基于語(yǔ)音識(shí)別的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫全寶

摘 要：目前我國(guó)市場(chǎng)上的智能家居產(chǎn)品已經(jīng)越來(lái)越多，各種產(chǎn)品樣式層出不窮，但卻沒(méi)有一套完整的具有劃時(shí)代意義的智能家居產(chǎn)品。針對(duì)這一現(xiàn)象，設(shè)計(jì)一款基于語(yǔ)音識(shí)別的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)的語(yǔ)音識(shí)別采用百度AI開(kāi)放平臺(tái)的語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，系統(tǒng)的管理后臺(tái)采用Java語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能符合預(yù)期，能夠通過(guò)APP、Web頁(yè)面和微信小程序方便地進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別并對(duì)家庭設(shè)備進(jìn)行語(yǔ)音控制。

關(guān)鍵詞：智能家居;語(yǔ)音識(shí)別;系統(tǒng)設(shè)計(jì);Java;微信小程序;語(yǔ)音控制

中圖分類號(hào)：TP391.42文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）07-0-02

0 引 言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)力的不斷提升，人們?cè)絹?lái)越注重生活品質(zhì)，由此智能家居產(chǎn)品逐漸走入大眾的視線。例如，在家居產(chǎn)品中掃地機(jī)器人可以幫助人們清潔家中的衛(wèi)生，不僅方便快捷，還能節(jié)約人們的寶貴時(shí)間。智能家居的發(fā)展越來(lái)越依賴于人機(jī)交互，從而使用語(yǔ)音識(shí)別操控家居產(chǎn)品的技術(shù)必定會(huì)成為研究的熱點(diǎn)[1-5]。

本文采用百度AI開(kāi)放平臺(tái)的語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，設(shè)計(jì)一套基于語(yǔ)音識(shí)別的智能家居系統(tǒng)。此系統(tǒng)的管理后臺(tái)采用當(dāng)前流行的Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，用戶可以通過(guò)手機(jī)APP、PC端的Web頁(yè)面或者微信小程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)家居產(chǎn)品中燈、空調(diào)、電視機(jī)、窗簾、監(jiān)控等的語(yǔ)音化控制。

1 系統(tǒng)總體框架

本智能家居系統(tǒng)共包括各種家庭設(shè)備、主控裝置（家庭網(wǎng)關(guān)）、系統(tǒng)管理后臺(tái)、百度AI語(yǔ)音識(shí)別模塊和用戶交互界面等五部分。其系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)租用騰訊云作為Web服務(wù)器，把系統(tǒng)管理后臺(tái)放在騰訊的云端，保證系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。為了用戶與系統(tǒng)能更好的交互，本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)三種不同的前端，即用戶可以通過(guò)在手機(jī)上安裝定制的APP與系統(tǒng)進(jìn)行交互，也可以在PC端進(jìn)入Web頁(yè)面與系統(tǒng)進(jìn)行交互，還可以在微信上登錄定制的小程序與系統(tǒng)進(jìn)行交互。這三種方式都能對(duì)家庭設(shè)備進(jìn)行控制，也能夠查看家庭設(shè)備的狀態(tài)。家庭設(shè)備主要包括電飯煲、空調(diào)、電視、窗簾等家用電器。系統(tǒng)后臺(tái)通過(guò)百度AI開(kāi)放平臺(tái)的語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別。

2 語(yǔ)音識(shí)別與軟件模塊設(shè)計(jì)

2.1 語(yǔ)音識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

本智能家居系統(tǒng)的語(yǔ)音識(shí)別采用百度AI開(kāi)放平臺(tái)上的語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，然后根據(jù)百度開(kāi)放平臺(tái)所生成的文字來(lái)最終實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的語(yǔ)音識(shí)別。語(yǔ)音識(shí)別過(guò)程必須先通過(guò)性能優(yōu)良的語(yǔ)音采集設(shè)備采集語(yǔ)音信號(hào)，主控裝置通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)或移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將語(yǔ)音數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，服務(wù)器再將語(yǔ)音數(shù)據(jù)傳給百度開(kāi)放平臺(tái)的語(yǔ)音識(shí)別API，語(yǔ)音識(shí)別API經(jīng)過(guò)其內(nèi)部一系列的處理返回文字?jǐn)?shù)據(jù)，服務(wù)器再對(duì)文字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，之后服務(wù)器傳輸指令到智能家居的主控裝置，主控裝置再操控各種家庭設(shè)備。服務(wù)器處理文字?jǐn)?shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

服務(wù)器處理文字?jǐn)?shù)據(jù)的過(guò)程如下：

（1）通過(guò)百度語(yǔ)音識(shí)別后傳過(guò)來(lái)的文字，先去掉根本不可能出現(xiàn)的字、亂碼，以及操控智能家居產(chǎn)品中根本不可能出現(xiàn)的偏僻字，最后將剩余的文字使用全文搜索solr技術(shù)進(jìn)行分詞。本系統(tǒng)在其solr技術(shù)的基礎(chǔ)上加入具有中國(guó)特色的中文分詞器，還根據(jù)solr的可拓展性，加入一些自己定義的有關(guān)智能家居產(chǎn)品的詞語(yǔ)，以擴(kuò)展solr全文分詞器對(duì)智能家居產(chǎn)品的分詞能力。最后達(dá)到提高智能語(yǔ)音識(shí)別成功率的目的。

（2）對(duì)比步驟（1）中solr技術(shù)所分成的詞語(yǔ)與數(shù)據(jù)庫(kù)中所設(shè)置好的開(kāi)始問(wèn)候語(yǔ)（喚醒智能家居設(shè)備的關(guān)鍵字），判斷當(dāng)前識(shí)別的詞語(yǔ)中是否存在已經(jīng)設(shè)置好的開(kāi)始問(wèn)候語(yǔ)，如果比對(duì)成功則進(jìn)入下一階段，否則將這段文字拋棄，不做任何指令操作。使用者可以自定義開(kāi)始問(wèn)候語(yǔ)，這樣可以提高本系統(tǒng)喚醒的可拓展性。

（3）把問(wèn)候語(yǔ)之后的詞語(yǔ)與數(shù)據(jù)庫(kù)指令詞語(yǔ)先進(jìn)行精確對(duì)比，如果可以精確匹配，即詞語(yǔ)與指令詞語(yǔ)對(duì)比一模一樣，則發(fā)送指令操控家居設(shè)備，進(jìn)入步驟（4）操作。如果精確對(duì)比沒(méi)有所包含的指令詞語(yǔ)，再進(jìn)行模糊對(duì)比，從中選擇出相對(duì)率最為合適的指令，即進(jìn)行第二次判斷，通過(guò)前端界面詢問(wèn)使用者是否進(jìn)行該條相對(duì)率最高的指令。如果使用者回復(fù)為“是”（即在交互界面點(diǎn)擊“確定”按鈕），則進(jìn)行對(duì)應(yīng)的指令操控，即進(jìn)入步驟（4）操作;如果使用者回復(fù)為“不是”（即在交互界面點(diǎn)擊“否”按鈕），則不進(jìn)行任何指令操控。

（4）指令執(zhí)行階段，通過(guò)步驟（3）一系列的指令判斷后，就實(shí)現(xiàn)了使用語(yǔ)音識(shí)別對(duì)智能家居產(chǎn)品的操控。

2.2 軟件模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 采用技術(shù)

本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了三種類型的前端用戶交互界面：手機(jī)APP、PC端的Web頁(yè)面和微信小程序。手機(jī)APP采用Android技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，能夠自適應(yīng)各種品牌和型號(hào)的手機(jī);PC端的Web頁(yè)面采用H5技術(shù)，并使用Bootstrap框架完成;微信小程序的前端開(kāi)發(fā)采用H5技術(shù)、CSS和JavaScript技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

系統(tǒng)的管理后臺(tái)采用SpringBoot進(jìn)行開(kāi)發(fā)，SpringBoot是用當(dāng)前最流行的輕量級(jí)Java框架，不僅大大簡(jiǎn)化了工程配置文件的數(shù)量和繁瑣的過(guò)程，而且還解決了框架集成過(guò)程中出現(xiàn)的依賴包版本沖突問(wèn)題。

2.2.2 系統(tǒng)后臺(tái)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的后臺(tái)包括用戶管理和設(shè)備管理兩大功能模塊，并對(duì)這兩個(gè)功能模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

用戶管理模塊主要包括對(duì)家庭用戶信息的一些基本操作，包括用戶信息的增加、刪除、修改和查詢等操作;而系統(tǒng)的后臺(tái)主要是對(duì)家庭設(shè)備的管理，包括家庭設(shè)備的狀態(tài)查詢、電量顯示、定時(shí)設(shè)置，以及對(duì)家庭設(shè)備信息的增加、刪除、修改、查詢等操作。系統(tǒng)的后臺(tái)功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要服務(wù)于一個(gè)家庭，要存儲(chǔ)的家庭設(shè)備類型和數(shù)據(jù)量都比較小，所以選擇MySQL作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)計(jì)三個(gè)數(shù)據(jù)表來(lái)存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)，即：用戶信息表存儲(chǔ)家庭用戶的信息;設(shè)備信息表存儲(chǔ)家庭設(shè)備的信息;語(yǔ)音指令表用來(lái)存儲(chǔ)用戶語(yǔ)音指令信息。其中用戶信息見(jiàn)表1所列。

3 系統(tǒng)測(cè)試

本文使用兩個(gè)家庭用戶賬號(hào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，分別測(cè)試客廳空調(diào)、客廳燈和電飯煲等三個(gè)家庭設(shè)備的開(kāi)關(guān)操作，均能成功打開(kāi)和關(guān)閉。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2所列。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文借助百度AI開(kāi)放平臺(tái)的語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)開(kāi)發(fā)了一款智能家居系統(tǒng)，用戶可以通過(guò)手機(jī)APP，PC端Web頁(yè)面和微信小程序等三種方式對(duì)家庭設(shè)備進(jìn)行語(yǔ)音控制。系統(tǒng)的管理后臺(tái)采用當(dāng)前流行的Java框架SpringBoot進(jìn)行開(kāi)發(fā)，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)流程和效率。經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)能夠?qū)β?lián)網(wǎng)的家庭設(shè)備進(jìn)行語(yǔ)音控制，達(dá)到了預(yù)期效果。

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