基于無線語音控制的智能家居系統設計

劉 燕 黃杰賢

（嘉應學院電子信息工程學院，廣東 梅州 514015）

1 引言

越來越多的智能家居進入人們的生活，如何對智能家居進行簡單有效的控制是一個難題，而基于語音控制的智能家居更具人性化[1]。為此本項目設計了手表式無線語音控制系統方案代替人工接觸電源開關，通過簡單的語音指令控制家用電器。實踐證明，該方案經濟可靠，具有良好的實用性。

2 系統組成

本方案主要由指令識別模塊識別指令，傳達指令信息到單片機，指令識別成功后，再由單片機控制無線發射模塊發送指令，接受模塊接收并處理信息[2]。示意如圖1所示：

圖1 無線語音控制系統示意圖

下面分別介紹這幾個模塊的選擇：

語音模塊選擇LD3320芯片，LD3320是一顆基于非特定人語音識別技術的語音識別芯片，它能識別關鍵詞的內容動態地傳入芯片中。無線收發模塊選擇DF無線發射模塊/PT2272無線接收模塊。

整個系統分兩部分，即發射端和接收端，發射端主要由語音識別模塊、單片機主控系統、DF數據發射模塊和電源模塊構成。接收端主要由PT2272無線接收模塊、電源模塊和開關控制電路組成。

3 硬件電路設計

硬件設計主要包括了語音識別模塊、單片機主控系統、發射模塊、接收模塊和電源模塊。

3.1 語音識別模塊設計

語音識別模塊由LD3320語音識別芯片及外圍元件組成，LD3320與單片機連接的工作原理框圖如圖2所示。LD3320每次識別的過程就是把用戶說出的語音內容，通過頻譜轉換為語音特征，再將這個轉換后的語音特征和“關鍵詞語列表”中的條目一一進行匹配，最優匹配的一條即作為識別結果。

圖2 LD3320工作原理框圖

3.2 單片機主控系統設計

本方案選用STC11L08XE單片機作為主控器，單片機通過并行讀寫方式與語音識別模塊LD3320相應管腳進行連接，普通I/O口接DF發射模塊[3]。單片機提供漢語拼音給LD3320篩選語音結果，接收識別結果后執行結果對應的程序，再通過發射模塊發送新的結果。

單片機工作原理框圖如圖3所示：

圖3 單片機工作框圖

3.3 發射模塊設計

單片機模擬PT2262編碼信號控制發射數據，DF發射模塊采用ASK方式調制，以達到控制多設備、體積小、功耗低的效果。發射模塊設計如圖4所示：

圖4 發射模塊工作框圖

3.4 接收模塊設計

接收模塊由PT2272模塊與模擬電器電路組成，PT2262經天線接收到信息后，改變端口的狀態，通過控制開關管進而控制模擬電器電路的電源開關，接收模塊的工作框圖如圖5所示。

圖5 接收模塊的工作框圖

4 軟件設計

程序設計主要包括語音識別程序、語音指令程序和發射程序三部分。系統啟動后，語音識別程序啟動語音識別模塊和接收語音識別模塊的識別結果，識別后執行語音指令程序，得到的新結果發往發射程序，發射程序控制DF數據發射模塊發出，之后再次啟動語音識別模塊，等待下一個指令。整個無線語音控制程序如圖6所示：

圖6 無線語音控制程序整體框圖

4.1 語音識別程序設計

單片機首先檢測芯片是否空閑，空閑則設定編號和載入關鍵字數據，然后等待LD3320的語音結果，有結果則進入語音程序，否則重來[4]。識別程序如圖7所示：

圖7 語音識別程序工作框圖

4.2 語音程序設計

語音程序以選擇分支語句為主體，一個語音對應一個分支，執行不同的子程序，最終得到該語音引起的新變化代表的結果。語音程序如圖8所示：

圖8 語音程序工作框圖

4.3 發射程序設計

系統獲取語音程序結果后，程序寫入的地址碼和數據碼根據語音命令的不同而不同，單片機模擬PT2262編碼原理發送編碼。

發射程序如圖9所示：

圖9 發射程序工作框圖

5 測試與結論

在空曠的空地與幾間相鄰的房間進行智能家居的實際控制測試，不同場景分別測試100次。

測試環境1：將一個無線接收模塊放在一個固定的空地上，測試者戴著手表式無線語音控制設備，對接收端由近及遠，每隔20厘米對發射模塊喊出口令進行實時的控制。

測試環境2：將一個無線接收模塊放在同一個固定的房間內，測試者站在房外戴著手表式無線語音控制設備，對接收端由近及遠，每隔20厘米對發射模塊喊出口令進行實時的控制。

測試環境3：在測試環境2保持靜音情況下測試，測試每100次呼叫的有效響應次數。

測試環境4：在測試環境2中引入40分貝音樂情況下，測試每100次呼叫的有效響應次數。

表1 測試不同環境下不同接收模塊數目的數據

采用本方案的無線語音控制的智能家居系統結論：

(1)在空曠地帶控制范圍達9.3米，正常的家庭室內控制范圍也能保證7米，符合普通家庭使用；

(2)靜夜環境下語音識別率達96%；

(3)在人正常說話環境下語音識別率達88%；

(4)有無障礙物對發射信號的影響不大。

[1]高小平.中國智能家居的現狀及發展趨勢[J].低壓電器，2005，(04).

[2]李守容.智能家居系統設計分析[J].科技創新導報，2012，(15).

[3]付蔚，唐鵬光，李倩.智能家居語音控制系統的設計[J].自動化儀表，2014，(01).

[4]陳喜春.基于LD3320語音識別專用芯片實現的語音控制[J].電子技術，2011，(11).