基于語音控制技術的智能家居控制系統設計

賈小龍

（寧夏理工學院電氣信息工程學院，寧夏 753000）

將語音識別技術和語音合成技術構成的語音用戶界面應用到智能家居中，能夠實現對家電設備的語音控制和管理，為用戶提供更為安全舒適高效便利的生活環境。目前智能家居技術及產品已逐步廣泛應用。本文主要討論如何構建先進的智能淋浴節水系統，以此來解決公共浴室用水浪費嚴重的問題，并實現方便用戶洗浴的功能。這里所說的“先進”會體現在設備的技術水平上，同時也會反映在用水的觀念上，智能淋浴節水系統的廣泛使用是推動公共浴室節能發展的有效措施。

1 系統功能需求分析

本文的研究目的是實現基于語音控制的智能家居系統，用戶可以通過語音指令進行家用設備的控制，如電視、空調、燈光等，這將提高人們生活的便利性。所以本系統的需求分析從用戶角度出發進行深入分析。功能需求如下。

（1）語音識別功能：語音識別是系統最重要的基本功能，也是本次設計的主要功能。語音識別能有效提高家居生活的便利性。（2）無線數據傳輸功能：數據傳輸是系統間相互聯系的基帶，采用語音控制nRF905模塊的進行。（3）自動休眠功能：節約用電，降低功耗。（4）語音喚醒功能：檢測到語音輸入時，自動退出休眠模式，馬上進行工作。

2 系統總體方案設計

2.1 主要模塊選擇

（1）本設計選用非接觸式IC卡。非接觸式IC卡又稱為無觸點集成電路卡、射頻卡技術結合產物，因為其與讀寫器之間沒有機械接觸，而是借助了“空間媒介”電磁波來進行通訊。具有操作方便、可靠性高、防偽性好、安全性好、抗干擾能力強和一卡多用的優點。

（2）本設計選用WaterSensor水位傳感器。水位計也被稱為“液位計”。如果水位過低，會有爆炸的危險。為了要隨時了解水位，應該裝上水位計，使水位計和鍋爐構成了一個連通器。

（3）本設計選擇DS18B20測溫。DS18B20是一款數字溫度傳感器，其封裝后可用于機房測溫、鍋爐測溫、電纜溝測溫、潔凈室測溫、農業大棚測溫和高爐水循環測溫等各種場合。

（4）本設計選用LCD1602液晶屏。

2.2 硬件電路設計

本設計硬件電路分為五部分：主控制電路、語音識別電路、nRF905模塊電路、開關控制接口電路和電源管理電路。硬件電路的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計

（1）主控制電路。主控制電路選用STC公司的微控制處理器STC89C52RC，該芯片是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統編程Flash存儲器，512字節RAM，使用經典的MCS-51內核，做了很多改進后使得芯片具有傳統51單片機不具備的功能。

（2）語音識別電路。語音識別電路采用LD3320專用語音識別芯片。該芯片具有快速而穩定的語音識別算法，不但能完成非特定人語音識別，而且不需要用戶進行繁瑣的錄音。LD3320芯片不需要外接任何輔助的RAM芯片、閃存芯片或者AD芯片就可以完成語音識別的功能。由于其具有單芯片語音識別功能，所以簡化了電路設計，提高了系統的穩定性與可靠性。

（3）nRF905無 線 模 塊。nRF905模 塊使 用nRF905芯 片。nRF905的 工 作 頻 段 是433/868/915MH；由頻率調制器、功率放大器、一個帶解調器的接收器、調節器和晶體震蕩器組成。與單片機之間的通訊方式采用SPI總線，使用非常方便。

（4）電源管理電路。系統中各個模塊所需要的工作電壓不同，所以需要設計合適的電源方案以保證系統工作的穩定。這里采用電源室適配器提供直流15V電源，經過電源管理集成電路分別降壓至12V、5V、3.3V。因為系統中有開關電路，容易產生干擾，又有nRF905電路，需要穩定的電源，所以電源電路的設計要能提供濾除雜波，提供穩定電源。

（5）開關接口電路。該電路主要為家居中的控制開關量提供接口，主要由繼電器和三極管電路構成。通過單片機I/O電平變化，控制三極管的導通跟截止，進而控制繼電器的開關。

2.3 軟件設計

編寫主函數庫，以供子程序調用。語音識別模塊程序調用主函數庫與單片機進行并行通訊。然后編寫語音識別的芯片功能程序，提供接口函數給語音用戶界面調用。nRF905模塊程序調用主函數的SPI總線協議進行通訊。主程序通過調用模塊函數以及編寫的主函數庫，完成系統的功能要求。

（1）主程序設計。微控制處理器STC89C52RC上電/復位狀態后，首先執行設備初始化程序，完成微控制處理器的初始化和各個外設的初始化。然后啟動語音識別程序，開啟語音用戶界面，等待用戶的語音輸入，語音識別后將數據無線發送，接收端判斷數據控制開關電路。

（2）上位機軟件設計。上位機界面采用LabVIEW軟件進行設計。LabVIEW是一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言。LabVIEW提供很多外觀與傳統儀器類似的控件，可用來方便地創建用戶界面。本設計的數據通訊協議采用串口VISA，再分別經過R模塊跟W模塊進行數據通訊，使用字符串比較方式進行數據校驗。在程序外圍框架使用一個按鍵Button與一個While相連接，控制整體程序的運行與停止。

3 系統測試

系統測試環境分別為安靜環境和嘈雜環境。測試流程為首先測試語音識別準確率；其次測試無線數據傳輸準確率；最后測試開關控制功能。測試結果如下。

（1）語音識別準確率。通過測試發現，在安靜環境中語音識別準確率可達91.11%，在嘈雜環境中語音識別率為77.77%。

（2）無線數據傳輸準確率。通過電腦串口軟件讀取發送的數據，檢查是否有丟失數據現象，經測試此功能正常。

（3）開關控制功能。使用語音控制8路開關，經測試能夠準確控制每路的繼電器開關和閉合。

測試結果表明，在嘈雜的環境下會使語音識別率有所下降。測試中還發現語音識別速度在安靜環境中比較快。測試表明系統能夠正常完成預定的功能。

4 結語

本文主要完成了系統硬件電路設計和系統軟件設計。經過測試表明，本系統具有較高的識別率和穩定性，以及快速響應的優點，能夠在家居生活當中為人們生活提供便利，使人們的家居生活更加智能。本系統還有待進一步完善，比如控制端口用戶不能自定義，以及與現有家電的橋接不是很便利。為保證PC可以與單片機進行通訊，設計中預留了STC的USART接口，后續可以在PC機上以使用串口通訊的方式對單片機進行軟件升級，進而更加完善系統的功能。