基于樹莓派的智能家居語音控制系統(tǒng)

劉 華，田占生，馮宇飛

（天津農(nóng)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院，天津 300384）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，家居生活從過去的追求豪華裝修發(fā)展成為追求家居的智能化[1]。智能家居的出現(xiàn)讓人們更切身的體會到了科技技術(shù)給日常生活所帶來的便捷。遠(yuǎn)程監(jiān)控、環(huán)境自動控制、家電的遠(yuǎn)程控制、網(wǎng)絡(luò)信息獲取、安全防范、家庭娛樂等都是智能家居帶給我們的體驗(yàn)。然而智能家居因成本相對較高成為其在普通消費(fèi)家庭中普及的劣勢。那么如何才能讓普通消費(fèi)家庭也享受智能化生活呢？我們本次研究的智能家居系統(tǒng)能有效的降低成本，同時擴(kuò)展了語音交互功能，實(shí)現(xiàn)語音控制和信息的語音獲取，從而使得智能家居更加普及。對設(shè)備的控制以ZigBee無線模塊網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)，通過節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸處理實(shí)現(xiàn)了家庭自動化，同時也大大降低了生產(chǎn)成本[2]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以Android手機(jī)、麥克風(fēng)和液晶顯示屏為人機(jī)交互終端，以樹莓派為核心控制，基于百度語音、圖靈機(jī)器人、Yeelink三大云平臺作為功能實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，可進(jìn)行語音交互的嵌入式智能家居控制。該系統(tǒng)具備手機(jī)、語音兩種控制模式實(shí)現(xiàn)對家具設(shè)備的控制。樹莓派clinux操作系統(tǒng)，在實(shí)時性方面表現(xiàn)良好，同時具有高穩(wěn)定性，能穩(wěn)定地與云平臺進(jìn)行通信。系統(tǒng)通過麥克風(fēng)采集用戶語音后將錄音文件傳給百度語義平臺，程序通過檢索百度語音合成的文本信息進(jìn)而控制無線模塊發(fā)送相應(yīng)的指令給終端設(shè)備。語音互動則由圖靈機(jī)器人和百度語音共同完成，yeelink負(fù)責(zé)傳感器的狀態(tài)顯示和手機(jī)端控制。圖1為基于樹莓派的智能家居語音控制系統(tǒng)的原理框圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器模塊

本系統(tǒng)采用樹莓派3代控制板如圖2所示。新一代樹莓派3B型構(gòu)建在最新博通2837 ARMv8 64位處理器上，與其上一代相比，速度更快，功能更強(qiáng)大。憑借其內(nèi)置的無線和藍(lán)牙連接，它將成為支持物聯(lián)網(wǎng)的理想解決方案。它配有1.2GHz四核 Broadcom BCM2837 64位ARMv8處理器和四個USB2端口以及功能強(qiáng)大的40針擴(kuò)展GPIO口，包括常用的串口、IIC、SPI等[3]。板載網(wǎng)線接口和HDMI高清接口更是為本系統(tǒng)系統(tǒng)了方便。通過SD卡槽可以燒錄相應(yīng)的系統(tǒng)，在系統(tǒng)下進(jìn)行編程和學(xué)習(xí)。

2.2 環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)配置了溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器、噪聲傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌⑷梭w紅外、光照傳感器等多種環(huán)境智能傳感設(shè)備，并且還安裝了攝像頭模塊，可實(shí)時獲取家居圖像信息并傳到Y(jié)eelink遠(yuǎn)端以及保存本地存儲器中。傳感器均具有聲音觸發(fā)提示功能以及觸發(fā)信息上傳功能，用戶通過聲音或者手機(jī)端查看家居環(huán)境變化。

圖2 傳感器與主控接口連接圖

2.3 語音采集模塊

為了使在實(shí)際家居環(huán)境中語音識別率高和識別范圍廣，我們除了將語音識別模塊換成調(diào)用百度語音平臺以外，我們使用了UHF無線話筒對聲音進(jìn)行了多方位無線式采集，使得用戶語音指令在家中任何角落都可以被識別。UHF通常是指特高頻無線電波，特高頻是指頻率為300～3000MHz波長在1m～1dm的無線波，該波段的無線電波又分米波UHF，UHF無線發(fā)射器作為一種技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多種音頻領(lǐng)域，如無線話筒、對講機(jī)、無線發(fā)射器。

2.4 無線通信模塊

系統(tǒng)采用DL-20無線模塊串口模塊，該模塊為串口轉(zhuǎn)2.4G無線模塊，可以通過無線將兩個或多個串口連接起來。串口發(fā)入模塊的數(shù)據(jù)會被模塊使用無線發(fā)出。收到無線數(shù)據(jù)的模塊會將數(shù)據(jù)使用串口發(fā)出。在兩個設(shè)備上使用模塊就相當(dāng)于將這兩個設(shè)備使用串口連接起來一樣。無線接收模塊連接Arduino Nano板，負(fù)責(zé)將接受的指令處理為設(shè)備需要的狀態(tài)，用來控制設(shè)備工作。該模塊功耗低，運(yùn)行穩(wěn)定，支持點(diǎn)對點(diǎn)和廣播兩種工作模式，最大傳輸距離達(dá)250米，滿足家庭內(nèi)設(shè)備節(jié)點(diǎn)間的信號傳輸。圖3為樹莓派和Arduino Nano連接無線模塊原理圖。

圖3 樹莓派連接無線模塊原理圖

3 智能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 語音控制程序設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)語音交互功能，系統(tǒng)通過Python程序接入了百度語音平臺和圖靈機(jī)器人平臺。百度語音平臺提供語音的轉(zhuǎn)換，將我們的語音轉(zhuǎn)換為文字進(jìn)行程序檢索以及將設(shè)定的提示語轉(zhuǎn)換為語音播放給用戶。圖靈機(jī)器人負(fù)責(zé)語義解析，和百度語音結(jié)合后可以根據(jù)用戶的聊天內(nèi)容從網(wǎng)絡(luò)（知識庫）抓取相應(yīng)的信息進(jìn)行回復(fù)，比如，當(dāng)用戶問“天津農(nóng)學(xué)院”，那么圖靈機(jī)器人在知識庫搜素天津農(nóng)學(xué)院的簡介結(jié)合百度語音后通過語音回復(fù)給用戶。同時系統(tǒng)也使用了Yeelink云平臺進(jìn)行傳感器的數(shù)據(jù)記錄以及利用其客戶端進(jìn)行對家居設(shè)備的APP控制。通過這三大平臺可實(shí)現(xiàn)如下功能：

1）語音控制家居設(shè)備的工作狀態(tài)；

2）語音互動聊天、信息獲取；

3）手機(jī)端對家居環(huán)境的實(shí)時查看；

4）手機(jī)端對家居設(shè)備的狀態(tài)控制；

5）家居內(nèi)傳感器被出發(fā)后進(jìn)行聲音提示以及上傳到手機(jī)端。

圖4為系統(tǒng)軟件的工作流程圖。

圖4 系統(tǒng)軟件的工作流程圖

按照控制任務(wù)和功能性的不同可將控制系統(tǒng)的軟件詳細(xì)劃分為如圖5所示的功能模塊。

圖5 軟件功能模塊

3.2 Yeelink云平臺設(shè)置

本系統(tǒng)中Yeelink云主要負(fù)責(zé)的是各種傳感器的狀態(tài)監(jiān)測以及利用其客戶端為用戶提供APP控制，在樹莓派系統(tǒng)下通過Python程序?qū)⒏鱾€傳感器接入，并實(shí)時上傳數(shù)據(jù)。包括我們的溫濕度以及圖像信息。圖6為Yeelink客戶端APP系統(tǒng)運(yùn)行界面。

圖6 Yeelink客戶端APP系統(tǒng)運(yùn)行界面

3.3 Arduino處理程序設(shè)計(jì)

Arduino Nano板作為我們控制設(shè)備信號處理器，主要負(fù)責(zé)將無線模塊接收到的指令進(jìn)行分析和對家居設(shè)備的控制。該模塊具有成本低，程序簡單，穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。通過Arduino的串口連接系統(tǒng)的無線設(shè)備，通過Arduino豐富的I/O口控制繼電器進(jìn)而達(dá)到控制我們家居設(shè)備的目的。圖7為Arduino Nano工作流程圖。

4 系統(tǒng)調(diào)試

下面是一些系統(tǒng)調(diào)試的過程圖片以及制作的系統(tǒng)模型圖。

圖7 Arduino Nano工作流程圖

圖8 系統(tǒng)模型搭建過程2

圖9 系統(tǒng)傳感器模擬

圖10 APP端系統(tǒng)圖像采集顯示

圖11 APP端顯示溫度曲線

圖12 系統(tǒng)整體模型

5 結(jié)論

基于樹莓派的智能家居語音控制系統(tǒng)，采用樹莓派3代結(jié)合百度語音平臺、圖靈機(jī)器人平臺以及Yeelink云進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，基本完成了語音控制、語音互動、家居環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控、APP控制等要求。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)軟、硬件功能可靠，識別準(zhǔn)確，響應(yīng)及時。較好的實(shí)現(xiàn)了語音智能家居的控制[5]。