家用電器語音控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

廣東省汕尾市技工學(xué)校 聶榮順

一、系統(tǒng)構(gòu)成

家用電器語音控制系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖如圖1所示，它由語音采集模塊、語音前級(jí)處理模塊、語音訓(xùn)練模塊、語音識(shí)別模塊、語音提示模塊和輸出控制模塊組成。

圖1 語音控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

(一)語音采集模塊

語音采集模塊主要完成信號(hào)采集等功能，它將原始語音信號(hào)轉(zhuǎn)換成語音脈沖序列，因此該模塊主要包括聲/電轉(zhuǎn)換、采集等信號(hào)處理過程。

(二)語音前級(jí)處理模塊

語音前級(jí)處理模塊的主要功能是濾除干擾信號(hào)、提取語音特征矢量，并將提取的語音特征矢量量化成標(biāo)準(zhǔn)語音特征矢量，因此該模塊主要包括語音預(yù)處理、特征提取、矢量量化等語音信號(hào)處理過程。

(三)語音訓(xùn)練模塊

語音訓(xùn)練模塊的主要功能是將多次采集、提取的語音特征標(biāo)準(zhǔn)矢量進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)，提取說話人的最佳語音特征標(biāo)準(zhǔn)矢量，防止因說話人心情、環(huán)境等因素引起提取特征參數(shù)不準(zhǔn)確而影響語音識(shí)別效果，因此該模塊主要包括概率統(tǒng)計(jì)、參數(shù)評(píng)估等處理過程，用隱馬爾可夫模型(HMM模型)實(shí)現(xiàn)。

(四)語音識(shí)別模塊

語音識(shí)別模塊的主要功能是將重新采集的標(biāo)準(zhǔn)語音特征矢量與語音模塊庫中的語音模型進(jìn)行比較，判斷當(dāng)前語音命令功能，因此該模塊主要包括矢量比較與參數(shù)評(píng)估兩個(gè)過程。

(五)語音提示模塊

語音提示模塊的主要功能是根據(jù)語音識(shí)別的結(jié)果提示用戶進(jìn)行相關(guān)操作或說明當(dāng)前完成的功能，因此該模塊主要包括調(diào)用提示語音資源文件、D/A轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大等語音處理過程。

(六)輸出控制模塊

輸出控制模塊的主要功能是根據(jù)語音識(shí)別的結(jié)果輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電燈、電視、風(fēng)扇等家電的語音控制功能，因此該模塊主要包括信號(hào)驅(qū)動(dòng)、輸出控制器和被控制對(duì)象。

(七)語音模塊庫

語音模塊庫的主要功能是存儲(chǔ)訓(xùn)練后的最佳標(biāo)準(zhǔn)語音特征矢量。

二、系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建

本設(shè)計(jì)以家用電器為控制對(duì)象，充分利用凌陽單片機(jī)SPCE061A提供的內(nèi)/外部硬件資源、庫函數(shù)和微機(jī)提供的錄音工具，構(gòu)建了家用電器語音控制的系統(tǒng)平臺(tái)。

本設(shè)計(jì)采用的凌陽單片機(jī)內(nèi)部資源豐富，且具有體積小、性能好、可靠性高等特點(diǎn)，在嵌入式語音控制系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，尤其是豐富的語音功能庫函數(shù)更是開發(fā)者的首選。

家用電器語音控制系統(tǒng)硬件構(gòu)建平臺(tái)如圖2所示。

圖2 家用電器語音控制系統(tǒng)硬件構(gòu)建平臺(tái)

本設(shè)計(jì)利用凌陽IDE2．0開發(fā)環(huán)境及其提供的C語言編寫，系統(tǒng)配套的軟件構(gòu)建平臺(tái)如圖3所示。

圖3 家用電器語音控制系統(tǒng)軟件構(gòu)建平臺(tái)

三、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

(一)硬件實(shí)現(xiàn)

家用電器語音控制系統(tǒng)硬件電路主要由CPU及外圍電路、語音采集電路、語音提示電路及輸出控制電路組成，具體如下：

1.CPU及外圍電路

CPU及外圍電路如圖4所示。圖中SPCE061A為凌陽16位單片機(jī)，完成家用電器語音控制系統(tǒng)的所有控制功能，S1、R1、R2、C3為復(fù)位電路，為單片機(jī)提供復(fù)位信號(hào)，C1、C2、Y1為單片機(jī)的外接晶振電路。

圖4 CPU及外圍電路

2.語音采集電路

語音采集電路如圖5所示。圖中MK1為話筒，完成聲/電轉(zhuǎn)換功能，SPCE061A內(nèi)部含有緩沖放大器、語音采集器等。聲音從話筒MK1輸入，經(jīng)聲/電轉(zhuǎn)換后變成模擬語音信號(hào)，再經(jīng)內(nèi)部緩沖放大與采集后變成語音脈沖序列。放大器外接增益調(diào)整電路R7、C12，調(diào)整電路R7的阻值，可以適當(dāng)調(diào)整內(nèi)部放大器的增益。

圖5 語音采集電路

3.語音提示電路

語音提示電路如圖6所示。該電路的功能主要是將語音提示信號(hào)進(jìn)行放大，圖中U2為放大器，LS1為揚(yáng)聲器，W9為音量開關(guān)。

圖6 語音提示電路

4.輸出控制電路

輸出控制電路如圖7所示。圖中由U1A—U1C(反相放大器74LS04)，K3—K5(可控硅BT169D)，J5(插頭，接220V交流)，J1(外接風(fēng)扇電機(jī))共同組成風(fēng)扇控制電路；由U1E(反相放大器74LS04)、K1(可控硅BT169D)、DS1(電燈)、J2(插頭，接220V交流)共同組成電燈控制電路；由U1F(反相放大器74LS04)、K2(可控硅BT169D)、J4(插頭，接電視機(jī)電源開關(guān))共同組成電視機(jī)控制電路。

圖7 輸出控制電路

(二)軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)主要使用到初始化存儲(chǔ)器函數(shù)BSR_DeleteSDGroup(0)、播放提示語音函數(shù)PlayRespond()、語音訓(xùn)練命令函數(shù)Train Word()、識(shí)別器初始化函數(shù)BSR_InitReco ngnizer(AudioSource)和獲取語音識(shí)別結(jié)果函數(shù)BSR_GetResult(void)。

四、系統(tǒng)測試

輸出控制電路是本系統(tǒng)的測試關(guān)鍵電路，具體測試如下：

在相對(duì)安靜的環(huán)境(即環(huán)境噪聲30-40dB)，先訓(xùn)練，然后輸入語音命令“請(qǐng)開燈”與“請(qǐng)關(guān)燈”，再用萬用表分別測量CPU的IOA1引腳，、K1的2腳，同時(shí)觀察燈的亮暗情況，測量結(jié)果如表1所示：

表1 測量結(jié)果

從表中可以看出，系統(tǒng)能完成開燈與關(guān)燈的功能。

同理，可測試風(fēng)扇與電視機(jī)的語音控制功能，也能完成預(yù)定的功能。

五、結(jié)束語

語音識(shí)別在人機(jī)通信中有著極其重要的意義，它能夠提高我們的生活質(zhì)量和工作效率，讓我們的生活和工作更加人性化、智能化，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文應(yīng)用單片機(jī)語音技術(shù)及相關(guān)算法，實(shí)現(xiàn)了電燈、電視、風(fēng)扇等家電的語音控制。

[1]姚文冰,姚天任.穩(wěn)健語音識(shí)別技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[M].中山大學(xué)出版社,2011.

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