者提供一個(gè)語(yǔ)音識(shí)別的接口，通過(guò)云端的識(shí)別，給開發(fā)者返回識(shí)別結(jié)果，使開發(fā)者能夠使用語(yǔ)音進(jìn)行二次開發(fā)。

語(yǔ)音控制具有非接觸、非侵入性和易于使用的特點(diǎn)，是智能家居的一個(gè)新的方向。該設(shè)計(jì)是基于語(yǔ)音控制的智能家居系統(tǒng)，采用基于Android平臺(tái)的移動(dòng)設(shè)備作為控制終端，STM32模塊作為執(zhí)行設(shè)備的主控板，通過(guò)服務(wù)器命令轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了用語(yǔ)音命令通過(guò)Android移動(dòng)設(shè)備對(duì)家居的設(shè)備控制。

2 系統(tǒng)概述

語(yǔ)音控制的智能家居系統(tǒng)框圖如圖1所示，包括Android移動(dòng)設(shè)備端、云端的百度語(yǔ)音接口、云服務(wù)器端、執(zhí)行設(shè)備的主控板及其所屬功能模塊。其中Android移動(dòng)端設(shè)備提供人機(jī)交互界面，輸入語(yǔ)音信息；云端的百度語(yǔ)音接口進(jìn)行云端語(yǔ)音解析并返還解析出的字符串給Android移動(dòng)端設(shè)備；云服務(wù)器端控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸及其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；STM32控制板負(fù)責(zé)接收服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的命令，對(duì)家居中的各個(gè)功能模塊進(jìn)行控制，并把功能模塊各控制狀態(tài)返回給服務(wù)器。各功能模塊功能包括窗簾，插座，室內(nèi)燈等家居設(shè)備和溫濕度傳感器。

該設(shè)計(jì)通過(guò)語(yǔ)音喚醒功能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別，通過(guò)從云端返回的字符串，判斷出用戶的命令，把命令發(fā)送給服務(wù)器，由服務(wù)器把命令轉(zhuǎn)發(fā)給已經(jīng)上線的控制器端，從而執(zhí)行用戶命令，實(shí)現(xiàn)智能家居的語(yǔ)音控制。

3 控制終端APP的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 控制終端APP功能框架設(shè)計(jì)

其APP的功能框架如圖2所示，其功能分為四個(gè)部分，本別是賬戶的登錄與注銷功能，語(yǔ)音喚醒功能語(yǔ)音識(shí)別功能以及按鍵控制功能。賬號(hào)的登錄是通過(guò)在服務(wù)器端添加賬戶獲得訪問權(quán)限，登陸之后獲得控制權(quán)限；語(yǔ)音喚醒功能是通過(guò)特定詞喚醒，無(wú)須按鍵觸摸，進(jìn)入語(yǔ)音識(shí)界面；語(yǔ)音識(shí)別界面則需要進(jìn)行按鈕進(jìn)行觸發(fā)；按鍵控制是用按鈕進(jìn)行功能控制。

3.2 控制終端APP程序設(shè)計(jì)流程

1）賬號(hào)登錄。如圖3所示是用戶的登錄流程圖，通過(guò)讀取用戶名和密碼，當(dāng)用戶名和密碼不為空時(shí)，向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)post請(qǐng)求，當(dāng)其賬戶名密碼正確時(shí)，就返回一個(gè)登錄成功的狀態(tài)值，這時(shí)界面跳轉(zhuǎn)到用戶主界面；當(dāng)輸入錯(cuò)誤的賬戶名和密碼時(shí)，界面不進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，并提示賬戶名或者密碼錯(cuò)誤的提示。

2）語(yǔ)音喚醒功能。在此功能界面中，無(wú)須手動(dòng)控制，通過(guò)檢測(cè)關(guān)鍵詞，喚醒語(yǔ)音識(shí)別功能。通過(guò)創(chuàng)建喚醒管理器，注冊(cè)喚醒事件監(jiān)聽器，當(dāng)有喚醒詞出現(xiàn)時(shí)，進(jìn)入處理事件，在處理事件中跳轉(zhuǎn)到語(yǔ)音識(shí)別界面，啟動(dòng)錄音，等待使用者說(shuō)話，等語(yǔ)音輸入結(jié)束，進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)百度語(yǔ)音接口上傳到服務(wù)器并獲取識(shí)別出來(lái)的字符串。

3）語(yǔ)音識(shí)別。通過(guò)設(shè)置按鈕點(diǎn)擊事件，啟動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別功能，具體實(shí)現(xiàn)功能同上。和語(yǔ)音喚醒的區(qū)別在于啟動(dòng)方式不同。

4）按鍵控制。通過(guò)語(yǔ)音控制雖然比較方便，但是在一些需要安靜的環(huán)境里，語(yǔ)音控制是合適的，因此使用按鈕進(jìn)行控制是不錯(cuò)的選擇。

3.3 UI界面設(shè)計(jì)

語(yǔ)音控制智能家居的登錄界面和功能界面如圖4所示。登錄界面是輸入用戶名和密碼，點(diǎn)擊登錄后，向服務(wù)器發(fā)送登錄請(qǐng)求，登錄成功后界面跳轉(zhuǎn)到功能主界面；點(diǎn)擊語(yǔ)音喚醒功能后，跳轉(zhuǎn)到語(yǔ)音喚醒界面，通過(guò)語(yǔ)音喚醒關(guān)鍵詞，喚醒語(yǔ)音識(shí)別功能，直接進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別，無(wú)須按鈕控制；也可以直接點(diǎn)擊語(yǔ)音喚醒，通過(guò)點(diǎn)擊開始進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別。語(yǔ)音識(shí)別之后返回的結(jié)果經(jīng)過(guò)處理之后通過(guò)HTTP協(xié)議中的post函數(shù)發(fā)送給服務(wù)器，通過(guò)服務(wù)器把命令轉(zhuǎn)發(fā)給控制器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。

4 STM32控制終端

4.1 通信模塊

ESP8266是一款高性能的UART-WiFi串口無(wú)線模塊，由它解決STM32聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)的問題。ESP8266通過(guò)連接路由器，并入網(wǎng)絡(luò)，從而可以訪問云服務(wù)器，在透明傳輸模式下，作為TCP客戶端同服務(wù)器進(jìn)行交互；另一方面，ESP8266通過(guò)串口同STM32進(jìn)行交互，從而完成從手機(jī)端通過(guò)語(yǔ)音對(duì)控制器終端的控制。

圖5是ESP8266和服務(wù)器交互前的設(shè)置流程。為了清晰地展現(xiàn)這一過(guò)程，使用了串口調(diào)試助手進(jìn)行演示。經(jīng)過(guò)設(shè)置之后，ESP8266就能和服務(wù)器進(jìn)行通信了，這樣就可以通過(guò)手機(jī)進(jìn)行語(yǔ)音控制，把控制信息傳送到STM32中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的功能控制。

4.2 STM32控制模塊

圖6是STM32的主控板，包括STM32F103C8T6最小系統(tǒng)板，Nokia5110顯示屏和ESP8266UART-WiFi串口無(wú)線模塊。單片機(jī)通過(guò)串口同ESP8266進(jìn)行交互，得到控制命令，對(duì)命令進(jìn)行處理，從而完成對(duì)終端的控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)的基于語(yǔ)音控制的智能家居系統(tǒng)相比較其他方式有以下優(yōu)勢(shì)：①基于語(yǔ)音控制，更加智能化。②基于移動(dòng)端的遠(yuǎn)程控制，可以隨時(shí)隨地對(duì)控制器進(jìn)行控制。③使用的是Android系統(tǒng)，更易于推廣。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，本系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期的效果，對(duì)于智能家居的發(fā)展具有一定的意義。

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