一種基于語音識別與Mesh網絡的智能家居控制系統設計

孟令軻

（東營市勝利第二中學，山東 東營 257000）

一種基于語音識別與Mesh網絡的智能家居控制系統設計

孟令軻

（東營市勝利第二中學，山東 東營 257000）

結合語音識別技術和藍牙技術聯盟發布的藍牙5規范，設計了一種基于語音識別與Mesh網絡的智能家居控制系統。該系統主要由語音識別模塊、執行器模塊和后臺控制中心3部分構成，各部分的每一個模塊都有一個藍牙5器件，各個模塊的藍牙5器件共同組成Mesh網絡，經過語音識別模塊得到的語音控制命令和后臺控制中心發出的設備控制命令均可覆蓋整個Mesh網絡，能夠實現對家用設備的語音控制。通過語音控制和Mesh網絡的無線連接，簡化了對家庭設備的控制過程，提高了控制效率，同時對行動不便的群體生活質量的提高起著積極作用。且由于Mesh網絡高度的可擴展性，該智能家居控制系統也可進行模塊的擴展，控制相當靈活。

語音識別；Mesh網絡；智能家居控制系統；藍牙5

隨著科學技術的發展，尤其是近年來物聯網技術的飛速發展，“智能家居”的概念深入人心，通過一定的控制中心實時控制各種家電、門窗等設備的開關運行狀態，是智能家居的一個重要特征。其中，設備的控制指令主要來源于2個方面，一方面是計算機基于傳感器得到的數據判斷家居環境情況后自動發出的控制指令，另一方面是用戶自身發出的人工指令[1]。前者目前已經較為成熟，但是對于人工指令，傳統的控制方法主要有直接手動控制和遙控器紅外控制等，語音控制作為一種新的控制方式，是智能家居系統中人機交互的一種重要手段。相比于手動直接控制或者通過紅外遙控器控制，通過語音指令控制不需要進行任何肢體動作，能夠極大地簡化操作流程，同時對于行動不便的老人、殘疾人等群體，語音指令控制更是能夠提供相當大的便利，大大提高人們的生活質量[2]。

當前，智能家居的結構主要包括硬件層、傳輸層和應用層3層，其中，硬件層包括收集各類信息的傳感器和執行各類操作的執行器；應用層則是運行在后臺的各類具體應用；而傳輸層則實現硬件和后臺及硬件之間的通訊，目前常用的通信方式有BLE（低功耗藍牙）、ZigBee和Low-Power WIFI[3]。以BLE為核心的Mesh網絡是一種與傳統無線網絡完全不同的新型無線網絡技術，其采用對等的、多對多的網絡拓撲結構，每個網絡節點都可以與相鄰節點進行通信，并有數據轉發功能。數據轉發采用洪泛機制，消息可以傳送到整個網絡中的所有設備。

藍牙技術聯盟發布的藍牙5規范支持Mesh網絡，其可擴展性強，若需要新增節點，只需將新節點安裝并配置即可；可靠性高，單個節點的故障不會影響整個網絡的正常運行。因此基于Mesh的智能家居系統前景相當廣闊。

本文結合語音識別和Mesh網絡設計了一種基于語音識別與藍牙5 Mesh的智能家居控制系統。該系統具有智能家居的可擴展、分布式的優點，具有廣闊的應用前景。

1 設計原理

1.1 語音識別

語音識別技術是對計算機進行語音語義訓練，使人發出的語音信號可以被計算機所理解，并轉化為相應的信息[4]。語音識別本質上是一種模式識別，其過程可以歸結為模式識別和匹配，其識別流程如圖1所示，主要包括信號預處理、特征提取、模式匹配等步驟，首先將未知的語音信號通過話筒等轉化為模擬信號，模擬信號經過A/D轉換后轉變為數字信號；數字信號經過預處理，與保存在計算機中的語音模版進行比較，根據一定的匹配策略尋找到語音模版與輸入信號的最優匹配，然后根據此模版的定義查表即可獲知語義。

圖1 語音識別流程

1.2 Mesh網絡

Mesh網絡中的節點即BLE設備，可以與網絡中其他設備進行通信，若這2個設備相距比較近，則可以直接通信；若相距較遠，則2個設備會間接通過一個或多個中間節點完成通信。網絡中的每個節點既可以接收信息，又可以發送信息，每個節點都有路由功能，但是并沒有具體的路由節點來控制傳輸的路徑，而是采用了洪泛機制，消息將以發出點為起點擴散到網絡中的所有設備，由此可以實現將任意節點采集到的信息傳遞到軟件層，或者將軟件層發出的命令傳送到所有節點。

軟件層發出的命令雖然可以傳送到整個網絡，但是只有與命令中的地址相匹配的節點才會執行該命令，通過以上機制，即可實現將任意位置的傳感器采集到的語音信號傳送到后臺，并且后臺在分析語音信號的語義后控制相應節點按照用戶的命令改變自身狀態，其他節點雖然也會收到命令，但是由于地址不匹配，所以并不會有動作。

2 系統設計

2.1 整體結構

為簡單起見，假設某家庭中搭建的智能家居控制平臺的控制目標為家中的一盞燈與一臺電視的電源通斷，發出語音命令的位置主要在客廳和臥室，發出的指令包括“開燈”“關燈”“開電視”和“關電視”，則智能家居控制系統的整體結構如圖2所示，采用基于藍牙5的 Mesh網絡（如虛線所示）作為傳輸層，以單片機作為系統的后臺控制中心，分布在客廳和臥室的語音識別模塊與電燈和電視的控制器構成的執行器模塊作為硬件層，當用戶在客廳或臥室中能夠采集到語音信號的位置發出以上指令時，聲音信息由語音識別模塊獲得并處理，得到的指令通過Mesh網絡達到后臺控制中心，控制中心分析得到的指令后，發出相應的控制命令，控制命令亦通過Mesh網絡達到所有節點，對應節點的開關控制器在控制命令下動作，實現電視或電燈的開關控制。

圖2 智能家居控制系統整體結構

2.2 語音識別模塊

語音識別模塊的硬件結構如圖3所示，主要由咪頭、LD3320語音識別芯片、單片機與藍牙5器件等部分構成，并且可以根據房間大小、隔音效果等環境因素在家庭中部署多個。

圖3 語音識別模塊的硬件結構

咪頭用于對聲音信號進行采集。LD332Х是一款基于非特定人語音識別技術的語音識別/聲控芯片，提供了單芯片語音識別解決方案，其支持并口和SPI2種接口，只需要單片機將關鍵詞語的拼音串設置寄存器傳入LD332Х芯片，即可實現語音識別。藍牙5模塊用于組建Mesh網絡，實現語音命令的傳輸。由于LD3320芯片支持并口接入，市售的藍牙模塊一般只需要用到UART串口即可工作，因此采用51系列單片機即可滿足模塊要求。

2.3 后臺控制中心與執行器模塊

后臺控制中心主要由單片機和藍牙5模塊構成，用于接收由Mesh網絡傳來的語音控制命令并作出相應處理；執行器模塊主要由單片機、藍牙5模塊與相應的繼電器構成，當接收到來自控制中心的指令時，相應的執行器中的單片機控制繼電器動作，實現電源的通斷。

3 軟件設計

系統上電后，首先進行初始化，各個模塊的藍牙5器件在各自單片機的控制下組成Mesh網絡。

語音識別模塊的語音識別芯片LD3320進行復位、初始化，并將需要識別的語音條目通過單片機寫入識別列表，單片機開放外部中斷，等待語音信號輸入；當采集到語音信號時，若通過處理識別得到該信號與識別列表中的某一條目匹配，則觸發外部中斷，單片機在中斷服務程序中根據相應寄存器的值判斷該信號代表的語音命令；此后，單片機控制藍牙5器件，將該命令通過Mesh網絡發送到后臺控制中心。若采集到語音信號與識別列表中的所有條目均不匹配，則放棄當前結果，不觸發外部中斷，重新等待語音信號輸入。

控制中心不斷接收來自Mesh網絡的信息，并根據接收到的信息生成相應的控制指令，再通過Mesh網絡以廣播的形式發送。

執行器模塊中的單片機控制藍牙5接收來自Mesh網絡中的信息并進行判斷，若該信息是來自控制中心的控制命令且控制地址與自身藍牙地址相符，則單片機根據控制命令控制繼電器進行相應的通斷動作；若該信息是來自于語音識別模塊，或者是控制另一個執行器模塊的控制命令，則繼電器不動作，只將獲得的信息再次以廣播的形式發送出去，實現信息沿Mesh網絡的傳遞。

4 結論

本文通過語音識別模塊和基于藍牙5的Mesh網絡實現了智能家居控制系統，通過該系統能夠識別簡單的語音命令，然后根據語音識別的結果控制相應的電氣設備的工作狀態，實現語音控制的基本功能，從而使控制更加便捷，同時對于行動不便的人生活品質的提高有良好作用。由于Mesh網絡自身的特性，本文的設計基于Mesh網絡的智能家居控制系統具有很強的可擴展性，可以在系統中方便地添加諸如溫濕度感應器、火焰傳感器、煙霧傳感器等環境參數檢測的傳感器，即可實現家庭環境實時監測，提高家庭對災害的預防能力，因此具有廣闊的應用前景。

［1］陳哲.智能家居語音控制系統的設計與實現［D］.成都：電子科技大學，2013.

［2］李澤彬，姚有峰，張飛龍，等.基于單片機的智能家居語音控制系統設計［J］.電子設計工程，2017，25（08）：175-177，182.

［3］涂藍.基于OpenWrt和BLE Mesh的智能家居終端控制系統的設計與實現［D］.南昌：江西理工大學，2016.

［4］劉文強.語音識別技術在智能家居中的研究與應用［D］.大連：大連海事大學，2013.

〔編輯：劉曉芳〕

TP273+.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.24.136

2095-6835（2017）24-0136-03