劉永超

摘 要：文章利用LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集與分析功能、便捷的圖形化編程能力，通過對溫濕度、光敏度、PM2.5、有害氣體濃度以及語音信號的采集與處理，設(shè)計一款基于LabVIEW語音智能家居系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)語音操控的智能化功能以及在LabVIEW前面板實(shí)時進(jìn)行環(huán)境、安防等參數(shù)的監(jiān)測，使得人們的生活變得更加安全、舒適且便捷。

關(guān)鍵詞：LabVIEW;智能家居;語音控制

0? ? 引言

隨著物質(zhì)文化水平的提高，人們對生活家居環(huán)境越來越重視，要求越來越高。智能家居產(chǎn)品正是在這個背景下應(yīng)運(yùn)而生。當(dāng)今社會中，對智能家居產(chǎn)品的要求主要體現(xiàn)在3個方面：安全舒適的環(huán)境、便捷靈活的操控、放心可靠的監(jiān)控[1]。其中，便捷靈活的操控最主要的方式為語音控制，以語音控制信號向終端家居發(fā)出指令，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果。這種方式給人們的生活帶來前所未有的便捷與高效。因此，基于語音控制的智能家居產(chǎn)品得到大力發(fā)展。

LabVIEW是一款以圖形化編輯語言（G語言）編寫程序，以框圖形式呈現(xiàn)的程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)[2]。它主要有兩個方面的特色，一方面LabVIEW可以依托計算機(jī)強(qiáng)大的處理器和存儲器，從而節(jié)省開發(fā)成本，便于后期維護(hù)。例如，一般的語音識別電路會采用LD3320語音識別模塊，而LabVIEW可以通過編程實(shí)現(xiàn)LD3320語音識別模塊功能。另一方面LabVIEW圖形化編程語言具有編程效率高、開發(fā)周期短的特點(diǎn)，包含信號處理模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等多種類型的模塊函數(shù)[3]。

基于上述內(nèi)容，本設(shè)計利用LabVIEW2018強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、分析能力，搭建一個語音控制、環(huán)境檢測以及安防報警等功能集一體的語音智能家居控制系統(tǒng)。

1? ? 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計包括LabVIEW上位機(jī)、單片機(jī)模塊、執(zhí)行器模塊、傳感器模塊等。LabVIEW上位機(jī)一方面主要是監(jiān)測各種參數(shù)，另一方面可以處理較復(fù)雜的數(shù)據(jù)，例如，音頻信號，視頻信號等。單片機(jī)模塊主要是接收以及處理一些常見的傳感器信號，如溫濕度、光敏度、形變度、有害氣體濃度等，并能夠發(fā)送指令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2? ? 硬件系統(tǒng)

本設(shè)計系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要包含兩個部分：傳感器部分和數(shù)據(jù)采集部分。數(shù)據(jù)采集部分主要分為模擬信號采集部分和數(shù)字信號采集部分。首先，傳感器電路將物理量轉(zhuǎn)換成模擬電信號。模擬信號采集部分，將模擬電信號采集，經(jīng)過對信號的放大、濾波等處理后，分析給處理器處理。數(shù)字信號采集部分，主要是處理開關(guān)信號，例如繼電器開關(guān)信號。通過LabVIEW對麥克風(fēng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到語音信號，再對語音信號進(jìn)行處理，識別出有用指令信號，發(fā)送給處理器，處理器發(fā)出指令通過無線通信模塊發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收指令后，執(zhí)行指令。

3? ? 軟件系統(tǒng)

本設(shè)計軟件系統(tǒng)主要分為傳感器模塊、音頻采集控制模塊、執(zhí)行器模塊以及監(jiān)控界面模塊。通過LabVIEW 的多層次結(jié)構(gòu)，將各個模塊程序作為子程序，且實(shí)現(xiàn)子程序的調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)程序的擴(kuò)展，然后通過計算機(jī)的計算功能、存儲功能及數(shù)據(jù)傳輸功能，得到智能家居控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，通過LabVIEW前面板工控界面作為上位機(jī)界面顯示出來[4]。

3.1? 傳感器模塊

傳感器模塊利用選定的傳感器采集所需要監(jiān)測的各種物理量，例如溫度、濕度、光敏度等，經(jīng)過信號處理電路，將物理量轉(zhuǎn)換為所需要的各種模擬電信號。再由信號調(diào)理電路放大濾波處理后，進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，將模擬電信號轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能夠識別的二進(jìn)制數(shù)字信號，最后將數(shù)字信號傳輸?shù)絺€人計算機(jī)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理、保存和顯示等功能[5]。

3.2? 音頻采集控制模塊

本系統(tǒng)通過麥克風(fēng)，錄入一段話，并使這段信號經(jīng)過聲卡放大轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后通過LabVIEW 軟件搭建采集系統(tǒng)，利用聲音相關(guān)VI實(shí)現(xiàn)語音信號的采集、存儲[6]。再對存儲的語音信號進(jìn)行對比，找出信號中有用的指令信息，確認(rèn)后執(zhí)行相應(yīng)的操作。

3.3? 執(zhí)行器模塊

執(zhí)行器是指處理器發(fā)出命令指令后，執(zhí)行器接收指令后執(zhí)行對應(yīng)的操作，屬于系統(tǒng)的終端設(shè)備。執(zhí)行器執(zhí)行完指令后，終端設(shè)備狀態(tài)發(fā)生改變，終端設(shè)備將自身狀態(tài)信號數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集模塊返回到上位機(jī)，改變上位機(jī)監(jiān)測界面的指示狀態(tài)。為了更好地驗證本系統(tǒng)的功能，本系統(tǒng)采用LED作為信號的指示燈，繼電器模塊作為信號的執(zhí)行器件。

3.3? 監(jiān)控界面

LabVIEW軟件可以依托家庭個人計算機(jī)，以 VI 前面板作為系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)測界面，如圖2所示。此監(jiān)測界面可以實(shí)時監(jiān)測家居環(huán)境的溫度、濕度、空氣質(zhì)量等，又可以對各個模塊進(jìn)行監(jiān)控。此外，還設(shè)置了總開關(guān)，對整個系統(tǒng)實(shí)行整體控制，方便后期對系統(tǒng)的維護(hù)與升級。最后，在監(jiān)控界面的正中間，設(shè)置了安防報警指示燈，火災(zāi)煙霧報警燈以及蜂鳴器，可以第一時間警示家居主人，應(yīng)對突發(fā)情況，及時采取應(yīng)急措施。

4? ? 系統(tǒng)測試

采用賬號密碼登錄，登錄成功時，自動運(yùn)行下一個界面，登錄界面關(guān)閉。系統(tǒng)啟動后，數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時采集各種信號并在上位機(jī)界面顯示，隨著計算機(jī)程序的運(yùn)行，對各種信號進(jìn)行分析，采取相應(yīng)的措施，執(zhí)行對應(yīng)的模塊。例如，溫度超過26 ℃，空調(diào)啟動制冷模式。另外，自動開啟攝像頭錄像功能，全天候、無死角對家居屋內(nèi)屋外進(jìn)行監(jiān)控，將視頻文件保存到設(shè)定的文件夾內(nèi)以便需要時方便調(diào)用。語音識別功能隨時待命，通過開啟聲卡，并將采集到的聲音通過波形顯示在面板上，接收兩級指令后，控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行指令。當(dāng)家居中出現(xiàn)煙霧時，煙霧傳感器將信號傳給上位機(jī)，上位機(jī)馬上做出響應(yīng)，火災(zāi)煙霧報警燈閃爍，蜂鳴器鳴響，提醒家居主人發(fā)生意外情況，立即處理，以防事故發(fā)生。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張冷，鐘山，劉飛，等.基于LabVIEW的智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J].金陵科技學(xué)院學(xué)報，2020（1）：40-43.

[2]曾柄杰.基于單片機(jī)和LabVIEW的無線葡萄酒窖環(huán)境測控系統(tǒng)設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù)，2020（4）：141-145.

[3]褚大偉.語音識別交互在智能家居中的研究與應(yīng)用[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2019.

[4]袁嘉嶸.LabVIEW電子電路模擬仿真設(shè)計[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（20）：105-106.

[5]黃志強(qiáng).基于LabVIEW多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試[J].機(jī)械制造與自動化，2019（1）：185-187.

[6]林麗君，吳巧玲.基于LabVIEW和MATLAB的語音信號采集系統(tǒng)設(shè)計[J].成都大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2019（4）：405-408.

（編輯 王永超）