汪衍佳，沈 森，常文豪，宋 杰

(河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

0 引言

隨著生活水平的不斷提高，人們對于家庭住宅的理解也發(fā)生了革命性的轉(zhuǎn)變。我們希望生活在一個舒適宜人、安全便利、智能化的高品位環(huán)境中，這樣智能家居便應(yīng)運而生。將語音識別技術(shù)運用到智能家居中，能夠為智能家居系統(tǒng)提供更加人性化的操作方式。所以，探索和研究智能家居語音識別控制系統(tǒng)對于改善人類生活具有積極意義。

現(xiàn)有智能家居語音識別控制系統(tǒng)通常需要對家居設(shè)備進(jìn)行改造，使用終端軟件控制相應(yīng)設(shè)備，成本較高。本文不對傳統(tǒng)電器進(jìn)行改造，而是通過使用額外設(shè)備間接控制電器設(shè)備，即可實現(xiàn)對電器設(shè)備的控制，相較同類產(chǎn)品而言，成本較低，可擴(kuò)展性強(qiáng)，增加節(jié)點方便且易于實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)分為本地控制中心系統(tǒng)和云端控制中心系統(tǒng)，簡稱為本地系統(tǒng)和云端系統(tǒng)。

本地系統(tǒng)為搭載linux系統(tǒng)的單片機(jī)，負(fù)責(zé)語音信息預(yù)處理，并在處理后上傳傳給云端系統(tǒng)；并對云端系統(tǒng)傳下發(fā)的信息進(jìn)行處理分類后控制相應(yīng)的終端節(jié)點；同時本地系統(tǒng)還擁有一塊具有觸摸功能的TFT顯示屏，用來對整個系統(tǒng)進(jìn)行初始化以及設(shè)置相關(guān)的參數(shù)。

云端系統(tǒng)搭載linux，負(fù)責(zé)接收本地系統(tǒng)上傳的語音信號，并將語音信號與云端的命令詞庫相匹配，將最佳的結(jié)果反饋至本地系統(tǒng)，實現(xiàn)語音信號的解析。

本地系統(tǒng)和云端系統(tǒng)通過因特網(wǎng)進(jìn)行連接。此外，整個系統(tǒng)中還有兩個用于觸發(fā)系統(tǒng)工作的設(shè)備，一個是手持語音設(shè)備，用于在家里時，用語音控制整個系統(tǒng)，另一個是手機(jī)端的APP，用于不在家里時通過遠(yuǎn)程終端對家庭設(shè)備進(jìn)行控制。

系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 本地系統(tǒng)各模塊設(shè)計

本地系統(tǒng)主要由CC3200主控模塊、語音識別模塊、無線通信模塊、控制終端節(jié)點等部分構(gòu)成。

2.1 CC3200主控模塊

該模塊為核心控制模塊，將輸入信號按對應(yīng)程序規(guī)則處理后輸出至各個模塊。

針對物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用的SimpleLink CC3200器件是一款集成了高性能ARM Cortex-M4 MCU的無線MCU，此應(yīng)用MCU子系統(tǒng)包含一個運行頻率為80MHz的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ARM Cortex-M4內(nèi)核[1]。此器件包含多種外設(shè)，其中包括一個快速并行攝像頭接口，I2S，SD/MMC，UART，SPI，I2C和四通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。CC3200系列包括用于代碼和數(shù)據(jù)的靈活嵌入式RAM，以及具有外部串行閃存引導(dǎo)加載程序和外設(shè)驅(qū)動程序的ROM。

2.2 語音識別模塊

該智能系統(tǒng)采用了科大訊飛公司推出的XFMT101模塊，它是科大訊飛新推出的初級智能語音方案，目前支持語音識別、語音合成、語音播放等語音功能。模塊支持UART作為通信接口，以ARM Cortex M3作為運行平臺，支持9 600 bps、19 200 bps、57 600 bps、115 200 bps等多個波特率，支持外擴(kuò)U盤或SD/TF卡作為外置存儲，可以廣泛應(yīng)用多種智能硬件領(lǐng)域，如智能家電、智能穿戴等，為用戶提供便捷的語音識別解決方案[2]。

XFMT101板卡支持UART通訊方式，用戶上位機(jī)可通過UART接口與板卡進(jìn)行通訊。XFMT101模塊和CC3200主控單元UART接口硬件連接方式如圖2所示。

圖2 XFMT101模塊和CC3200連接圖

該模塊支持20個命令詞的識別，自帶有“打開燈光”、“關(guān)閉微波爐”、“開始”、“暫?！钡瘸Ｓ谜Z音，當(dāng)然也可以設(shè)置自定義命令詞，比如“拉開窗簾”、“我餓了”等等。模塊接收了語音信號并將其轉(zhuǎn)化為相關(guān)的電信號傳輸給主控模塊。

2.3 無線通信模塊

該模塊將命令信息傳送至終端接收裝置，并接收來自終端的信息，將其傳送至控制中心。CC3200 Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)處理器(CC3100)可以提供快速安全的WLAN和因特網(wǎng)連接，支持站點、接入點和Wi-Fi直連3種模式。

Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)處理器子系統(tǒng)特有一個Wi-Fi片上互聯(lián)網(wǎng)并且包含一個額外的專用ARM MCU，此MCU可完全免除應(yīng)用MCU的處理負(fù)擔(dān)。 這個子系統(tǒng)包含802.11 b/g/n射頻、基帶和具有強(qiáng)大加密引擎的MAC，以實現(xiàn)支持256位加密的快速、安全互聯(lián)網(wǎng)連接。CC3200器件支持基站、訪問點和Wi-Fi直接模式[3]。此器件還支持WPA2個人和企業(yè)安全性以及WPS2.0。Wi-Fi片上互聯(lián)網(wǎng)包括嵌入式TCP/IP和TLS/SSL堆棧，HTTP服務(wù)器和多個互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議[4]。

2.4 控制終端節(jié)點

控制終端采用STM32芯片搭建一個成本低、實用性強(qiáng)的智能控制交互系統(tǒng)。通過無線通信模塊與CC3200主控單元進(jìn)行通信，通過物理電路或紅外線直接控制家居設(shè)備[5]。同時，在控制終端節(jié)點上放置相關(guān)傳感器，對一些安全問題進(jìn)行實時監(jiān)測。比如廚房煤氣，室內(nèi)溫度等。在廚房煤氣一氧化碳高于一定值后，返回信息至主控中心，提醒人去關(guān)閉煤氣，在室內(nèi)溫度高于或低于一定值后，自動調(diào)整溫度或者提醒人去調(diào)整溫度，提高安全性。

3 云端系統(tǒng)設(shè)計

云端系統(tǒng)[6]搭載linux，負(fù)責(zé)接收本地系統(tǒng)上傳的語音信號，并和第三方API-語音解析平臺，進(jìn)行通信，實現(xiàn)語音信號的解析以及完成語音交互；并將第三方處理過的信息下發(fā)本地系統(tǒng)。本地系統(tǒng)和云端系統(tǒng)通過因特網(wǎng)進(jìn)行連接。該系統(tǒng)后期還打算通過AI平臺提供人機(jī)智能交互功能，根據(jù)語音指令播放音樂，查車票，股票，進(jìn)行簡單的語音對話等，使得系統(tǒng)具有一定的自學(xué)習(xí)能力，能自主根據(jù)用戶習(xí)慣對系統(tǒng)做出相應(yīng)改動，更貼近用戶習(xí)慣為用戶提供更好的操控體驗。

4 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)軟件設(shè)計同樣分為本地系統(tǒng)軟件設(shè)計和云端服務(wù)器軟件設(shè)計兩個方面，具體各部分設(shè)計如圖3所示。軟件設(shè)計采用的是TI公司的CCS應(yīng)用設(shè)計開發(fā)，該應(yīng)用是CC3200芯片專用的開發(fā)軟件，編程方式靈活，可以提高軟件開發(fā)效率。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本地系統(tǒng)軟件設(shè)計分為四個部分。主控制系統(tǒng)軟件部分即CC3200主控單元的程序設(shè)計，主要功能是完成系統(tǒng)的配置，數(shù)據(jù)的處理與傳輸。語音識別模塊軟件設(shè)計主要是對XFMT101模塊的初始化配置，以及命令詞的自定義化功能。無線通信模塊軟件設(shè)計是通過對Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)處理器的配置，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)其他模塊之間的通信功能。終端節(jié)點軟件設(shè)計完成的是對各個終端節(jié)點的配置，以及對各傳感器上的信號進(jìn)行反饋。

云端服務(wù)器軟件設(shè)計分為兩個部分。服務(wù)器配置程序是對云端服務(wù)器的初始化配置和云端數(shù)據(jù)庫的程序設(shè)計。數(shù)據(jù)傳輸模塊軟件功能是進(jìn)行本地系統(tǒng)和云端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，以及和第三方API的通信。

主控制系統(tǒng)軟件程序主要功能之一是將語音信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的操作碼，部分語音信號處理后的操作碼如表1所示，操作碼1011的意思即為把客廳的空調(diào)打開。

表1 部分語音信號處理后的操作碼

5 系統(tǒng)的調(diào)試結(jié)果與分析

將本系統(tǒng)置于實際應(yīng)用環(huán)境中，經(jīng)過調(diào)試后，測試結(jié)果表明：系統(tǒng)運行正常，終端節(jié)點上的幾個用于實驗的燈均可正常打開與關(guān)閉。說明主控單元對語音信號的處理及傳輸均正常，系統(tǒng)配置無誤，后續(xù)只需增添新的終端控制節(jié)點和命令詞即可完成新的操作，不需要再對主系統(tǒng)進(jìn)行較大改動。

圖4 接收到的部分語音信號數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

綜上所述，基于CC3200的智能家居語音識別控制系統(tǒng)綜合運用了多種理論與技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對傳統(tǒng)家具的智能化改進(jìn)，以達(dá)到易于控制、節(jié)能、低成本的目的，也為智能家居行業(yè)指出了一條新的方向。