基 于 云 平 臺(tái) 的 家 庭 語(yǔ) 音 控 制 系 統(tǒng)

趙 麗， 鄭艷芳， 田會(huì)峰， 張寶芳

(江蘇科技大學(xué)(張家港校區(qū)) 電氣與信息工程學(xué)院，江蘇 張家港 215600)

0 引 言

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也日新月異，許多人都致力于做到萬(wàn)物互聯(lián)，全球互聯(lián)。嵌入式技術(shù)與集成技術(shù)愈發(fā)完善，通信技術(shù)更是獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，隨著5G的到來(lái)，智能設(shè)備將迎來(lái)一個(gè)良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，更多的設(shè)備可以互聯(lián)網(wǎng)化，也開始在互動(dòng)上提升用戶體驗(yàn)，包括場(chǎng)景、語(yǔ)音識(shí)別等多個(gè)維度可進(jìn)行的互動(dòng)。把如今成熟且安全的技術(shù)應(yīng)用于智能家居，可以更好地優(yōu)化人們的生活環(huán)境，使人們的生活變得方便舒適[1-3]。云技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的提出和快速發(fā)展，為研究新一代的智能家居系統(tǒng)提供了新的思路和平臺(tái)。

“云計(jì)算”一詞用來(lái)同時(shí)描述一個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)或者一種類型的應(yīng)用程序。一個(gè)云計(jì)算的平臺(tái)按需進(jìn)行動(dòng)態(tài)地部署、配置、重新配置以及取消服務(wù)等。在云計(jì)算平臺(tái)中的服務(wù)器可以是物理的服務(wù)器或者虛擬的服務(wù)器。高級(jí)的計(jì)算云通常包含一些其他的計(jì)算機(jī)資源，例如存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(ASNs)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，防火墻以及其他安全設(shè)備等。云計(jì)算在描述應(yīng)用方面，它描述了一種可以通過互聯(lián)網(wǎng)Internet進(jìn)行訪問的可擴(kuò)展的應(yīng)用程序?！霸茟?yīng)用”使用大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心以及功能強(qiáng)勁的服務(wù)器來(lái)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。任何一個(gè)用戶可以通過合適的互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備以及一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器就能夠訪問一個(gè)云計(jì)算應(yīng)用程序[4]。

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)主要是采用先進(jìn)的非特定人語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)，并結(jié)合ZigBee通信技術(shù)，將識(shí)別到的內(nèi)容和控制指令發(fā)送給遠(yuǎn)程的控制模塊實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)控制，力圖為用戶打造更加貼心、舒適的個(gè)性化智能家居體驗(yàn)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于云計(jì)算的家庭語(yǔ)音控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于云計(jì)算的家庭語(yǔ)音控制系統(tǒng)由主控制器、ZigBee通信模塊、溫濕度采集及控制模塊、供電模塊等構(gòu)成。由語(yǔ)音識(shí)別模塊向主控器輸入用戶指令，然后樹莓派將通過ZigBee遠(yuǎn)程通信發(fā)送給遠(yuǎn)程控制模塊控制燈等家用電器的開關(guān)；也可獲取當(dāng)前室內(nèi)的溫濕度情況等，并通過語(yǔ)音識(shí)別模塊解析，播報(bào)當(dāng)前情況；也可以進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，完成良好的人際交流。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 語(yǔ)音控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

主控制器選用了樹莓派(Raspberry Pi)，它是一款基于ARM的微型電腦主板，又稱卡片式電腦，是由英國(guó)慈善機(jī)構(gòu)“Raspberry Pi基金會(huì)”開發(fā)的[5]。操作系統(tǒng)采用開源的Linux系統(tǒng)，如Debian、Arch Linux，以及樹莓派基金會(huì)提供的Raspbian系統(tǒng)，自帶的Iceweasel、 KOffice等軟件，能夠滿足基本的網(wǎng)絡(luò)瀏覽、文字處理以及電腦學(xué)習(xí)的需要。芯片采用Broadcom BCM2836，其中CPU以ARM Cortex-A7 四核處理器核心，4 個(gè) USB 2.0 插口，一個(gè)10/100 BaseT RJ45以太網(wǎng)口，15 路 MPI CSI-2 連接器，用于 Raspberry Pi 高清攝像機(jī)，HDMI 1.3口等。

ZigBee模塊采用低成本、低功耗、高集成度工業(yè)級(jí)ZigBee芯片CC2530，具有超低電流消耗和高接收靈敏度等特點(diǎn)，可確保短距離通信信道的衰減小和可靠性。負(fù)責(zé)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳送給樹莓派控制器，并將語(yǔ)音輸入的數(shù)據(jù)傳送給各節(jié)點(diǎn)，以獲取相關(guān)信息。本系統(tǒng)中ZigBee選用TI公司的CC2530芯片，符合2.4 GHz IEEE802.15.4協(xié)議[6]。樹莓派控制器與ZigBee模塊的連接示意圖如圖3所示。

圖3 ZigBee連接示意圖

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包含在語(yǔ)音助手終端的樹莓派開發(fā)板上用Python語(yǔ)言編寫語(yǔ)音交互和控制程序，并且此Python程序運(yùn)行在開發(fā)板上的Raspbian系統(tǒng)中。在遠(yuǎn)程控制模塊中用C語(yǔ)言開發(fā)ZigBee遠(yuǎn)程通信以及電燈開關(guān)程序。

1.2.1云端服務(wù)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的語(yǔ)音聊天和家居語(yǔ)音管理功能需要借助云端實(shí)現(xiàn)，其中涉及到百度語(yǔ)音和圖靈機(jī)器人兩個(gè)云平臺(tái)。

百度語(yǔ)音有兩項(xiàng)語(yǔ)音服務(wù)，第一項(xiàng)服務(wù)是語(yǔ)音識(shí)別，它可以對(duì)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器上的語(yǔ)音進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別的算法分析，并且以文本形式返回分析結(jié)果；另一項(xiàng)服務(wù)是語(yǔ)音轉(zhuǎn)文字功能，它可以將傳輸?shù)皆贫说奈谋巨D(zhuǎn)換成語(yǔ)音并返回[7-8]。

圖靈機(jī)器人是基于自然語(yǔ)言處理、知識(shí)庫(kù)和云計(jì)算等技術(shù)，為開發(fā)者提供的一系列智能語(yǔ)義處理能力(包括語(yǔ)義理解、智能問答、知識(shí)庫(kù)對(duì)接等)的服務(wù)平臺(tái)。它會(huì)以文本形式響應(yīng)接收到的文本，從而實(shí)現(xiàn)智能對(duì)話，圖靈機(jī)器人提供了多種服務(wù)，查詢天氣，查詢車票等等功能。

申請(qǐng)百度語(yǔ)音的服務(wù)過程如下：①登錄百度語(yǔ)音官網(wǎng)并注冊(cè)成為開發(fā)者；②創(chuàng)建應(yīng)用；③查看API key 和Secret key值。

申請(qǐng)圖靈機(jī)器人的服務(wù)的過程如下：①登錄官網(wǎng)并注冊(cè)成為開發(fā)者；②創(chuàng)建應(yīng)用；③查看API key 值和Secret key值。

1.2.2語(yǔ)音對(duì)話軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電初始化，標(biāo)志LED亮，樹莓派開始采集聲音，并將采集到的聲音上傳至百度語(yǔ)音的云端作語(yǔ)音識(shí)別，并以文本形式返回。判斷用戶的需求，選擇繼續(xù)使用云端的圖靈機(jī)器人進(jìn)行語(yǔ)音對(duì)話還是執(zhí)行用戶管理家居系統(tǒng)的指令，流程圖如圖4所示。

圖4 語(yǔ)音對(duì)話程序設(shè)計(jì)流程圖

1.2.3遠(yuǎn)程控制模塊軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程控制模塊會(huì)等待ZigBee傳輸?shù)挠脩糁噶?，并?zhí)行相應(yīng)的命令。遠(yuǎn)程控制模塊檢測(cè)是否接受到控制信號(hào)，同時(shí)檢測(cè)傳感器是否達(dá)到閾值，相應(yīng)機(jī)構(gòu)發(fā)生動(dòng)作。流程圖如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)程控制程序設(shè)計(jì)流程圖

2 系統(tǒng)測(cè)試

本設(shè)計(jì)的家居語(yǔ)音助手由一個(gè)語(yǔ)音交互終端和兩個(gè)遠(yuǎn)程控制模塊構(gòu)成。由麥克風(fēng)向控制終端中輸入用戶指令，然后終端中的樹莓派將通過ZigBee遠(yuǎn)程通信發(fā)送給遠(yuǎn)程控制模塊控制燈的關(guān)斷。封裝好的實(shí)物如圖6所示，其中左邊兩個(gè)是遠(yuǎn)程控制模塊，最右邊的那個(gè)是語(yǔ)音交互終端。

圖6 實(shí)物封裝圖

(1) 家居系統(tǒng)控制功能。采用了2個(gè)LED來(lái)模擬家居系統(tǒng)中不同房間的用電設(shè)備，分別標(biāo)注為“臥室”“廚房”。當(dāng)我們說：“管家，打開廚房的燈”時(shí)，左邊的模塊會(huì)控制左邊的燈點(diǎn)亮。

(2) 語(yǔ)音聊天功能。終端將采集的語(yǔ)音發(fā)送到百度語(yǔ)音的云端，并在云端進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別，以文本形式返回識(shí)別結(jié)果，然后調(diào)用圖靈機(jī)器人對(duì)該文本做出答應(yīng)，并也以文本形式返回結(jié)果，再次調(diào)用百度語(yǔ)音的文字轉(zhuǎn)語(yǔ)音功能，將圖靈機(jī)器人返回的文本轉(zhuǎn)成語(yǔ)音，并在樹莓派上播放出來(lái)。如：當(dāng)用戶需要咨詢天氣，程序調(diào)用圖靈機(jī)器人的接口，以天氣情況返回。

3 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)基于云計(jì)算+樹莓派的方案較好地實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制智能家居并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能。樹莓派采用Linux操作系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性高，后續(xù)可以方便地進(jìn)行擴(kuò)展。

經(jīng)驗(yàn)證，本系統(tǒng)能夠提供更自然的語(yǔ)音交互體驗(yàn)，并且提供了一種新的改造傳統(tǒng)家居系統(tǒng)而并不是直接更換所有的家居的思路，具備實(shí)用價(jià)值。