基于聲學(xué)模型的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

(臺(tái)州學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，臺(tái)州 318000)

引 言

智慧城市引領(lǐng)的新型城市化是低碳、智慧、創(chuàng)新及以人為本、可持續(xù)發(fā)展的城市化。而智能家居的建設(shè)更是現(xiàn)代社會(huì)不容忽視的重要組成部分。從目前的發(fā)展趨勢(shì)來看，在未來至少20年時(shí)間里，智能家居行業(yè)將成為中國(guó)的主流行業(yè)之一。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)特點(diǎn)在于無需布線就能實(shí)現(xiàn)通信，安裝簡(jiǎn)單、靈活性高，語音安卓同步控制，把便捷性提升到最高，是一個(gè)集綠色節(jié)能、語音控制、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一身的適用于家居的控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)由微控制器、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、無線控制模塊、語音采集模塊、安卓控制模塊等部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。整套系統(tǒng)由普通家用交流電220 V/50 Hz進(jìn)行供電，電源模塊通過整流、穩(wěn)壓等處理，輸出穩(wěn)定的5 V、7.2 V與12 V電壓為單片機(jī)以及外設(shè)供電。

系統(tǒng)設(shè)置主從兩個(gè)房間，兩個(gè)房間通過WiFi進(jìn)行無線傳輸。主房間裝有麥克風(fēng)陣列，將采集到的語音與提前訓(xùn)練好的儲(chǔ)存于Flash中的語音特征庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，若識(shí)別結(jié)果符合程序語句，則執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)置好的對(duì)應(yīng)動(dòng)作。本系統(tǒng)還加入了安卓控制功能，用戶可通過安卓APP實(shí)現(xiàn)同步遠(yuǎn)程控制。

2 子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

(1)主控制器模塊

主控制器STM32F103RCT6是一種高性能、低成本、低功耗的嵌入式微控制器，程序存儲(chǔ)器容量為256 KB，為語音的采集、處理及外設(shè)控制提供了條件。

(2)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

為了能夠方便控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片DRV8701。根據(jù)其特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)將DRV8701的SH1和SH2作為輸出接口，接入直流電機(jī)以控制窗簾的開合。DRV8701電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖如圖2所示。

圖2 DRV8701電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

(3)可控硅調(diào)光器模塊

在光強(qiáng)度調(diào)節(jié)部分，本設(shè)計(jì)采用可控硅調(diào)光器(SCR)，結(jié)合D/A轉(zhuǎn)換器和放大電路進(jìn)行控制。可控硅調(diào)光器可應(yīng)用于交流和直流電路，且安裝成本較低，能很好地適用于家居使用。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

(1)主房間控制子系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

在此子系統(tǒng)中，下位機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)端，其主要任務(wù)是完成創(chuàng)建服務(wù)器、采集與處理接收到的語音信號(hào)、向客戶端發(fā)送命令、完成與安卓的連接并對(duì)特定的命令做出特定的動(dòng)作。

STM32為該主房間控制子系統(tǒng)的核心，程序中主要接收兩部分的信息：一是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集到的語音，判斷其信號(hào)特征是否與語音特征庫(kù)中有相似要素；二是接收來自安卓上位機(jī)的命令，做出相應(yīng)動(dòng)作。

在語音處理部分，首先在主控制板的Flash中提前訓(xùn)練好語音特征庫(kù)用于識(shí)別；其次，本設(shè)計(jì)采用麥克風(fēng)陣列排布的方式對(duì)語音進(jìn)行增強(qiáng)采集處理；最后，在語音采集后，利用單片機(jī)PC0引腳進(jìn)行A/D采樣提取語音頻譜特征，并與Flash中的語音庫(kù)進(jìn)行對(duì)比分析并做出判斷。

主房間控制子系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

圖3 主房間控制子系統(tǒng)程序流程圖

(2)從房間控制子系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

在該子系統(tǒng)中，單片機(jī)主要任務(wù)為：加入由服務(wù)端建立的服務(wù)器、等待服務(wù)端傳輸命令并做出相應(yīng)動(dòng)作。如服務(wù)端發(fā)送“客廳燈變暗”指令，客戶端的單片機(jī)接收到信息后，輸出編碼信號(hào)，通過 D/A轉(zhuǎn)換器和放大電路控制可控硅的導(dǎo)通角，以達(dá)到將客廳光亮度調(diào)低的目的。從房間控制子系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

圖4 從房間控制子系統(tǒng)程序流程圖

(3)安卓上位機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

出于用戶使用方便和美觀考慮，本設(shè)計(jì)在安卓界面設(shè)計(jì)采用垂直線性布局管理，設(shè)置控件分別為：TextView用于顯示本機(jī)IP、連接狀態(tài)、接收數(shù)據(jù)指示和發(fā)送數(shù)據(jù)指示等；EditText用于顯示發(fā)送內(nèi)容輸入框；Button用于發(fā)送數(shù)據(jù)和控制與目標(biāo)對(duì)象連接與斷開。

在安卓程序編寫上，創(chuàng)建Socket時(shí)將服務(wù)器的IP和密碼寫入。當(dāng)按鍵監(jiān)聽器檢測(cè)到用戶按下開啟連接后，開啟WiFi，與主房間的單片機(jī)WiFi模塊連接，連接狀態(tài)變?yōu)橐堰B接。連接成功后，用戶可通過編輯框發(fā)送命令控制整個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)單片機(jī)收到命令后，向安卓反饋收到的數(shù)據(jù)。

3 語音訓(xùn)練

3.1 語音增強(qiáng)

在非平穩(wěn)和多種噪聲并存的實(shí)際環(huán)境中，噪聲的干擾往往會(huì)嚴(yán)重影響目標(biāo)語音的獲取，致使獲取的語音信號(hào)不是純凈的語音信號(hào)。針對(duì)此現(xiàn)象，本設(shè)計(jì)采用以六元麥克風(fēng)小陣列為模型的麥克風(fēng)陣列語音增強(qiáng)技術(shù)來提高語音識(shí)別的準(zhǔn)確率。麥克風(fēng)陣列能夠充分利用語音信號(hào)的空域、時(shí)域和頻域信息，同時(shí)具有高空間分辨率、高信號(hào)增益與較強(qiáng)的抗干擾能力等特點(diǎn)。

利用麥克風(fēng)陣列波束形成技術(shù)不僅解決了在使用單個(gè)麥克風(fēng)時(shí)需要人為不斷調(diào)節(jié)麥克風(fēng)指向性的問題，而且大大提高了輸出信噪比，也不必人工干預(yù)調(diào)節(jié)麥克風(fēng)，因此很容易獲取純凈的目標(biāo)信號(hào)。

3.2 語音處理

語音信號(hào)經(jīng)過麥克風(fēng)收集，經(jīng)過端點(diǎn)檢測(cè)確定有效的音頻長(zhǎng)度，接著對(duì)語音進(jìn)行頻譜分析，逐幀分析信號(hào)特征，并與提前訓(xùn)練好的存儲(chǔ)于單片機(jī)Flash中的語音特征庫(kù)樣本進(jìn)行對(duì)比，若相似度匹配，輸出識(shí)別結(jié)果，否則將忽視該語音，繼續(xù)進(jìn)行實(shí)時(shí)收集直至采集到動(dòng)作命令。語音識(shí)別流程圖如圖5所示。

圖5 語音識(shí)別流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

本系統(tǒng)通過多次測(cè)試與修改后，智能家居控制設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠比較好地滿足設(shè)計(jì)要求。在本設(shè)計(jì)最后階段，選擇了兩個(gè)較有代表性的環(huán)境——實(shí)驗(yàn)室(代表安靜環(huán)境)、食堂(代表喧鬧環(huán)境)進(jìn)行測(cè)試，每次測(cè)試都采用相同的訓(xùn)練樣本，避免其他因素的干擾，提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度與可靠性。測(cè)試結(jié)果見表1與表2。

由測(cè)試結(jié)果可知，本系統(tǒng)room1與room2在較安靜的環(huán)境下識(shí)別成功率均高于80%。結(jié)果表明,本系統(tǒng)各模塊工作穩(wěn)定，識(shí)別率較高。家庭居室大部分情況下為安靜環(huán)境，因此本系統(tǒng)適合于家居使用。

表1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果

表2 食堂測(cè)試結(jié)果

結(jié) 語