基于Arduino的智能家居語音控制及能源管理系統(tǒng)設(shè)計*

賈曉寶，畢玉潔，姚衛(wèi)豐，譚凌峰，劉鵬程

基于Arduino的智能家居語音控制及能源管理系統(tǒng)設(shè)計*

賈曉寶1，畢玉潔1，姚衛(wèi)豐1，譚凌峰1，劉鵬程2

（1.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院，廣東 深圳 518055；2. 深圳市騰訊計算機系統(tǒng)有限公司，廣東 深圳 518055）

文章設(shè)計了基于Arduino的智能家居語音控制及能源管理系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由主控制器模塊、語音識別模塊、液晶顯示模塊、繼電器組模塊及電源模塊等組成．通過非特定人語音識別技術(shù)，系統(tǒng)可根據(jù)用戶口令控制相關(guān)電氣動作，監(jiān)測家庭或者整個建筑物設(shè)備的耗電量、人員活動狀態(tài)、家居環(huán)境等參數(shù)，并將各類參數(shù)在液晶屏模塊實時顯示，也可將參數(shù)作為數(shù)據(jù)源為第三方平臺提供數(shù)據(jù)服務(wù)．

Arduino；開源；非特定人語音識別；室內(nèi)環(huán)境

艾瑞咨詢在其2018年中國智能家居行業(yè)研究報告中指出：物聯(lián)網(wǎng)、云計算和人工智能是智能家居領(lǐng)域的三大關(guān)鍵技術(shù)[1]．金基環(huán)境智能研究機構(gòu)進(jìn)一步指出，智能家居有望在聽覺、視覺及觸覺等多層面具備主動觀察和感知能力[2]．將語音識別這項新技術(shù)與傳統(tǒng)的智能家居電氣控制系統(tǒng)相結(jié)合，可以讓語言成為人類和智能家居系統(tǒng)溝通的橋梁，使人類的日常家居生活變得更加便捷、舒適與節(jié)能．文獻(xiàn)[3]實現(xiàn)了語音與玩具娃娃的簡單對話，文獻(xiàn)[4]通過語音識別實現(xiàn)對電燈、風(fēng)扇、窗簾的控制，文獻(xiàn)[5]對智能家居能耗管理系統(tǒng)的背景、組成與趨勢進(jìn)行了深入分析，文獻(xiàn)[6]結(jié)合環(huán)境參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)從深度學(xué)習(xí)的角度設(shè)計了一種智能家居管控模型．本研究結(jié)合語音識別技術(shù)、室內(nèi)環(huán)境參數(shù)采集、電量參數(shù)采集以及節(jié)能控制策略，從標(biāo)準(zhǔn)、開放與節(jié)能的角度出發(fā)設(shè)計了基于開源硬件Arduino的智能家居語音控制及能源管理系統(tǒng)．

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)工作原理

基于Arduino的智能家居語音控制及能源管理系統(tǒng)采用非特定人語音識別技術(shù)，通過MIC采集人的自然語言，輸入語音識別模塊后實施頻譜分析與語音特征的提取，并將識別的語音轉(zhuǎn)換成特定的字符串經(jīng)SPI串行總線接口傳輸給微控制器．微控制器將接收的字符串與其預(yù)定義好的關(guān)鍵詞語列表中的關(guān)鍵詞語進(jìn)行匹配，若匹配成功則微控制器通過繼電器模塊執(zhí)行相應(yīng)動作，否則微控制器視接收到的字符串為無效信息或干擾信息，不執(zhí)行任何操作．同時，微控制器通過數(shù)字輸入端口接收來自人體紅外傳感模塊、溫濕度傳感模塊的信息，系統(tǒng)自動判斷是否有人在房間，當(dāng)房間內(nèi)無人的時長超過系統(tǒng)設(shè)定閾值時及時停止用電設(shè)備，達(dá)到節(jié)約能耗的目的；通過模擬輸入端口采集用電設(shè)備的電流值，計算設(shè)備的耗電量．微控制器將采集的溫濕度、電量、人員狀態(tài)信息通過I2C通信方式實時顯示在液晶顯示模塊上，便于人們及時了解各用電設(shè)備的耗電量及室內(nèi)環(huán)境狀況，加強人們的節(jié)能意識．系統(tǒng)設(shè)計原理圖如圖1所示．

1.2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成及電路設(shè)計

微控制器是控制系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)基于開源硬件平臺Arduino UNO進(jìn)行設(shè)計開發(fā)．Arduino UNO基于ATmega328P的單片機開發(fā)板，具有14路數(shù)字輸入輸出，6路模擬輸入，1路UART接口，非常適合小型的輸入輸出接口控制的對象[7]．

圖1 基于Arduino智能家居語音控制及能源管理系統(tǒng)原理圖

語音識別模塊采用LD3320芯片，非特定人語音識別技術(shù)，可離線識別[8]．該芯片的工作電源電壓為3.3V，采用SPI的通訊方式接口，可與Arduino對應(yīng)的SPI管腳直接連接即可，接線相對簡單[9]．此外，SPI接口傳輸協(xié)議簡單，數(shù)據(jù)的傳輸速率高，語音識別模塊與微控制器通過該接口通訊，具有較強的實時性．從語音識別到微控制器執(zhí)行相關(guān)動作，使用者不會感覺到時延的存在．

為了使該控制系統(tǒng)功能更加完善，使用更人性化，系統(tǒng)硬件配置了室內(nèi)環(huán)境感知與采集模塊、人員移動探測、電器電量采集等傳感器、LCD液晶顯示器等輔助設(shè)備．溫濕度傳感模塊DHT11是一款含有已校準(zhǔn)的數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器[10]，與微控制器Arduino單總線接口通訊．電流互感器（CT Sensor）是測量交流電流（AC）的傳感器，系統(tǒng)設(shè)計開合式電流互感器結(jié)構(gòu)，尤其對已正常供電的建筑物，不用斷電就可完成傳感器及系統(tǒng)的安裝[11]．電流采集電路設(shè)計一33Ω的負(fù)載電阻，將互感器二次線圈輸出交流電流轉(zhuǎn)換為范圍[-2.333，2.333]伏交流電壓；同時設(shè)計一組由2只10kΩ電阻和一只10μF電容構(gòu)成的偏置電路，將負(fù)載電阻的電壓變化范圍提升到適合微控制器采集計算的電壓范圍．液晶顯示模塊選擇16*2的LCD顯示器并且采用了RGB的背光燈，可以使顯示屏顯示出不同的顏色，液晶顯示模塊與微控制器通過I2C方式通信[12]．詳細(xì)電路設(shè)計圖如圖2所示．

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件程序包括初始化程序、語音識別程序、參數(shù)采集顯示程序3個部分．初始化程序主要包括對Arduino控制板的引腳形式的初始化、相關(guān)庫函數(shù)的加載、語音識別模塊的初始化以及波特率的設(shè)置等．語音識別程序主要是判斷輸入的語音字符是否符合關(guān)鍵列表中定義的語音，根據(jù)具體的語音口令執(zhí)行相關(guān)操作．參數(shù)采集顯示程序主要是在定義引腳的基礎(chǔ)上，采集計算不同的參數(shù)并且顯示在LCD屏．軟件工作流程圖如圖3所示．

2.1 系統(tǒng)初始化

初始化主要通過 void setup()函數(shù)完成[13]，其目的是加載相關(guān)庫函數(shù)、設(shè)置波特率、常量定義等，為系統(tǒng)做一些基本的初始化工作．在該系統(tǒng)控制的軟件實現(xiàn)過程中，初始化主要由4部分組成：Arduino控制板的引腳狀態(tài)的初始化、波特率的設(shè)置、LD3320語音模塊的初始化以及LCD液晶屏的初始化．1）引腳狀態(tài)初始化通過pinMode函數(shù)來完成，初始化程序需完成：定義A1~A3引腳為三路電量采集通道；定義D0~D3為三路輸出控制繼電器組模塊通道；定義D6、D8引腳分別為采集溫濕度與人體感應(yīng)狀態(tài)．2）波特率作為該系統(tǒng)與第三方軟件平臺信號傳輸速率的一種量度，通過調(diào)用串口函數(shù)將系統(tǒng)波特率定義為9600[14]．3）語音識別模塊LD3320 通過SPI方式與 Arduino 控制板通信，在初始化芯片的SPI通訊方式前必須加入庫函數(shù)ld3320.h，通過Voice.ini()來實現(xiàn)[15]．4）LCD屏的初始化是通過begin()函數(shù)來實現(xiàn)的，該函數(shù)有2個參數(shù)，第一個參數(shù)指列，表示LCD的列數(shù)；第二個參數(shù)指行，表示LCD的行數(shù)．具體程序如圖4所示．

圖2 設(shè)計電路圖

圖3 軟件工作流程圖

圖4 系統(tǒng)初始化程序樹狀圖

2.2 語音識別程序與參數(shù)采集顯示程序

語音識別與參數(shù)采集顯示程序主要是通過void loop()函數(shù)完成．void loop()函數(shù)是一個循環(huán)函數(shù)，軟件會循環(huán)運行這個函數(shù)內(nèi)的程序．

語音識別程序由3部分組成：設(shè)置關(guān)鍵指令的內(nèi)容和參數(shù)，識別指令，識別條件以及根據(jù)識別的結(jié)果輸出狀態(tài)．1）設(shè)置指令內(nèi)容和參數(shù)主要是通過函數(shù)Voice.addCommand()來完成，這個函數(shù)包含兩個參數(shù)，第一個是指令內(nèi)容，設(shè)置LD3320識別的關(guān)鍵詞語，第二個參數(shù)是給關(guān)鍵詞語排序．2）開始識別指令時通過Voice.start()函數(shù)完成的，該函數(shù)在系統(tǒng)上電后運行，執(zhí)行該函數(shù)LD3320會無限循環(huán)識別周圍環(huán)境的聲音．3）因為對識別的精度要求比較高，所以采取的識別模式為觸發(fā)識別，當(dāng)按鈕的狀態(tài)為HIGH，LD3320會開始識別環(huán)境的聲音．

參數(shù)采集顯示程序由3部分構(gòu)成：定義引腳、采集參數(shù)與顯示參數(shù)．1）定義各參數(shù)采集的物理引腳，如電流傳感器的引腳定義是由emon1.current()函數(shù)完成的，這函數(shù)包含兩個參數(shù)，第一個為引腳參數(shù)，是模擬量引腳，第二個參數(shù)為電流傳感器互感器的量程．2）顯示參數(shù)是通過函數(shù)lcd.print()實現(xiàn)的，采集到的參數(shù)數(shù)據(jù)會顯示在LCD屏．語音識別與參數(shù)采集顯示程序樹狀圖如圖5所示．

圖5 語音識別與參數(shù)采集顯示程序樹狀圖

3 應(yīng) 用

按照上述思想，設(shè)計的智能家居語音控制器及能源管理系統(tǒng)實驗板如圖6所示．為了便于測試系統(tǒng)及驗證參數(shù)采集的準(zhǔn)確性，該實驗板安裝在深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑智能化工程樓宇自動化實訓(xùn)室，該實訓(xùn)室配置三路照明回路，格力立式空調(diào)KFR-72LW 2臺，實訓(xùn)電腦21臺．系統(tǒng)主要實現(xiàn)功能包括：一路照明回路和1臺空調(diào)的語音開關(guān)控制；室內(nèi)人員狀態(tài)與溫濕度參數(shù)檢測；回路實時電流采集，由于照明回路電流較小，空調(diào)是大耗能設(shè)備，因此系統(tǒng)測試采集其中1臺立式空調(diào)的實時電流，互感器安裝如圖7所示；系統(tǒng)通過串口將所采集的數(shù)據(jù)源提供給樓宇集成第三方平臺集成顯示．系統(tǒng)經(jīng)1個月的不間斷測試運行穩(wěn)定可靠．

圖6 系統(tǒng)測試實驗板

圖7 互感器安裝位置

需要說明的是系統(tǒng)為基礎(chǔ)階段，節(jié)能控制的算法較為簡單，空調(diào)的開啟除了語音啟動供電外，還必須使用空調(diào)專屬遙控器方可真正運行，后期將從提高語音識別的精度與范圍，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法等方面提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能效果．

[1] 艾瑞研究院．中國智能家居行業(yè)研究報告（2018年）[R]．上海：上海艾瑞市場咨詢有限公司，2018．

[2] 金基環(huán)境智能．人工智能加持下的智能家居行業(yè)現(xiàn)狀[EB/OL]．[2019-04-06]．http://www.hn-ami.com/mobile/ArticleDetail-I444.html．

[3] 王富中．基于語音識別技術(shù)的智能控制系統(tǒng)設(shè)計[J]．自動化與儀表，2006（4）：8-10．

[4] 王磊．智能語音控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．計算機測量與技術(shù)，2018，26（2）：109-122．

[5] Yuanyuan liu Bo-Qiu. review of samrt home energy management system[J]., 2016，104：504-508．

[6] 毛博，徐恪，等．一種基于深度學(xué)習(xí)的智能家居管控模型[J]．計算機學(xué)報，2017，40（8）：1-15．

[7] Akram syed ali Zachary-Zanzinger. A low cost arduino- based platform for long-term indoor environmental data collection[J]., 2016，100（2）：114-126．

[8] 洪家平．LD3320的嵌入式語音識別系統(tǒng)的應(yīng)用[J]．單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012（2）：47-49，53．

[9] Icroute．LD3320數(shù)據(jù)手冊[M]．上海：ICRoute公司，2018：3-5．

[10] Aosong．DHT11溫濕度模塊開發(fā)手冊[M]．廣州：奧松電子公司，2018：1-5．

[11] Yhdc．SCT006電流互感器開發(fā)手冊[EB/OL]．河北：耀華德昌．[2017-07-07]．http://www.yhdc.com/product 1393.html.

[12] Seeed technology co. Ltd. Grove-LCD RGB Backlight [EB/OL]. [2018-02-15]. http://wiki.seeedstudio.com/cn/ Grove-LCD_RGB_Backlight/.

[13] Fund Arduino. Arduino IDE User Manual[EB/OL]. [2017-03-22]. https://www.arduino.cc/en/Main/Software.

[14] 周騎．面向家庭的無線移動視頻監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[D]．北京：北京交通大學(xué)，2015．

[15] Icroute公司．LD3320開發(fā)手冊[M]．上海：Icroute公司，2018：11-19．

Design of Smart Home Voice Control and Energy Management System Based on Arduino Micro-Controller

JIA Xiaobao1, BI Yujie1, YAO Weifeng1, TAN Lingfeng1, LIU Pengcheng2

（）

In this paper, a smart home voice control and energy management system based on Arduino micro-controller is designed. The system is mainly composed of micro-controller, voice recognition, LCD display, switch groups and power module. Via speaker-independent automatic speech recognition technology, the system can control domestic appliances and measure a number of important parameters in a house, such as electricity (electric power consumption), human presence, and indoor environment. The system can also display those parameters on LCD screen and supply service for the third platform as a data source.

Arduino; open source; speaker-independent automatic speech recognition; indoor environment

2019-05-23

深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然科學(xué)基金資助項目（601822K21027）

賈曉寶，男，陜西人，碩士，講師，研究方向為建筑智能化控制技術(shù)．

TP273

A

1672-0318（2020）01-0023-06

10.13899/j.cnki.szptxb.2020.01.004