基于云平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)智能家居語(yǔ)音終端控制器系統(tǒng)

張世亮 劉成剛 廖文梯

摘? 要：本文以無(wú)線通信電路、語(yǔ)音識(shí)別電路、控制電路、LED電路、OLED電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和電源電路設(shè)計(jì)了基于“云平臺(tái)”的物聯(lián)網(wǎng)智能家居語(yǔ)音終端控制器系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)選用STM32F103RCT6作為主機(jī)和樹莓派作為物聯(lián)網(wǎng)終端達(dá)到控制以下幾種功能的目的：首先，麥克風(fēng)接收語(yǔ)音信號(hào)通過樹莓派進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別，并通過ZigBee連接到STM32f1。然后，STM32F1使用紅外與對(duì)應(yīng)的家居通信并做出相應(yīng)的動(dòng)作。在軟件上，本設(shè)計(jì)包括了主程序、OLED、LED和電機(jī)控制程序、語(yǔ)音識(shí)別程序、無(wú)線通信程序。模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和方法對(duì)實(shí)際家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：語(yǔ)音識(shí)別;智能家居控制;STM32F103RCT6;樹莓派;ZigBee

中圖分類號(hào)：TN912.34? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

隨著智能家居市場(chǎng)的發(fā)展，國(guó)外的IT巨頭們已先后以智能家居產(chǎn)品與語(yǔ)音相結(jié)合的方式進(jìn)入智能家居領(lǐng)域：谷歌收購(gòu)NEST布局智能家居，不斷強(qiáng)化Google Now的語(yǔ)音入口;蘋果HomeKit智能家居平臺(tái)與Siri也不斷加強(qiáng)融合;市場(chǎng)上流行的Echo智能音箱使用了亞馬遜的Alexa語(yǔ)音技術(shù)。

在國(guó)內(nèi)，語(yǔ)音巨頭科大訊飛也在2014年8月宣布進(jìn)軍智能家居市場(chǎng)，并于2015年3月攜手京東成立合資公司——北京靈隆科技，推出了其生產(chǎn)第一個(gè)產(chǎn)品DingDong智能音箱，除了具備音箱的基本功能，還可以作為語(yǔ)音助手，更是智能硬件的控制中樞。除此之外，百度、騰訊等都在打造自己的語(yǔ)音團(tuán)隊(duì)。

隨著對(duì)語(yǔ)音交互領(lǐng)域投入的增加，語(yǔ)音核心技術(shù)正逐步成熟。語(yǔ)音技術(shù)正不斷進(jìn)入智能家居領(lǐng)域滲透，市場(chǎng)前景廣闊。

1 系統(tǒng)總體框架

由STM32控制電路、LED電路、OLED控制電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電源電路組成硬件系統(tǒng)。

本項(xiàng)目采用目前創(chuàng)客中較為流行的開源硬件樹莓派為作為物聯(lián)網(wǎng)終端主控設(shè)備，通過終端主控設(shè)備采集語(yǔ)音指令信號(hào)，將語(yǔ)音的解意功能通過Wi-Fi技術(shù)連接進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)的語(yǔ)音云平臺(tái)中，利用語(yǔ)音云平臺(tái)進(jìn)行語(yǔ)意的解讀，將解讀完的語(yǔ)音信息回傳給終端主控設(shè)備，并由終端主控設(shè)備和各個(gè)終端設(shè)備接收器通過無(wú)線技術(shù)組網(wǎng)完成主控設(shè)備對(duì)終端設(shè)備（例如，窗簾、空調(diào)、電視、電燈等）的控制。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)

采用STM32F103RCT6單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器，STM32F1-

03RCT6是由ST生產(chǎn)的一款STM32F103系列的微處理器。STM32最高頻率可達(dá)72MHz，它0等待的存儲(chǔ)器訪問、基于哈佛結(jié)構(gòu)并帶有3級(jí)流水線特性和其高效的處理效率保證能夠?qū)崟r(shí)高效的處理水表取數(shù)和上傳數(shù)據(jù)。STM32自帶64k字節(jié)Flash，它具有多種低功耗模式：等待、活躍停機(jī)、停機(jī)模式，外設(shè)的時(shí)鐘可單獨(dú)關(guān)閉。在停機(jī)模式下，STM32的功耗僅僅4.5uA左右，完全能夠滿足智能控制的供電要求，這實(shí)現(xiàn)并保證了整個(gè)系統(tǒng)的低功耗特性。

本設(shè)計(jì)中用到的接口如下所示：

主機(jī)部分：

紅外部分： PA9：RX接收部分

PA10：TX 發(fā)送部分

ZigBee部分： PA2：RX讀部分

PA3：TX寫部分

分機(jī)部分：

LED部分： PA5：模擬智能家居燈;

直流電機(jī)部分： PA8：直流電機(jī)的IN1

PA9：直流電機(jī)的IN2

OLED部分： GND：OLED的接地端

3v3：OLED的VCC

PA7：OLED的讀寫口

PA6：OLED的復(fù)位

PA5：OLED的d0

PA4：OLED的d1

GND：OLED的片選CS

2.2 語(yǔ)音識(shí)別電路模塊

本設(shè)計(jì)中使用樹莓派來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別功能，其功能包括語(yǔ)音的采集、識(shí)別及處理。語(yǔ)音信號(hào)直接由麥克風(fēng)模塊進(jìn)行采集，識(shí)別由python編寫的調(diào)用程序，通過百度AI的語(yǔ)音識(shí)別功能進(jìn)行，并將識(shí)別后的信息回傳到樹莓派中，在其程序內(nèi)部進(jìn)行語(yǔ)句指令的判斷。然后在程序中通過對(duì)回傳的信息的分析，選擇出相對(duì)應(yīng)的通信指令。

利用樹莓派作為語(yǔ)音控制部分是因?yàn)槠湎到y(tǒng)穩(wěn)定性更好，語(yǔ)音識(shí)別準(zhǔn)確度高;語(yǔ)音指令可以通過修改程序代碼來(lái)改變。

2.3 無(wú)線通信

在無(wú)線通信方案中，主要有Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee和無(wú)線射頻技術(shù)（nRF24l01）4種。在基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)中，與終端設(shè)備相連的無(wú)線接收器要符合組網(wǎng)便捷、功耗低的特點(diǎn)，所以主控設(shè)備和終端接收設(shè)備在組網(wǎng)時(shí)應(yīng)采用ZigBee技術(shù)。

ZigBee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：

（1）自動(dòng)組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)容量大。

（2）網(wǎng)絡(luò)延時(shí)短。

（3）模塊功耗低，通信速率低。

（4）傳輸距離可擴(kuò)展。

（5）成本低。

（6）可靠性好，安全性高。

2.4 電機(jī)、OLED、LED電路模塊

主控設(shè)備和終端設(shè)備接收器之間采用ZigBee技術(shù)組網(wǎng)，多機(jī)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)要完成對(duì)終端設(shè)備的識(shí)別及控制，如圖1所示。

圖1 電機(jī)、OLED、LED電路模塊

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括的模塊有：光電信號(hào)檢測(cè)模塊、單片機(jī)處理模塊、通信模塊、語(yǔ)音模塊。光電信號(hào)檢測(cè)模塊：通過紅外將主機(jī)控制信號(hào)傳送到各分機(jī)里。單片機(jī)處理模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)對(duì)傳送過來(lái)的通信信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)設(shè)的處理，將語(yǔ)音模塊的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成相對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，再通過光電模塊傳送給各個(gè)分機(jī)。通信模塊：通過語(yǔ)音模塊將控制命令轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，并發(fā)送到單片機(jī)中，進(jìn)行預(yù)設(shè)判斷。語(yǔ)音模塊：控制語(yǔ)句通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別并反饋到模塊中，并在模塊的預(yù)設(shè)命令中找到相應(yīng)的通信命令，通過通信模塊發(fā)送到單片機(jī)中。

軟件設(shè)計(jì)還包括OLED的文字設(shè)計(jì)、百度AI的調(diào)用設(shè)計(jì)以及圖靈機(jī)器人的調(diào)用等。

結(jié)語(yǔ)

隨著電子技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)、云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展，語(yǔ)音識(shí)別有著廣泛的應(yīng)用。開發(fā)基于“云平臺(tái)”的物聯(lián)網(wǎng)智能家居語(yǔ)音終端控制器系統(tǒng)使我們的生活更加便捷，更加的人性化、安全、享受舒服的環(huán)境。在論文即將完成之際，我們的心情無(wú)法平靜，開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，可敬的老師、同學(xué)給了我們很多幫助，在這里請(qǐng)接受我們真摯的謝意！

參考文獻(xiàn)

[1]禹琳琳.語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)及應(yīng)用綜述[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013（13）：43-45.

[2]張青松.語(yǔ)音識(shí)別的進(jìn)展[J].科技信息，2011（27）：185.

[3]周英.關(guān)于語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的分析[J].工程技術(shù)，2012（19）：141-142.

指導(dǎo)老師：劉海斌。