基于語音識別的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳希祥，黃 伍，李德英

（湖南信息學(xué)院 電子科學(xué)與工程學(xué)院，長沙410007）

人們生活節(jié)奏越來越快，時(shí)間的合理有效利用成為人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)的迅速發(fā)展，家居系統(tǒng)智能化、信息化、數(shù)字化帶來方便的同時(shí)，為使用者提供了更優(yōu)質(zhì)的生活體驗(yàn)，具有良好的發(fā)展前景與廣闊的應(yīng)用市場[1]。

智能家居[2-3]的起源可以追溯到上世紀(jì)80年代的美國，隨后在歐美及日韓、新加坡等亞洲發(fā)達(dá)國家流行，目前已取得較豐富的研究成果[4-5]。智能家居進(jìn)入我國的時(shí)間較短、起步較晚[6]，隨著我國移動(dòng)通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、智能技術(shù)的不斷發(fā)展和突破創(chuàng)新，智能家居發(fā)展非常迅速。無線通訊技術(shù)、總線技術(shù)、綜合布線技術(shù)、以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[7-8]推進(jìn)了智能家居與物聯(lián)網(wǎng)之間的融合發(fā)展。

語音識別技術(shù)高效快捷、舒適方便，能夠很好地幫助人們將復(fù)雜繁瑣的生活簡單化，給人們帶來更舒適的居家體驗(yàn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)不斷發(fā)展，以智能音箱為代表的智能產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于家居生活，語音交互逐漸成為下一代人機(jī)交互模式[10-12]。近年來國內(nèi)外對語音控制技術(shù)進(jìn)行了研究，且已取得很多成就[13-14]。文章基于STM32 單片機(jī)，使用語音識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)家居系統(tǒng)智能控制。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)以家庭環(huán)境為依托，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)以及智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)家居智能化監(jiān)控和管理。本文以STM32 單片機(jī)為控制核心，基于LD3320 語音識別芯片實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，針對家居設(shè)備設(shè)計(jì)智能化嵌入式控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上由硬件和軟件兩部分組成，實(shí)現(xiàn)照明電燈、窗簾和熱水器等典型家居設(shè)備的智能控制，如圖1 所示。

圖1 語音識別控制模塊框圖Fig.1 Block diagram of speech recognition control

在控制方式上主要采用語音采集與識別控制，主要過程如下：

（1）語音指令設(shè)置和修改：通過程序設(shè)計(jì)，對所使用的用戶語音指令關(guān)鍵詞進(jìn)行預(yù)先設(shè)置與修改，作為觸發(fā)語音識別芯片的一級語音指令。

（2）家居系統(tǒng)語音識別控制：用戶發(fā)出語音信號作為二級語音控制指令，LD3320 語音識別芯片檢測信號，進(jìn)行特征提取和關(guān)鍵詞匹配、頻譜分析，正確識別語音指令、數(shù)據(jù)處理后傳送給單片機(jī)，由單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)的控制指令給終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)家居系統(tǒng)語音控制，如圖2 所示。

圖2 語音識別流程圖Fig.2 Speech recognition flow chart

2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

智能控制系統(tǒng)主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、語音識別電路及相應(yīng)的外圍接口電路等。

2.1 STM32 單片機(jī)最小系統(tǒng)

選用STM32F103C8T6 芯片做為主控制器，最小系設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，包括系統(tǒng)電源、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等幾個(gè)部分。

（1）電源電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)工作電壓為2～3.6 V，由外部提供5 V 直流電源，通過AMS1117 電壓轉(zhuǎn)換芯片，以3.3 V 作為單片機(jī)供電電源，電源電路如圖3 所示。

圖3 電源電路Fig.3 Power circuit

（2）時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

STM32 內(nèi)部有5 個(gè)時(shí)鐘源，只需考慮外部時(shí)鐘設(shè)計(jì)，即外部高速時(shí)鐘和外部低速時(shí)鐘，選擇8 MHz頻率的外部高速晶振源提供給內(nèi)部時(shí)鐘，選擇頻率為32.768 kHz 的外部低速晶振源提供給實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。時(shí)鐘電路如圖4 所示。

圖4 時(shí)鐘電路Fig.4 Clock circuit

（3）復(fù)位電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)復(fù)位方式有兩種，一是上電復(fù)位，由串聯(lián)電阻以及并聯(lián)電容構(gòu)成，系統(tǒng)上電，電容使復(fù)位引腳為低電平；電容充電完成后，拉高電平，復(fù)位完成。上電復(fù)位為系統(tǒng)主要復(fù)位方式。二是按鍵復(fù)位，系統(tǒng)利用復(fù)位引腳連接按鍵實(shí)現(xiàn)復(fù)位。當(dāng)按鍵被按下時(shí)，復(fù)位引腳電平被拉低，系統(tǒng)復(fù)位；按鍵彈起，復(fù)位引腳電平拉高。復(fù)位電路如圖5 所示。

圖5 復(fù)位電路Fig.5 Reset circuit

2.2 語音識別模塊設(shè)計(jì)

采用LD3320 語音識別芯片作為語音控制處理核心，它具有強(qiáng)大的語音識別特征庫，識別功能靈敏、短距離內(nèi)識別誤差小。LD3320 內(nèi)部有8 個(gè)數(shù)據(jù)傳輸接口P0～P7，且集成一塊單片機(jī)芯片；語音信號采集并進(jìn)行處理后，通過串口方式與單片機(jī)P0.0～P0.7 相連 實(shí) 現(xiàn)數(shù) 據(jù)通 訊；P3.5～P3.7 分別與RST、WR、RD 等控制信號端連接，P4.3 與MD 端連接，采用10K 的上拉電阻； 系統(tǒng)電路原理如圖6 所示，實(shí)物如圖7 所示。

圖6 語音信號采集識別電路Fig.6 Speech signal acquisition and recognition circuit

圖7 控制系統(tǒng)硬件圖Fig.7 Hardware diagram of control system

2.3 智能家居控制模塊設(shè)計(jì)

在家居系統(tǒng)控制中，系統(tǒng)上電后首先對LD3320芯片進(jìn)行初始化，包括單片機(jī)SPI、GPIO 引腳、片內(nèi)時(shí)鐘、定時(shí)器以及對各個(gè)引腳端的初始化和配置。其次，系統(tǒng)通過LD3320 語音識別芯片采集并識別用戶發(fā)出的一級語音觸發(fā)指令及二級語音控制指令，將語音指令進(jìn)行處理后傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)送控制指令給相應(yīng)的家居設(shè)備，實(shí)現(xiàn)語音控制。當(dāng)系統(tǒng)接收到一級觸發(fā)指令“小智”時(shí)，進(jìn)入預(yù)備狀態(tài)，等待二級語音控制指令。該語音識別芯片允許用戶預(yù)設(shè)50 條識別指令，文章所設(shè)計(jì)的語音識別指令如表1 所示。

表1 語音識別指令預(yù)設(shè)Tab.1 Preset values of speech recognition instruction

單條控制指令語句字?jǐn)?shù)限制在5 個(gè)字以內(nèi)，若用戶發(fā)出的單條語句字?jǐn)?shù)過多，則字的發(fā)音，人的敘述時(shí)間等因素，影響語音指令識別準(zhǔn)確度。

（1）照明電燈開啟和關(guān)閉。燈光照明模塊由2個(gè)LED 燈模塊組成。單片機(jī)通過檢測用戶發(fā)出的語音指令，控制引腳的高低電平輸出進(jìn)而控制LED 燈狀態(tài)。當(dāng)識別到二級指令“開客廳燈”語句時(shí)，語音識別芯片觸發(fā)，單片機(jī)引腳輸出高電平信號，二極管正向?qū)ǎ琇ED 點(diǎn)亮；當(dāng)識別到“關(guān)客廳燈”指令時(shí)，語音識別芯片觸發(fā)，單片機(jī)引腳輸出低電平信號，二極管反向電流截止，LED 熄滅。

（2）智能窗簾智能卷合。當(dāng)用戶發(fā)出“開窗簾”或者“關(guān)窗簾”的二級語音控制指令時(shí)，語音識別芯片便對語音識別信號進(jìn)行處理并傳送到單片機(jī)，經(jīng)L298N 驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，從而控制窗簾的開啟和關(guān)閉。

（3）熱水器開啟和關(guān)閉。當(dāng)用戶發(fā)出二級語音指令“打開熱水器”，單片機(jī)引腳PA1 輸出高電平，控制繼電器的PIN 端，使繼電器光電耦合閉合，打開熱水器開關(guān)；當(dāng)用戶發(fā)出二級語音指令“關(guān)閉熱水器”，PA1 輸出低電平，繼電器光電隔離斷開，熱水器關(guān)閉。

3 系統(tǒng)調(diào)試與仿真驗(yàn)證

3.1 一級語音指令識別能力測試

對系統(tǒng)上電，發(fā)送“小智”的語音指令，藍(lán)燈亮起，語音識別模式觸發(fā)，開始進(jìn)入二級語音指令檢測與識別狀態(tài)；發(fā)送“小白”指令，無反應(yīng)。若16 s 內(nèi)無二級指令，藍(lán)燈熄滅，語音識別模式關(guān)閉。

3.2 語音控制指令識別能力測試

（1）語音指令測試：通過設(shè)定幾組不同的語音指令，分為短字符串長度和長字符串長度語音指令，分別對這些語音指令進(jìn)行檢測，觀察并判斷系統(tǒng)對語音指令長短的處理能力，結(jié)果如表2 所示。

表2 長、短語音指令識別能力測試Tab.2 Identification ability test of long and short speech instructions

經(jīng)過對10 組不同長語音指令、短語音指令識別測試可以看出，語音的長短對識別準(zhǔn)確率有較明顯的影響，長指令語音識別的能力較弱，有一定識別誤差，甚至得不到響應(yīng)。而對于短指令，語音識別的效率和能力都非常有效。

（2）距離測試：通過在室內(nèi)5 個(gè)不同距離的地點(diǎn)，發(fā)送相同的語音指令，檢測不同距離對二級語音控制指令的檢查與識別能力的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 語音識別距離測試Tab.3 Speech recognition distance test

通過數(shù)據(jù)可以看出，離主控制器越遠(yuǎn)，識別的能力越弱，甚至出現(xiàn)監(jiān)測、識別不了的情況，而在語音識別芯片的允許范圍0～15 m 內(nèi)，可滿足正常住宅控制距離范圍。

最后對所設(shè)計(jì)的家居智能控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合測試，結(jié)果如表4 所示，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)語音遠(yuǎn)程智能控制。

表4 智能家居系統(tǒng)語音控制功能測試Tab.4 Speech control function test of smart home control system

4 結(jié)語

綜合考慮成本和工作效率，設(shè)計(jì)基于語音識別的家居智能控制系統(tǒng)，支持非特定人語音識別（ASR），采用雙重口令語音識別控制，提升了語音的使用范圍。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)功能正常運(yùn)行，語音識別芯片的識別率已經(jīng)能夠達(dá)到95%，操作方便，具有較好的人機(jī)交互能力，可修改、可編程，實(shí)現(xiàn)家居系統(tǒng)控制的嵌入式、小型化。

隨著5G 和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，萬物互聯(lián)都變?yōu)榭赡?，智能家居改善用戶的生活環(huán)境、增強(qiáng)人的生活體驗(yàn)，具有非常大的研究與應(yīng)用空間。特別是圖像識別及自然語言處理等人工智能技術(shù)與算法的不斷發(fā)展，家居系統(tǒng)智能化控制提供更優(yōu)化解決方案，為不同用戶提供個(gè)性化的智能產(chǎn)品與服務(wù)。