基于單片機的智能家居語音控制系統設計

李澤彬，姚有峰，張飛龍，徐云緋，李 宣

（皖西學院 傳感網與信息處理綜合應用實驗室，安徽 六安 237012）

基于單片機的智能家居語音控制系統設計

李澤彬，姚有峰，張飛龍，徐云緋，李 宣

（皖西學院 傳感網與信息處理綜合應用實驗室，安徽 六安 237012）

為了改善家居特殊群體的生活質量，利用單片機和語音識別模塊設計了智能家居語音控制系統，通過語音識別模塊識別語音指令，系統根據識別結果控制家居電氣設備的開啟或關閉。采用了火焰、煙霧和溫濕度傳感器實時監測環境參數，系統在特定情況下可以播報個性化定制的語音提示和語音流。經測試，系統工作穩定，語音識別率高。該系統提高了家居生活的防災水平，也使現代家居生活變得更輕松、更便捷、更安全。

智能家居；語音識別；電氣設備；家居環境

語音識別是人機交互的一種重要技術手段[1]。隨著科學技術的進步，語音識別技術已經在工業生產控制、智能家居生活和醫療衛生系統等方面得到廣泛應用[2-8]。目前，家居電氣設備的常規控制方式有手動直接接觸和紅外線遙控[9-10]，隨著智能設備的發展，已經出現了手機和電腦智能控制的家居設備，但是這些設備的控制面對的是具有正常行動能力的人群，而對于那些行動不便的老年人和殘疾人等群體來說，使用常規和智能終端來控制設備顯然是不方便和不適用的[11-12]，為此文中設計了一種基于單片機的智能家居語音控制系統，采用了語音指令控制家具設備的開啟或關閉，同時可以利用單片機獲取傳感器采集的環境參數來監測室內環境是否超標，并能利用MP3模塊來播報個性化語音提示，語音報警和特定語音流等，從而使現代家居生活更輕松、更便捷、更安全。

1 系統組成及硬件電路設計

本系統主要由單片機控制部分、語音識別模塊、MP3模塊、傳感器和電氣設備驅動控制模塊構成，系統結構如圖1所示。咪頭用于對聲音信號進行采集，經過處理電路處理后送入LD3320語音識別模塊處理，處理結果通過并行端口送給單片機，單片機接收到LD3320語音識別模塊處理的結果后，并對其進行分析，發出相關指令控制各電氣設備，實現各電氣設備啟動或關閉；同時也可發出相關指令，驅動MP3模塊發出相關語音信息或播放特定語音流。在系統工作過程中，利用火焰、煙霧和溫濕度傳感器實時監測室內環境參數，當環境參數超過預定值時，單片機發出指令給MP3模塊，播放特定語音報警信息。

圖1 系統結構圖

1.1 單片機控制模塊

本系統采用單片機STC90LE52RC來控制外圍設備，STC90LE52RC具有超強抗干擾、高速、低功耗等優點，操作指令與8051單片機完全兼容[13-14]，其構成的控制模塊最小系統如圖2所示，本系統中采用3.3 V供電，與LD3320語音識別模塊相同，這樣能有效的增加了內部數據處理的可靠性、兼容性。

圖2 單片機控制模塊

1.2 語音識別與播放模塊

圖3 LD3320模塊電路和MP3模塊電路

LD3320模塊內集成了LD3320芯片、咪頭及相關電路，其主要是采集語音信號并識別特定語音信號，采用并行方式直接與單片機相接，如圖3（a）所示。麥克風采集到語音信號，當LD3320模塊識別出語音信號后，芯片會產生一個中斷信號通過LD_IR管腳返回給單片機，并且將數據通過P0～P7傳送給單片機進行處理。因為LD3320芯片最多可以存儲50條識別語句[15]，顯然在實際復雜系統中是不夠用的，為此，本設計中LD3320芯片主要用于存儲語音控制命令，采用MP3模塊電路存儲語音流信息，語音流采用MP3格式存放在該模塊的SD卡中，其端口RX和TX與單片機P30和P31連接，電路如圖3（b）所示。當MP3模塊接收單片機控制信號后，驅動喇叭發出語音信號或相關MP3語音流。

1.3 傳感器與設備驅動控制模塊

本系統中的火焰傳感器與煙霧傳感器采用模塊電路，溫濕度傳感器采用DHT11。火焰傳感器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器分別獲取室內火焰、煙霧濃度以及溫濕度信息，將采集到的信息送給單片機，當發生火災隱患時，單片機驅動MP3發出個性化火災報警信息；當溫濕度超出設定范圍時，單片機驅動MP3發出溫濕度提示信息；與此同時LED燈也發出不同規律的閃爍報警信號，其電路如圖4（a）所示。

本系統中電氣設備驅動控制電路由光電耦合器MOC3022和可控硅BT136-800E組成，這里只給出一個端口連接情況，如圖4（b）所示，若要控制其他設備只須將該電路和單片機其他空余端口連接即可。光電耦合器MOC3022主要用來分離單片機控制電路和動力電路；為了較好的驅動家庭電氣設備，本系統采用了具有擊穿電壓高、輸出電流大的可控硅BT136-800E；電路中R15和C5主要是吸收高頻脈沖干擾。

2 系統軟件設計

圖4 傳感器電路與電氣設備驅動控制電路

本系統開始工作后，語音識別芯片進行復位、初始化，并將識別的語音條目寫入識別列表，等待語音信號輸入后開始識別，打開中斷允許位，識別完成后向主控制器發出中斷請求。主控制器通過相應狀態寄存器得到識別結果，從而獲得相應的控制命令，語音寫入流程圖，如圖5（a）所示。本系統采用口令模式，LD3320首先將采集到的語音信號與預設的觸發口令進行匹配，匹配通過后繼續采集語音信號，采集到有效語音信號后，則將其與關鍵詞列表中口令進行再次匹配，如匹配結果符合預設口令，則將識別結果傳輸給單片機，單片機執行設備控制和語音播放命令。如不匹配則放棄當前采集結果，重新采集觸發口令。語音識別與設備驅動流程圖，如圖5（b）所示。

圖5 流程圖

本系統設計過程中，為了有效提高識別率、降低誤識別率，采取了以下2種措施：1）在設置好特定語音識別條目后，添加了多個與識別列表內有一定聯系的任意其他條目，用來吸收錯誤語音識別；2）使用了口令模式，避免了周圍環境雜聲導致系統錯誤識別。

在系統循環執行過程中，程序不停的監測環境火焰、煙霧、溫濕度參數，當檢測到有效信號后，單片機驅動MP3模塊發出個性化語音、并報警提示，其環境參數檢測流程圖，如圖5（c）所示。

3 結束語

該設計利用單片機和語音識別模塊實現了智能家居語音控制系統，通過該系統能夠識別語音指令，并能根據識別結果控制家居電路中日光燈、風扇和電視等其他電氣設備的開啟或關閉；通過環境中的火焰、煙霧和溫濕度參數實時監測進行家居火災預防，并在特定情況下播報個性化定制的語音提示和語音流，提高了家居生活的預防災害水平，同時系統也能改善特殊群體的生活質量，使得特殊群體實現輕松、便捷、安全的現代家居生活。通過該系統的實驗測試，結果表明，系統工作穩定，語音識別率高，結構簡單，能夠完成家居電氣設備的控制和環境參數的監測。

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Design of smart home voice control system based on single-chip microcomputer

LI Ze-bin，YAO You-feng，ZHANG Fei-long，XU Yun-fei，LI Xuan
（Comprehensive Application Laboratory of Sensor networks and Information Processing System，West Anhui University，Lu'an 237012，China）

In order to improve life quality of special groups，smart home voice control system is designed based on single-chip computer module and LD3320 speech recognition module.The electric equipments control system could be ON and OFF according to the voice commands by the recognized voice commands.A variety of voice prompt and voice steam could be customized and played by the monitored indoor environment parameters.After testing，the designed system has high stability，high speech recognition rate.In the home life，the system can improve the level of disaster prevention.The modern home life can be made easier and more convenient，more secure.

smart home；speech recognition；electric equipment；living environment

TN912.34

：A

：1674-6236（2017）08-0175-03

2016-06-19稿件編號：201606130

安徽高校省級自然科學研究項目（KJ103762015B20）；省級大學生創新創業訓練計劃項目（AH201510376017；AH201510376034）；皖西學院校級科學研究項目（WXZR201642）

李澤彬（1979—），男，安徽六安人，碩士，講師。研究方向：復雜系統和混沌信號處理。