基于鴻蒙OpenHarmony的語音識別控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

王浩

關鍵詞：OpenHarmony;語音識別;智能家居

中圖分類號：TP323 文獻標志碼：A

0 引言（Introduction）

隨著鴻蒙OpenHarmony開源操作系統(tǒng)和智能語音技術的飛速發(fā)展，基于鴻蒙OpenHarmony操作系統(tǒng)的智能家居產(chǎn)業(yè)對家庭內(nèi)部智能化控制開發(fā)和應用不斷加大力度。OpenHarmony采用開源的方式實現(xiàn)一個面向全場景、全連接和全智能的終端設備操作系統(tǒng)的框架和平臺，可以支持各類設備的系統(tǒng)。為了能適應各種硬件，OpenHarmony提供了如LiteOS、Linux的不同內(nèi)核，并基于這些內(nèi)核形成不同的系統(tǒng)類型，其中包括面向MCU類處理器的輕量級操作系統(tǒng)，主要采用LiteOS-M 內(nèi)核，它是面向IoT領域構建的輕量級物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核，具有小體積、低功耗、高性能的特點[1]。這種輕量級操作系統(tǒng)的代碼結(jié)構簡單，主要包括內(nèi)核最小功能集、內(nèi)核抽象層、可選組件以及工程目錄等，同時在這些系統(tǒng)中構建了一套統(tǒng)一的系統(tǒng)能力[2]。本文提出一個基于 Hi3861V100核心處理器的Hi-12F模塊，搭載鴻蒙OpenHarmony輕量級操作系統(tǒng)，通過串口方式連接低功耗高性能的ASRPRO語音識別模組，快速實現(xiàn)語音交互及控制方案。通過將語音識別技術應用于智能家居系統(tǒng)中，能極大地方便用戶對家中電器設備的控制，創(chuàng)造更加舒適的家庭生活。

1 總體設計（Overall design）

本系統(tǒng)主要由Hi-12F通信模組、ASRPRO 語音識別模組、TTL轉(zhuǎn)USB串口模塊、風扇控制模塊、MIC麥克風模塊和揚聲器模塊組成，其中Hi-12F通信模組和ASRPRO語音識別模組通過串口通信完成數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)處理。首先，ASRPRO語音識別模組通過麥克風模塊采集用戶發(fā)出的語音控制風扇設備命令，在對聲音進行分析后能從“命令列表”匹配出最接近的命令，通過揚聲器模塊提示用戶已識別語音命令，接著進行語音識別轉(zhuǎn)換處理，將每條語音指令轉(zhuǎn)換成對應的文本字符串，以此達到語音識別的功能。其次，通過串口將風扇控制命令的字符串發(fā)送給Hi-12F通信模組，Hi-12F通信模組搭載鴻蒙OpenHarmony輕量級操作系統(tǒng)之后，通過應用層串口通信函數(shù)接收控制風扇命令字符串，對連接Hi-12F通信模組IO引腳的風扇設備進行控制，實現(xiàn)對風扇的開啟或者關閉功能，系統(tǒng)的整體架構如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設計（Hardware design of the system）

2.1 鴻蒙OpenHarmony硬件設計

對于能搭載和支持鴻蒙OpenHarmony輕量級操作系統(tǒng)的硬件電路主要是面向MCU類處理器，例如Arm Cortex-M、RISC-V 32位的設備，其硬件資源極其有限，支持的設備最小內(nèi)存為128 kB，并可以提供多種輕量級網(wǎng)絡協(xié)議、輕量級的圖形框架以及豐富的IOT總線讀寫部件等[3]。本文采用Hi-12F通信模組，該模組已獲得了鴻蒙HarmonyOS Connect的生態(tài)模組技術認證，可以快速地將智能產(chǎn)品接入華為鴻蒙生態(tài)，以便幫助開發(fā)者提供開放、易用的開發(fā)和調(diào)試運行環(huán)境。

Hi-12F模塊搭載Hi3861V100核心處理器芯片，該芯片是一款高度集成的2.4 GHz 低功耗SoC WiFi芯片，集成IEEE802.11b/g/n基帶和射頻（Radio Frequency，RF）電路。Hi-12F模塊的Hi3861V100芯片同時集成高性能32 bit微處理器、硬件安全引擎以及豐富的外設接口，外設接口包括SPI、UART、I2C、PWM、GPIO和多路ADC芯片，同時支持高速SDIO2.0Slave接口，最高時鐘可達50 MHz[4];芯片內(nèi)置靜態(tài)隨機存取存儲器（Static Random-Access Memory， SRAM）和閃存（FlashMemory），可獨立運行，并支持在 Flash Memory上運行程序[5]。IO03引腳和IO04引腳分別連接到USB轉(zhuǎn)串口模塊（CH340C模塊）的RX引腳和TX引腳，一旦按下PWR引腳上的按鍵，就可以將PC端的OpenHarmony輕量級操作系統(tǒng)編譯完成的bin文件通過D+引腳和D-引腳傳輸?shù)紺H340C模塊，并最終通過TX串口和RX串口方式下載至Hi3861模塊中的Hi3861V100芯片的Flash Memory中。

2.2 風扇控制設計

為了能夠通過OpenHarmony硬件電路驅(qū)動大功率的風扇設備運行，需要將OpenHarmony硬件電路模塊的GPIO2引腳與直流電機L9110S驅(qū)動芯片相連，L9110S芯片內(nèi)部集成“H”橋電路，是一個可以直接驅(qū)動直流有刷電機的芯片，VCC電源電壓工作在2.2～6.5 V，輸出的電流最大支持200 mA。本文只需要將風扇的兩端連接芯片的OA引腳和OB引腳，它的兩個輸出端能直接驅(qū)動直流風扇電機的運行和停止。

2.3 語音識別采集模塊設計

語音識別采集模塊選用ASRPRO語音識別芯片，它是針對低成本離線語音應用方案開發(fā)的一款通用、便攜、低功耗高性能的語音識別模組，其內(nèi)置神經(jīng)網(wǎng)絡處理器，能支持DNN、TDNN及RNN等神經(jīng)網(wǎng)絡及卷積運算，具備強勁的回聲消除和環(huán)境噪聲抑制能力，模塊主芯片支持離線神經(jīng)網(wǎng)絡計算，ASRPRO語音識別模組的MIC+引腳和MIC-引腳連接麥克風模塊進行語音數(shù)據(jù)采集，并將語音數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)置神經(jīng)網(wǎng)絡處理器進行卷積運算，實現(xiàn)語音識別轉(zhuǎn)換為文本字符串，ASRPRO 語音識別模組的PA6 和PA5 分別連接OpenHarmony硬件電路中的IO06引腳和IO05引腳，實現(xiàn)將文本字符串通過串口發(fā)送至Hi-12F模塊，并最終完成對風扇的控制功能。

3 系統(tǒng)的軟件設計（Software design of the system）

3.1 OpenHarmony 輕量級操作系統(tǒng)應用開發(fā)環(huán)境搭建

首先，系統(tǒng)采用虛擬機環(huán)境下基于Linux環(huán)境的Ubuntu操作系統(tǒng)作為編譯服務器，而應用層的功能代碼編寫需要在Windows環(huán)境下的VSCode編輯器中進行，因此需要將獲取的鴻蒙OpenHarmony輕量級操作系統(tǒng)源碼通過共享文件夾方式映射到Windows平臺上進行編寫[6]。其次，將VSCode編輯器中編輯完成的功能代碼映射回虛擬機環(huán)境下的Ubuntu進行編譯，編譯成功之后會生成.bin的二進制文件。最后，使用華為海思Hi3861芯片的專用燒寫工具HiBurn，通過串口方式燒寫至Hi-12F模塊中，OpenHarmony輕量級操作系統(tǒng)應用開發(fā)流程如圖2所示。一旦OpenHarmony輕量級操作系統(tǒng)鏡像燒寫完成后，按下Hi-12F 模塊的復位鍵就可以啟動OpenHarmony輕量級操作系統(tǒng)運行，并可以通過PC端串口調(diào)試助手與OpenHarmony硬件電路進行串口通信。

這里的鴻蒙OpenHarmony輕量級操作系統(tǒng)是按照“系統(tǒng)（子系統(tǒng)集）—子系統(tǒng)（Subsystem）—組件/模塊（Component）”逐次展開的，其中一個組件/模塊（Component）也可以進一步分成若干個Feature[11]。本文中，由源程序uart_example.c生成的靜態(tài)庫B6_YUYIN_uart就被作為一個feature加入名為app的Component 中，app 的Component 又是在子系統(tǒng)applications中。BUILD.gn文件內(nèi)容幫助編譯構建子系統(tǒng)對一個模塊的構建[12]。

4 系統(tǒng)測試（System testing）

當系統(tǒng)軟硬件設計完成后，首先將硬件模塊組裝集成后放置在家居環(huán)境中，給系統(tǒng)上電，這時可以通過ASRPRO語音識別模組連接的MIC麥克風進行語音數(shù)據(jù)采集;其次通過語音識別轉(zhuǎn)換成對應的控制風扇的字符串命令數(shù)據(jù)，以串口方式將數(shù)據(jù)傳輸至包含OpenHarmony輕量級操作系統(tǒng)的Hi-12F模塊中;最后通過GPIO02引腳完成高低電平的控制，實現(xiàn)對風扇的轉(zhuǎn)動和停止操作。

5 結(jié)論（Conclusion）

本文設計了一種基于鴻蒙Openharmony的語音識別風扇控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以Hi-12F模塊搭載華為海思Hi3861V100核心處理器芯片作為核心設計，通過構建和編程OpenHarmony語音識別控制工程中應用層功能代碼以及編寫B(tài)UILD.gn文件，指示編譯構建子系統(tǒng)構建一個Feature，以及將Feature加入Component中構建一個新的Component[13]。把Component加入Subsystem中，讓Subsystem參與整個鴻蒙系統(tǒng)的構建，實現(xiàn)了與ASRPRO語音識別模組的數(shù)據(jù)交互，達到了精準的語音識別控制功能，發(fā)揮了鴻蒙國產(chǎn)操作系統(tǒng)的技術特點和優(yōu)勢，解決了目前智能家居中普遍存在的安全性和效率低及舒適性差的問題，為用戶帶來全新的智能家居控制新體驗。

作者簡介：

王 浩（1971-），男，碩士，副教授。研究領域：物聯(lián)網(wǎng)工程應用研究。