基于语音识别技术的智能家居系统的设计方案

　　摘要：随着大数据、人工智能的发展，智能家居产品也随之得到发展。为满足更加舒适、安全、高效率的居家生活，提出基于语音识别技术的智能家居系统的设计方案。通过对非特定人的语音信号进行采集，经过上位机识别分析，以无线传输蓝牙设备为载体，发送语音控制指令，对家用电气实现简单控制功能。另外，对家居环境指标和门窗入户设施实时监控，确保拥有便捷高效又健康宜居的居家环境。

　　关键词：智能家居； 语音识别； 蓝牙；

　　人工智能或将引领整个信息行业的变革，是中国信息产业实现从跟跑到并跑甚至领跑转折的关键[1].于是，人工智能的发展在全社会掀起一股热潮，各行各业都加入人工智能的发展大军。随着语音识别产品的成熟，智能家居行业得到了重大变革[2].

　　家电控制方式，由上个世纪机械按键控制发展成本世纪初的红外遥控控制。前者必须用身体触碰，存在一定的安全隐患，后者虽可以远程遥控，但控制距离短，且只能直线控制，不能绕障碍物控制。对于老年人、残疾人来说，传统的家电控制方式更为不易[3].以前，居家缺乏一定的环境检测指标，家中空气质量完全依靠感觉经验，存在一定的风险。例如，天然气泄漏，一氧化碳浓度超标等。另外，传统的家居安防主要采取的方式是锁紧门窗。这种存在极大的偶然性，已经不能让人放心。外出度假，会担心家中财物的安全，不能轻松愉悦的放松心情。

　　总的来说，当下人们对智能家居系统的功能要求主要体现在以下三个方面。一是家居环境指标监测功能，提供家居环境的明亮度、温湿度、PM2.5浓度等信息；二是智能安防检测功能，实时监测门窗防盗状况，有害气体的浓度监测等，具有提示报警功能，一旦发生突发意外情况可以及时启动报警装置，有效维护住户生命财产安全；三是智能控制操作，目前主流的智能控制操作就是语音识别遥控操作，通过加入语音识别模块识别住户语音指令，遥控家用电器，增强住户生活体验[4].

　　因此设计了一种基于单片机的智能家居语音控制系统，既可以实时检测家居的环境以及安全性，又能利用语音控制指令控制家用电器，实现健康、安全、舒适的家居生活。

　　1系统介绍

　　本系统主要分为以下3个功能部分：环境检测功能模块，安防报警功能模块以及语音控制功能模块。

　　图1 系统主要组成部分

　　其中，语音控制模块由语音信号采集模块、信号处理模块、控制器模块、无线信号发送接收控制模块以及中文语音播报模块组成，主要负责语音控制信号的接收，处理，发送等语音功能。环境检测模块由温湿度传感器、PM2.5传感器、天气预报等组成，主要负责家居环境指标的实时监测。安防报警模块由有害气体检测报警、门窗防盗检测等组成，主要提供家居的安防保险保障。

　　2硬件电路

　　整个系统的硬件电路主要包括传感器输入电路，控制电路，执行机构部分三个部分。传感器输入电路部分主要包含语音识别部分LD3320语音识别芯片系统电路、温湿度传感器电路、PM2.5传感器电路、一氧化碳传感器电路等等。控制电路部分为STC公司STC89C51RC-RD单片机。执行机构部分主要包含SYN6288中文语音合成电路、报警器、电机驱动电路等。

　　传感器输入电路中，传感器模块将物理量转换成模拟电信号，经过信号的处理、滤波、放大、A/D转换后传送给控制器，控制器经过分析计算处理后，发出指令控制外围的执行设别，完成监控、显示、驱动、执行功能。

　　2.1非特定人语音识别模块设计

　　LD3320芯片是一款专用的语音识别芯片，由ICRoute公司设计生产[5].它的主要特点是节能、高效、集成化程度高。集成FLASH、RAM等，可直接实现语音识别、声音控制以及人机对话功能[6],极大地简化了语音处理，使语音识别具体化，识别率高，不必人工训练，可轻松使用，技术成熟，安全可靠。

　　LD3320芯片的工作流程：VDD,VDDIO,VDDA三路引脚接入3.3V电源，初始化。对输入的声音信号进行频谱分析，提取语音特征，写入存储器。读取存储器中的信息，匹配对应关键词语信息，从关键字列表中最配备的关键词语作为最终语音识别的结果[7].

　　2.2单片机控制器

　　STC89C51RC-RD系列单片机是STC公司推出的新一代产品，它的特点是速度快、功耗低，抗干扰能力超强[8].单片机控制器主要控制四个部分，即传感器接口、LD3320语音接口、控制执行模块和报警执行模块。其中，单片机P0口接LD3320的8位并行数据口，P1接继电器模块，P2口接传感器信号，P3接控制引脚。另外，控制器P1口外接一个SYN6288中文语音合成模块，作为语音信号的输出设备。

　　2.3无线信息传输--蓝牙通信

　　蓝牙技术[9,10]是一种无线数据和语音通信开放的全球规范，它的成本低，技术成熟，应用较广，广泛地应用在近距离的固定和移动设备通信领域。

　　本设计采用HC-05蓝牙模块，实现语音控制指令的无线发送与接收。为简化实验，采用继电器替代家用电器开关，LED替代电灯或指示灯。为防止频繁反复操作以及误操作，我们采用两级控制指令实行控制。通过串口通信，向LD3320语音芯片添加关键词，编辑一级语音指令为"小杰",二级语音指令为"打开电视"、"关闭电视"、"打开空调"、"关闭空调"等。一级语音指令优先级别高于二级语音指令。只有当一级语音指令得到相应后，二级语音指令才能接收。当发出一级语音指令"小杰",系统识别后，回应"主人，您好",LED指示灯发光。接着，发出二级语音指令"打开电视",系统识别后，回应"马上为您打开电视",继电器得电，开关闭合。执行机构执行完后，一级指令指示灯灭。如果再需要执行语音指令，需重新通过两级语音指令控制。通过对指示灯LED,继电器的模拟，较好地论证了本设计的无线传输可靠性高，语音识别性率高。

　　3结论

　　通过利用LD3320语音芯片，处理语音信息，并将处理后的信息发送给单片机控制器，经过计算分析处理后，通过蓝牙无线通信设备将控制指令发送给家用电器终端设备，实时控制，同时应用SYN6288中文语音模块播放指令。另外，通过利用各种传感器电路实现对家居环境指标实时监测，能够实时检测家居环境指标的动态数据，上传至上位机。本设计方案结构简单，系统稳定，基本满足语音识别智能家居系统的功能及要求。可应用于一般智能家居环境，提高人们的生活居住品质，也为后续的工程设计提供借鉴。

　　参考文献

　　[1]温晓君。中国发展人工智能产业的建议[J].中国经济报告，2017（3）：60-62.

　　[2] 徐静蕾。浅谈人工智能时代智能家居发展现状及前景展望[J].中国高新区，2019（1）：47.

　　[3]冯锦涛，金福文，梁超。基于单片机的语音识别智能家居控制系统设计[J].科技风，2017（17）：18.

　　[4]武斌。基于ZigBee与语音识别技术的智能家居系统设计与研究[D].中北大学，2020.

　　[5]金鑫，田犇，阙大顺。基于LD3320的语音控制系统设计实现[J].电脑与信息技术，2011,19（6）：22-25.

　　[6]洪家平。LD3320的嵌入式语音识别系统的应用[J].单片机与嵌入式系统应用，2012,12（2）：47-49.

　　[7]郝雯超，冯月芹，李春光，等。基于嵌入式平台的实用语音识别研究[J].电子器件，2018,41（1）：110-114.

　　[8]赵兴宇，李媛。单片机应用与设计：项目式教学[M].西安电子科技大学出版社，2012.

　　[9]樊锐，李茹，王绩一。蓝牙/ZigBee无线网络传输系统的设计与实现[J].计算机技术与发展，2013,23（1）：209-213.

　　[10]甘泉，胡桐逢。蓝牙技术与无线供电技术在智能家居中的应用[J].自动化与仪器仪表，2015（3）：214-216.