基于環境監測的語音控制及無線傳輸的智能家居系統設計*

林龍森，鄭曉青

(1.黎明職業大學 信息與電子工程學院，福建 泉州 362000; 2.黎明職業大學 信息與電子工程學院，福建 泉州 362000)

隨著人民生活水平和社會、經濟的發展水平的不斷提高，人們對家居、辦公的舒適程度、智能性的要求也日趨明顯，可以預見，智能家居(HA)將成為未來工作生活不可或缺的部分[1].本文設計的家居系統結合了環境監測和語音識別(ASR)，提高了智能化程度，同時，采用的無線組網技術不僅讓整套系統更加經濟與綠色環保，也大大提高了產品使用的便捷性.

1 系統概述

本系統設計的家居是基于物聯網[2]形式的，通過無線網絡通信技術將感測設備、控制設備連接起來，實現智能監測與控制.

圖1 系統示意圖

1.1 系統框架

系統設計的家居系統可以根據外界環境的變化和主人的意愿智能控制家居的各個設備運行.系統整體示意圖如圖1所示.

從圖上可以看出，系統包括被控部分(以LED燈和風扇兩個被控對象為例)，探測部分和接收顯示控制部分.主要功能由接收顯示控制部分實現.本系統提供了三個探測節點，濕度、濕度及光照度，并以兩個被控節點，即風扇和LED燈為例，通過主控單片機系統實現家居系統對風扇轉速和LED燈亮暗的顯示與控制.

1.2 主要功能

(1) 探測節點采集室內的濕度、濕度及光照度，并能將采集到的信息無線傳輸至其他節點或主控方.

(2) 被控節點，如示意圖上風扇節點和LED燈節點，能夠接收外界的無線控制信號作出相應的控制.

(3) 主控節點能夠接收外界的無線數據信號，并對各個被控節點發出無線控制命令.

(4) 控制模式主要有手動、自動、語音三種.其中，自動模式指的是被控節點能夠根據探測節點采集到的信息作出自動控制.如LED燈節點可以根據光照強度自動調節燈的亮度；風扇節點可以根據溫度和濕度大小自動調節風扇轉速等.手動模式和語音模式是直接對被控節點的控制.

2 探測節點的設計

2.1 溫度探測節點和濕度探測節點

(1)溫濕度探測方案選定.溫濕度傳感器有多種方案可供選擇，如PT100、AD590、DS18B20、SHT10等，在本套系統選用了溫濕度一體化模塊DHT11，主要有以下幾個方面的考慮：①系統包括溫度站點和濕度節點，采用溫濕度一體化模塊，使得兩個節點的框架結構相近，可以大幅度減少硬件和軟件的工作量.②DHT11是數字化輸出的傳感器模塊，硬件不需要前級的信號處理與放大，減少研發設計成本.③經濟價格優勢.濕度傳感器SHT10市場價25元左右，而DHT11只需6元左右.

(2)溫濕度探測方案特點.溫濕度傳感器DHT11供電電壓為直流 3.3～5.5V，為單總線數字信號輸出，測量濕度范圍20～90%RH，溫度范圍0～50℃，濕度精度±5%RH，溫度±2℃.DHT11與微處理器之間的一次通訊時間4ms左右，數據分小數部分和整數部分.一次完整的數據傳輸為40bit，高位先出.數據格式為：8bit濕度整數數據+8bit濕度小數數據+8bit溫度整數數據+8bit溫度小數數據+8bit校驗碼.

2.2 光照度探測節點

針對光強信號的傳感器有許多種，包括光敏電阻，光敏二極管，光敏三極管等.普通傳感器的缺點是后續電路復雜，或者線性度不好.甚至有的傳感器，比如普通光敏電阻，只表現為亮阻和暗阻兩個極端情況，不符合系統要求.系統采用數字光照模塊GY-30，其測量范圍寬(1-65535勒克斯)，并能將采集到的光照強度直接轉換為IIC總線方式的數字信號，方便MCU進行后續處理.

3 無線收發系統設計

家居組網模式有多種方式和結構，包括CAN總線方式[3]、485總線方式等，系統采用了無線拓撲結構.目前，無線智能家居局域網組網主要采用了如下幾個頻段：2.4GHz頻段，如ZigBee，24L01[4]等；900 MHz頻段，如Z-Wave；433M頻段，如nRF905，SI4463等.相對而言，Z-Wave沒有開放相關標準與接口，不利于系統開發拓展.2.4G的ZigBee模塊成本較高，且對家居來說，2.4G頻段“穿墻”損耗大，效果差.系統利用433M附近頻段的數傳模塊SI4463構建家居內部網絡，相對更為經濟、便捷.

3.1 信道占用

為了能夠同時無線傳輸信息而不互相干擾，無線系統在433M基礎頻段上進行了一定的偏頻，相當于占用了不同的無線傳輸信道.系統包含了5個節點和一個主控方，要傳輸的信息包括溫度、濕度、光照度、主控命令四種.因此，系統需要占用四個無線傳輸信道，溫度信道、濕度信道、光照度信道、主控命令信道，并且為四個傳輸信道分配了不同的工作頻段，同時在網絡MAC層還采用了相關協議與網絡地址配置避免信道數據沖突[4].

3.2 系統無線構架

由于系統節點及傳輸的數據種類較多，因此必須對系統的無線構架作一定的規劃.系統信道的輸入輸出方向以及每個節點與信道的處理關系如圖2所示.

圖2 系統框圖

從圖2可以看出，整套系統被劃分為三個部分，采集部分、被控部分和主控部分.采集部分主要占用了三個信道：光照信道、濕度信道、溫度信道，負責向相應的信號發送采集到的信息.被控部分需要接收來自四個信道的信息(溫度、濕度、光照和控制)，根據接收到的信息不同做出不同的響應和控制.主控部分相對比較復雜，即要接收采集部分發來的響應信息，又要負責向主控命令信道輸出控制信號.

3.3 通信協議

為了保證數據傳輸可靠，系統將無線傳輸的數據封裝成具有固定格式的一個數據幀.這個數據幀的格式如圖3所示.

圖3 通信幀格式

這個幀格式包括一個字節的幀長度信息，一個字節的命令字信息，兩個字節的數據信息，一個字節的校驗和信息.

(1) 傳輸數據校驗.每次系統接收數據時，都需要根據“幀長度”關鍵字判斷本幀的有效字節長度來接收整幀的完整信息.同時，系統還要驗算這些有效字節的校驗和與所收到的校驗和是不是一致，如果一致則說明通信數據傳輸無誤，可以截留命令字和數據做下一步處理與分析.

(2) 數據處理分析.只有收到的命令的確是針對本機的，系統才能根據隨后的數據信息作出相應的動作.本系統主要有表1所示的命令字.

表1 系統通信命令字

4 語音控制系統設計

語音識別包括特定和非特定發音人識別，系統采用的是非特定發音人識別(Speaker Independent)，可以將因發音人年齡、性別、口音等差異引起的誤判縮減到幾乎沒有的程度[5].系統的語音控制部分是相對獨立的一套系統，采用了專用語音芯片LD3320，MCU 選用的是STC10L08XE.

4.1 LD3320語音識別模塊

LD3320 芯片是一款“語音識別”專用芯片，芯片供電3.3V，默認外接時鐘.該芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路，包括AD、DA轉換器、麥克風接口、聲音輸出接口等.芯片不需要外接任何的輔助芯片，直接集成在現有的產品中即可以實現語音識別、聲控、人機對話功能.并且，語音識別的關鍵詞語列表可以任意動態編輯.

4.2 語音控制系統主要功能與特點

(1)在電源方面，LD3320芯片的電源電壓是3.3V，故而選用同樣是3.3V電源電壓的STC10L08XE與之匹配，語音識別系統采用電路使用了AMS1117-3.3 芯片提供3.3V電源電壓.

(2)MCU 直接控制LD3320模塊完成所有和語音識別相關的工作.

(3)串行存儲芯片采用華邦W25Q32，存儲空間為 32Mbit，用以存儲播放的語音命令文件，為MP3 格式.語音系統需要識別或播放的語音命令以MP3格式存放在芯片中，包括“開風”、“關風”、“亮燈”、“滅燈”、“再試一遍”等語音.

(4)系統有兩個紅色的LED指示燈，當兩個LED燈在交替閃爍時，程序正在處理接收到的語音，此時外部的語音將不被識別，只有現兩個LED燈熄滅時才能再次識別語音.

(5)與主控系統通信.分配端口與主控部分連接，實現語音子系統與主控系統的通信，主要傳輸4個語音命令“開風”、“關風”、“亮燈”、“滅燈”的數字信息.主控系統根據通信命令實現對應的控制.

5 結語

語音控制和無線傳輸是本智能家居系統的兩大特色，環境監測提高了家居系統的智能化程度，語音控制使得家居系統的控制更人性化；而采用無線的方式處理家居的控制系統，解決了布線困難、繁瑣的問題，也節省了相關的人力、耗材，向綠色經濟靠攏.系統經測試在100m距離內通信掉包率<1%，語音識別率在92%以上，環境溫度監測精度±1℃，濕度監測精度±1%，系統控制響應靈敏，運行穩定.