基于語音識別技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計

胡宇翔 陳嘉馨 鐘海輝

摘 要：在科技不斷飛速發(fā)展的時代背景下，傳統(tǒng)家居必然會走上智能化和科技化的道路[1]。傳統(tǒng)的家居設(shè)備需要通過人工一一進(jìn)行開啟或者關(guān)閉工作，而現(xiàn)代家居設(shè)備數(shù)量越來越多，種類也越加繁多，當(dāng)用戶回到家中時，勞累的身體還需要對這些家居設(shè)備一一進(jìn)行操作，加重了身體的負(fù)擔(dān)，傳統(tǒng)的模式已經(jīng)不能夠滿足人們的需求，在這樣的背景下，智能家居的產(chǎn)生很好的解決了這個問題[2]。那么如何通過方便快捷的辦法控制智能家居便擺在我們面前，基于語音識別技術(shù)的不斷進(jìn)步和提高，使用語音識別技術(shù)，利用MIT語音服務(wù)器完成對語音信號的特征提取和識別過程，控制智能家居，這便是本文設(shè)計的一個方案。

關(guān)鍵詞：智能家居;語音識別;控制系統(tǒng)

1 語音信號方案

1.1 語音信號預(yù)處理

對語音信號進(jìn)行預(yù)處理指的是通過各種手段對原始的語音信號加工處理，由于在家居環(huán)境中，主人說話的聲音比較小，因此有時候會在軟件設(shè)計時加入語音增強(qiáng)模塊，防止因?yàn)樵肼曔^大而掩蓋了原始的真實(shí)語音信號。其次還需要對語音信號進(jìn)行預(yù)加重處理，這是因?yàn)楫?dāng)語音信號的頻率超過800赫茲時，信號會出現(xiàn)嚴(yán)重的衰減，為了使得信號不失真，就必須對語音信號進(jìn)行預(yù)加重處理，使得信號在高頻率部分變得平坦，便于后來的頻譜分析。因?yàn)檎Z音信號會因?yàn)槁曊{(diào)生澀等的不同而發(fā)生變化，為了解決這個問題，還需要對語音信號進(jìn)行加窗分幀，使信號盡量保持平穩(wěn)的狀態(tài)，方便進(jìn)行頻譜分析。

1.2 語音信號特征提取

語音信號的特征提取在語音識別技術(shù)中是一個關(guān)鍵點(diǎn)，通過對特征的提取能夠有效的識別人物信息。對于大部分語音信號一般都處于低頻帶，但是仍舊有部分語音信號處于高頻帶，后者很容易受到噪聲的干擾，因此需要采取一定的手段對高頻信號進(jìn)行濾除，增加語音信號的抗噪能力。常用的語音信號特征提取方法是梅爾頻率倒譜系數(shù)分析法，本文也將采取這種方法對語音信號進(jìn)行了特征提取。

1.3 模式匹配及識別算法

語音識別的另外一個模塊是進(jìn)行模式匹配，模式匹配的目的是將人的語音信息和語言庫中的文字信息進(jìn)行匹配，從而將翻譯過來的文字信息傳入到主控芯片控制目標(biāo)完成某項(xiàng)功能?，F(xiàn)代常用的模式匹配方法是HMM算法，本人也將采取這種算法完成對語音信號的模式匹配和識別。

2 系統(tǒng)設(shè)計與分析

2.1 語音控制模塊設(shè)計

首先需要明確本文語音模塊完成的功能，即需要在手機(jī)客戶端準(zhǔn)確識別出語音指令，完成對家居設(shè)備的控制?；诖?，本文設(shè)計采用MIT語音識別服務(wù)器完成這項(xiàng)功能，這個服務(wù)器能很好的識別中文語音信號。在采集完語音信號之后，該服務(wù)器需要對語音信號進(jìn)行預(yù)處理，提取特征信息，建立語音模型。相較于其他語音服務(wù)器，MIT具有較高的識別準(zhǔn)確率，能夠?qū)τ⒄Z、漢語和日語三種語音進(jìn)行識別。

在設(shè)計之前，需要了解MIT語音信號的底層結(jié)構(gòu)。MIT語音處理器在識別語音信號時可以分為三個層次，分別是音節(jié)、詞匯和語義。由于MIT語音處理器幾乎涵蓋了所有的中文音節(jié)信息，因此當(dāng)人類在發(fā)出基本的音節(jié)乃至連詞變音時都能夠精準(zhǔn)的識別，識別之后根據(jù)特定的算法翻譯成詞匯輸入到系統(tǒng)后臺中。接著下一步就是對詞匯的識別，對詞匯進(jìn)行解析。解析完成之后，就會將解析得到的計算機(jī)語言傳遞到后臺由手機(jī)下達(dá)指令。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計

考慮到本文的設(shè)計環(huán)境中家居設(shè)備可以會發(fā)生移動，因此網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系可能有所變化，因此本文選擇AODV路由算法實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境中的傳感器網(wǎng)絡(luò)搭建。該路由協(xié)議的特點(diǎn)是一事一辦，當(dāng)路由建立完成之后，只要居家設(shè)備不發(fā)生移動，后續(xù)的指令傳達(dá)路徑便會按照原先的路由進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。而如果當(dāng)家居設(shè)備移動或者發(fā)生斷電情況后，那么網(wǎng)絡(luò)內(nèi)就會重新建立起路由，時刻保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)臅惩ā?/p>

2.3 控制家居模塊設(shè)計

在本文的設(shè)計方案中，手機(jī)客戶端能夠與家居設(shè)備控制器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，而家居設(shè)備控制器能夠與每一個家居設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。在同一個家庭無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，手機(jī)客戶端控制家居設(shè)備首先是將控制指令傳達(dá)給家居設(shè)備控制器，控制器的信號接收裝置在收到信息后對其進(jìn)行解析，再將此命令向下傳達(dá)給家居設(shè)備，最終完成用戶想要實(shí)現(xiàn)的操作指令。該設(shè)計方案是基于手機(jī)客戶端與控制器之間的網(wǎng)絡(luò)為4G網(wǎng)絡(luò)搭建的，家居設(shè)備控制器與每一個家居設(shè)備之間仍舊是以無線網(wǎng)絡(luò)連接。在控制器上有安裝一個4G上網(wǎng)卡，手機(jī)客戶端控制家居設(shè)備首先是通過4G網(wǎng)絡(luò)將控制指令傳達(dá)給家居設(shè)備控制器，控制器的信號接收裝置在收到信息后對其進(jìn)行解析，再將此命令向下傳達(dá)給家居設(shè)備，最終完成用戶想要實(shí)現(xiàn)的操作指令，這種方式一般用于遠(yuǎn)程控制。同時，本設(shè)計的方案能夠?qū)崿F(xiàn)的功能包括控制燈亮滅等等。

2.4 核心模塊軟件設(shè)計

本文的智能終端模塊也就是控制家具模塊主要是由手機(jī)端完成，并在手機(jī)端安裝好語音控制軟件，由于一個家庭環(huán)境中往往包括多個家居設(shè)備，因此手機(jī)端需要控制多個節(jié)點(diǎn)。為了解決這個問題，首先將數(shù)據(jù)包傳遞給家居環(huán)境中的主控中心，控制中心將數(shù)據(jù)標(biāo)分解之后，再根據(jù)指令傳遞給特定的家居設(shè)備，從而完成對家居設(shè)備的控制。在這個數(shù)據(jù)包中包含三個內(nèi)容，首先是節(jié)點(diǎn)地址，其次是家電類型，最后是需要傳達(dá)的控制命令，即手機(jī)客戶端翻譯出來的語音信息。

3 結(jié)語

本方案是基于語音識別技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)，通過客戶端的語音信息，完成對智能家居的控制，讓家居設(shè)備更加智能化，利用MIT語音服務(wù)器完成對語音信號的特征提取和識別過程，并且該服務(wù)器內(nèi)有自動的高頻噪聲濾波器，防止聲音信號發(fā)生失真現(xiàn)象。其次Zigbee模塊完成了數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，能夠在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漭^為穩(wěn)定的家居環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的傳輸，消耗的功率降低，成本也較低。

參考文獻(xiàn)：

[1]?？桑瑥埆?智能家居語音識別通用語音AI云平臺的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].2019.

[2]凌賢鵬，李綻蕾.基于智能語音的智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J].2019.

作者簡介：胡宇翔（1996-），男，浙江東陽人，本科，研究方向：信息與計算科學(xué)。