基于語音識別的智能家居系統(tǒng)的設計與開發(fā)

楊凡 楊迎堯 鄒杰 李曙英

摘? 要：隨著人們收入水平和生活水平的顯著提高，智能家居越來越多地走進人們的生活。目前，移動終端系統(tǒng)以多樣化、圖形化的智能家居界面控制著智能家居設備，受到了人們的青睞。為了進一步解放人們的雙手，使人們更加輕便地操控智能家居，設計了以語音識別技術為核心的智能家居控制系統(tǒng)?；赟TM32，本系統(tǒng)采用Mel頻率倒譜系數（MFCC）算法和動態(tài)時間彎折（DTW）算法分析和識別語音信號，通過ZigBee自組織網絡，采集室內的溫度、濕度、光線強度等信息，并控制燈、風扇、窗簾等智能設備的開關。

關鍵詞：語音識別;智能家居;MFCC;DTW;STM32;ZigBee

中圖分類號：TN912.34;TP273.5? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）09-0164-04

0? 引? 言

隨著智能家居技術應運而生，智能化家電是當代社會發(fā)展的必然趨勢。智能家居目前在國內是一個新興發(fā)展的產業(yè)，它正以勢不可擋的趨勢蓬勃興起。在智能家居系統(tǒng)中，用語音識別來控制以家電為代表的產品，受到了越來越多人們的期待。語音識別技術也隨之進入大眾的視線，并開始為更多人所了解和使用。語音識別技術最終會顛覆人與家電之間的交互方式，使生活更加便捷、輕松。很多高端的智能家電使用云平臺，通過手機、平板等終端獲取家電的工作狀態(tài)與信息。但手機軟件的交互性并不令人滿意，反而使人再次被手機綁架，并且連接互聯網使人們的安全隱私、家庭信息等都存在著安全隱患。

本設計是語音識別技術中較為基本的，適合于在嵌入式平臺中實現一些簡單的語音控制功能。在本系統(tǒng)中采用STM32F103VET6作為主控制器，采集并識別語音信號。以低廉的成本、高效的算法完成了孤立詞語音識別的設計目標。

1? 語音信號分析識別算法

1.1? 端點檢測

語音信號的端點檢測是指根據能量譜線判別語音的開始位置和結束位置。判別語音段的開始位置和結束位置的問題可以簡單歸結為區(qū)別語音和噪聲的問題。但是在實際應用中，我們很難保證語音信號處于相對較高的信噪比下，僅僅根據短時平均能量來判斷語音信號的端點在信噪比較低的情況下是不可靠的。因此，這里采用的端點檢測方法是雙門限比較法，它是根據平均能量和平均過零率共同進行判別的端點檢測方法。

如圖1所示。首先，根據一段語音信號的平均能量先確定信號閾值T1，信號閾值T1與能量譜的兩側交點分別記為信號能量閾值的上限和下限，作為判斷語音信號的有限區(qū)域。接著，根據噪聲的平均能量確定閾值T2（T2

在信噪比較小的情況下，需要根據平均過零率來確定語音信號的開始位置和結束位置。通過語音信號的過零次數，確定過零閾值T3。根據由平均能量確定的開始位置和結束位置，向兩側尋找過零閾值T3與過零次數的交點，記為過零閾值的上限和下限，即可以作為信噪比較低時的語音信號的開始位置和結束位置。

3? 智能家居系統(tǒng)布局設計

智能家居系統(tǒng)使用聯網三層架構設計，其功能模塊設計包括：智能照明、智能窗戶窗簾、空氣質量檢測與凈化、智能用電、智能安全、智能溫控。

3.1? ZigBee組網和拓撲結構

為了實現智能家居控制系統(tǒng)的高實時性和穩(wěn)定性的信息傳輸，這里采用ZigBee設備作為系統(tǒng)的短距離通信技術解決方案，因為其具有組網靈活、安全性高、低功耗等優(yōu)點。ZigBee協(xié)議結構中的網絡層是控制新設備分配IP地址，管理設備的入網、離網，并為數據提供安全加密路由機制。

本設計采用網型結構，在網狀網絡中，其最大特點在于，如果處在對方的無線覆蓋范圍內，任何路由器之間都是可以相互通信的，并且網絡結構復雜。設備之間的通信鏈路存在多條路徑，數據傳輸時可以選擇最優(yōu)路徑，縮短時延。網狀結構具有較強的健壯性。網絡中的所有節(jié)點均具有路由功能，為節(jié)點之間的通信提供了更多的路徑選擇方案，每個節(jié)點有兩條以上的路徑連接到目的節(jié)點。網絡中每個節(jié)點可與其通信距離之內的相鄰節(jié)點直接通信;也可進行間接通信，通過中間路由節(jié)點轉發(fā)，實現數據遠距離傳輸，在當前路徑中某個節(jié)點出現故障時，數據就可以選擇其他暢通的路徑進行傳輸，確保數據傳輸的穩(wěn)定和可靠。

3.2? 感知層

感知層用到的主要傳感器：無線平移開窗器、風雨傳感器、光照傳感器、漏水檢測器、二氧化碳傳感器、溫控傳感器、空氣傳感器、智能開關、智能插座。

3.3? 應用層

應用層主要完成數據的采集分析和設備的控制功能，數據采集與數據分析是對數據進行實時采集與處理;控制模塊是根據采集的信息進行相關設備控制操作。

以STM32為中心控制單元，通過各個傳感器采集信息，將數據通過ZigBee采集處理，并通過協(xié)調器與STM32進行通信，實現對各個智能家居工作情況的反饋。同時，用戶可以通過語音來操作家居設備，實現實時監(jiān)測與實時操作的目的。

4? 結? 論

STM32不僅對用戶的語音指令進行分析，識別正確率超過85%，并收集ZigBee終端節(jié)點所監(jiān)測的家庭信息，以及對其進行語音控制。在后面的研究中，需要對系統(tǒng)的語音庫進一步擴大與豐富。一方面，解決不同人的不同說話方式所產生的未識別或者錯誤識別;另一方面，進一步增強系統(tǒng)與人的語音交互性，豐富反饋的語音。

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作者簡介：楊凡（1996.01-），男，漢族，江蘇淮安人，學生，工程學士，研究方向：電路與系統(tǒng);通訊作者：李曙英（1960.09-），女，漢族，江蘇常州人，副教授，工程碩士，研究方向：物聯網工程。