基于Wi-FiMESH網(wǎng)絡(luò)的智能語(yǔ)音交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：語(yǔ)音交互；家庭智能助手；智能家居

中圖分類號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2025）12-0029-04

DOI： 10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.12.006

Design of IntelligentVoice Interaction System Based on Wi-FiMESHNetwork

QIU Xiaoyu GE Mingtao HU HaifengZHU KongwuZHENG Yueyuan （Pingdingshan University，Pingdingshan 467Ooo， China）

Abstract：[Purposes] This paper mainly discusses the innovations and challenges of home intelligent assistants inthe field of voice interaction.It analyzes the needs of voice assistants for smart home users，and identifies that the main problems are improving the accuracy of voice recognition，enhancing interconnectivity between devices，and optimizing theuser interaction experience.[Methods] In the study，thesystemadopted Wi-Fi MESH network technology to establish stable connections between devices，and integrated ofline voice recognition technology to enhance the naturalness and response speed of interaction.Meanwhile，the brightness of the digital display was adjusted automaticall by the light sensor to enhancethe usability of the product.[Findings] After experimental testing，the Wi-Fi MESH network-based intelligent voice interaction systemdesign has significant advantages in device interconnectivity and improving the response speed of smart home control.Its wireless power supply technologyand minimalist design also meet the aesthetic neds of modern home decoration.[Conclusions] Although facing challenges such as device coverage and voice recognition accuracy，the system has successfully achieved efficient voice control of smart home devices and secure server-independent ofline control through technological innovation andoptimization，providing anew direction for the development of future home intelligent assistants.

Keywords：voice interaction; home intelligent assistant; smart home

0 引言

人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展使得語(yǔ)音助手從科幻走向現(xiàn)實(shí)，成為智能家居系統(tǒng)中不可或缺的一部分。家庭助手的發(fā)展，不僅關(guān)乎用戶體驗(yàn)滿意度的提升，也對(duì)智能家居生態(tài)系統(tǒng)的完善起到至關(guān)重要的作用。在數(shù)字化時(shí)代，語(yǔ)音交互技術(shù)正逐步成為智能家居領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

語(yǔ)音交互技術(shù)經(jīng)歷了基礎(chǔ)命令識(shí)別到復(fù)雜自然語(yǔ)言處理的演變[1]。早期語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)因識(shí)別準(zhǔn)確率低、響應(yīng)速度慢而受到限制，隨著現(xiàn)代技術(shù)（如深度學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）的應(yīng)用，語(yǔ)音交互的智能化水平得到顯著提高。自前，市場(chǎng)上主流語(yǔ)音助手（如AmazonEcho、GoogleHome及小米AI等）均已實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居設(shè)備的控制，為用戶提供了便捷的交互方式。

本研究通過回顧語(yǔ)音交互技術(shù)的發(fā)展歷程，分析當(dāng)前市場(chǎng)上主流家庭助手的技術(shù)特點(diǎn)和用戶體驗(yàn)，為語(yǔ)音交互技術(shù)在家庭助手領(lǐng)域的未來發(fā)展提供新的思路和解決方案。同時(shí)，指出面臨的挑戰(zhàn)和潛在的研究方向，促進(jìn)語(yǔ)音交互技術(shù)的進(jìn)步。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一款基于Wi-FiMESH網(wǎng)絡(luò)的智能語(yǔ)音交互系統(tǒng)，從而提供更加智能、安全、便捷的家庭助手服務(wù)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是一款集成了Wi-FiMESH網(wǎng)絡(luò)和離線語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的智能家居語(yǔ)音交互系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過Wi-FiMESH網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了一個(gè)穩(wěn)定且可擴(kuò)展的設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備間的信息共享和遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)的核心是ESP32-C3芯片，負(fù)責(zé)處理語(yǔ)音指令（離線語(yǔ)音模塊）和維持Wi-FiMESH網(wǎng)絡(luò)、控制外設(shè)及控制其他模塊，如無線充電模塊、數(shù)碼管模塊和環(huán)境光傳感器。系統(tǒng)采用SU-03T離線語(yǔ)音模塊，充許用戶通過語(yǔ)音指令來控制智能家居設(shè)備，無須依賴網(wǎng)絡(luò)連接，提高了系統(tǒng)的安全性和響應(yīng)速度[2]。該系統(tǒng)還集成了無線充電技術(shù)，用戶能夠方便地為設(shè)備充電，增強(qiáng)了使用的便捷性。此外，環(huán)境光傳感器的應(yīng)用使得系統(tǒng)能根據(jù)周圍光線強(qiáng)度來自動(dòng)調(diào)節(jié)數(shù)碼管的亮度，確保用戶在不同光照條件下都能清晰地看到顯示內(nèi)容。

相較于傳統(tǒng)的通過路由器來連接Wi-Fi的智能家居設(shè)備，該系統(tǒng)使用的Wi-FiMESH網(wǎng)絡(luò)通過組建父子節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的信息共享和遠(yuǎn)程控制[3。這種方式使得設(shè)備之間的連接更加穩(wěn)定、強(qiáng)大，并且可以避免因?yàn)槟骋还?jié)點(diǎn)故障而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰的情況發(fā)生。同時(shí)，有效減小了路由器的負(fù)擔(dān)，接入了更多的設(shè)備。

離線語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)因無須網(wǎng)絡(luò)連接即可在本地設(shè)備上處理語(yǔ)音信號(hào)而受到青睞。由于語(yǔ)音數(shù)據(jù)不會(huì)離開用戶設(shè)備，離線語(yǔ)音在隱私保護(hù)方面更為出色，減少了數(shù)據(jù)泄露和濫用的風(fēng)險(xiǎn)。在線語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)雖然能夠提供更廣泛的詞匯識(shí)別和更準(zhǔn)確地識(shí)別結(jié)果，但需要穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接，并且因數(shù)據(jù)需要上傳到云端，所以存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。與在線語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)相比，離線語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)在處理速度上更具優(yōu)勢(shì)，其避免了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要注重用戶體驗(yàn)，通過語(yǔ)音交互和物理按鍵不僅為用戶提供了直觀的操作方式，而且可以連接巴法云平臺(tái)或者米家小愛同學(xué)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。同時(shí)，系統(tǒng)還考慮了安全性，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)加密和用戶認(rèn)證功能，防止未授權(quán)訪問4。綜上所述，該設(shè)計(jì)旨在為用戶提供一個(gè)安全、便捷、智能的智能家居控制中心。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路以ESP32-C3為核心，集成Wi-Fi和藍(lán)牙功能，實(shí)現(xiàn)核心處理任務(wù)。SU-03T離線語(yǔ)音識(shí)別模塊賦予其無須網(wǎng)絡(luò)即可響應(yīng)語(yǔ)音指令的能力，確保了交互的即時(shí)性和隱私性[5]。無線充電模塊則通過無線充電接收器，為用戶提供便捷的充電解決方案。數(shù)碼管可以通過環(huán)境光傳感器來自動(dòng)調(diào)整顯示亮度，優(yōu)化用戶的視覺體驗(yàn)。此外，系統(tǒng)還包括電源管理電路及通信接口，通過Wi-FiMESH網(wǎng)絡(luò)模塊來實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的高效通信。系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

3系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開始上電后，先進(jìn)行初始化，包括串口初始化、Wi-FiMESH初始化、Wi-Fi初始化、時(shí)鐘初始化、連接Wi-Fi和MQTT服務(wù)器、連接獲取時(shí)間的服務(wù)器及實(shí)現(xiàn)顯示。

初始化完成后進(jìn)人循環(huán)函數(shù)，先進(jìn)行與Wi-FiMESH有關(guān)的操作，包括連接新的設(shè)備、向已有的設(shè)備發(fā)送心跳包等，從而完成MESH服務(wù)。再判斷是否連接Wi-Fi，如果連接Wi-Fi，則繼續(xù)連接

MQTT服務(wù)器，才能監(jiān)聽MQTT服務(wù)器發(fā)送來的數(shù)據(jù)。如果有數(shù)據(jù)發(fā)送，則判斷數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)重定義到MESH設(shè)備上，來實(shí)現(xiàn)云端控制MESH設(shè)備。當(dāng)沒有網(wǎng)絡(luò)、連接不到服務(wù)器、沒有接收到服務(wù)器信息時(shí)，則判斷是否收到離線語(yǔ)音模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)。如果有控制MESH設(shè)備的指令，則將控制MESH設(shè)備的信息發(fā)送到MESH設(shè)備，實(shí)現(xiàn)控制MESH設(shè)備的功能。由于DS1302內(nèi)部的時(shí)間已經(jīng)校準(zhǔn)，此時(shí)讀取DS1302的時(shí)間，并對(duì)時(shí)間進(jìn)行更新，在數(shù)碼管上實(shí)現(xiàn)時(shí)間的顯示。系統(tǒng)則重復(fù)執(zhí)行循環(huán)函數(shù)里的內(nèi)容，從而提供服務(wù)。系統(tǒng)的軟件流程設(shè)計(jì)如圖3所示。

4系統(tǒng)測(cè)試

在系統(tǒng)的測(cè)試過程中，主要對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性及可靠性進(jìn)行測(cè)試評(píng)估。

據(jù)串口監(jiān)視器結(jié)果顯示，其響應(yīng)時(shí)間中，控制設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)到被控設(shè)備的時(shí)間在1s左右，被控設(shè)備接收到數(shù)據(jù)到控制設(shè)備接收回調(diào)信息的時(shí)間在1.2s左右。在多次測(cè)試下，該響應(yīng)時(shí)間滿足在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用。

該實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了離線語(yǔ)音交互技術(shù)在智能家居控制中的高效性。通過Wi-FiMESH網(wǎng)絡(luò)和集成的離線語(yǔ)音識(shí)別模塊，系統(tǒng)展現(xiàn)了在無網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的高效響應(yīng)和操作的便捷性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)的設(shè)備控制響應(yīng)時(shí)間達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性和實(shí)用性。

5結(jié)語(yǔ)

與已有的研究相比，本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在Wi-FiMESH網(wǎng)絡(luò)和離線語(yǔ)音控制的應(yīng)用上展現(xiàn)了創(chuàng)新性，特別是應(yīng)用的提升用戶隱私保護(hù)和系統(tǒng)穩(wěn)定性方面。盡管該系統(tǒng)應(yīng)用的離線語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)在響應(yīng)速度方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但在復(fù)雜環(huán)境下的識(shí)別準(zhǔn)確度仍有提升空間。此外，該系統(tǒng)的設(shè)備覆蓋范圍受物理障礙和距離的限制，這在多房間環(huán)境中尤為明顯。這些問題為以后研究指明了方向，未來，可在以下方面進(jìn)行深入探討。 ① 開發(fā)更加精確的語(yǔ)音識(shí)別算法，以適應(yīng)多樣化的使用環(huán)境。 ② 研究如何通過硬件創(chuàng)新來增強(qiáng)設(shè)備的信號(hào)穿透力和覆蓋范圍。 ③ 考慮數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)的長(zhǎng)效機(jī)制，確保用戶信息的安全。通過這些研究，可進(jìn)一步提升家庭智能助手的性能和用戶滿意度。

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