陳松

（安徽新華學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230088）

基于Android平臺(tái)的家居遠(yuǎn)程語(yǔ)音控制系統(tǒng)研究

陳松

（安徽新華學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230088）

本文設(shè)計(jì)了一種基于Android平臺(tái)的家居遠(yuǎn)程語(yǔ)音控制系統(tǒng)并驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思路.該系統(tǒng)通過(guò)訊飛云語(yǔ)音平臺(tái)進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別、用2.4G無(wú)線通信模塊NRF24L01實(shí)現(xiàn)家庭環(huán)境下的信息通信，用戶可通過(guò)Android手持終端對(duì)智能家居設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制.該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，組網(wǎng)容易，數(shù)據(jù)傳輸方式較為新穎，使用費(fèi)用低廉，易于市場(chǎng)推廣.

語(yǔ)音控制；Android系統(tǒng)；遠(yuǎn)程通信

1 引言

隨著科技水平的提高，經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人們的收入水平顯著增長(zhǎng)，同時(shí)越來(lái)越能感受到現(xiàn)代化生活所帶來(lái)的便利.智能家居的概念一度十分火熱.智能家居系統(tǒng)一般是指利用自動(dòng)控制、模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)通信等技術(shù)，對(duì)家庭生活中的電子設(shè)備進(jìn)行智能管理和控制的系統(tǒng)[1].此系統(tǒng)中，有兩項(xiàng)技術(shù)較為關(guān)鍵，一個(gè)是數(shù)據(jù)通信，一個(gè)是智能控制.數(shù)據(jù)通信是指人與設(shè)備之間，不同設(shè)備之間的信息傳送.智能控制是指控制信息如何表達(dá)，如何被設(shè)備理解.

對(duì)于人類(lèi)而言，最方便的控制家居設(shè)備的方式莫過(guò)于語(yǔ)音控制，讓設(shè)備“聽(tīng)懂”自然語(yǔ)言，并執(zhí)行操作.我們可以看到一些研究機(jī)構(gòu)展示的可以與人類(lèi)交談的機(jī)器人，相當(dāng)受到大眾的喜愛(ài).而目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的智能家居系統(tǒng)產(chǎn)品[2]，要么功能較為單一，要么較少采用語(yǔ)音控制方式.那么可否設(shè)計(jì)一種成本低，易實(shí)現(xiàn)，易維護(hù)，更符合市場(chǎng)需求的家居遠(yuǎn)程語(yǔ)音控制系統(tǒng)呢？

2 設(shè)計(jì)思路

實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的遠(yuǎn)程語(yǔ)音控制，首先要設(shè)計(jì)相關(guān)的通信結(jié)點(diǎn).用戶在戶外通過(guò)手持終端設(shè)備（Android平臺(tái)）輸入語(yǔ)音指令.該指令通過(guò)第三方平臺(tái)進(jìn)行語(yǔ)音到文字的轉(zhuǎn)換，隨后將識(shí)別后的結(jié)果傳輸至云主機(jī).云主機(jī)用于實(shí)現(xiàn)命令的轉(zhuǎn)發(fā)，根據(jù)用戶指令中的ID，將控制命令傳輸至用戶家中的本地控制器.本地控制器通過(guò)以太網(wǎng)端口實(shí)現(xiàn)與云主機(jī)在Internet上的數(shù)據(jù)交互.本地控制器內(nèi)置指令識(shí)別軟件，并且包含有對(duì)紅外控制模塊，各類(lèi)家電控制模塊（如燈光控制模塊）進(jìn)行管理的指令集，通過(guò)識(shí)別云主機(jī)所發(fā)送的指令，再利用2.4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)針對(duì)各個(gè)模塊發(fā)送對(duì)應(yīng)的控制信息.總體設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖1.

圖1 系統(tǒng)總體框圖

在系統(tǒng)的硬件組成中，控制中心是由手持移動(dòng)終端、云主機(jī)以及本地控制中心組成.控制中心的主要功能是使用手持移動(dòng)設(shè)備，通過(guò)GPRS將用戶輸入的語(yǔ)音信息傳送至第三方平臺(tái)進(jìn)行識(shí)別，再將識(shí)別結(jié)果通過(guò)GPRS傳輸至云主機(jī)，云主機(jī)接收到用戶輸入的指令信息后將根據(jù)用戶唯一識(shí)別號(hào)ID找到與用戶對(duì)應(yīng)的本地控制器的終端地址，并通過(guò)串口將指令信息發(fā)送至本地控制器，最終本地控制器將通過(guò)內(nèi)置的指令識(shí)別軟件對(duì)云主機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，得到相關(guān)命令后通過(guò)無(wú)線設(shè)備發(fā)送到各個(gè)控制子模塊.

目前用戶手持終端設(shè)備使用最廣泛的仍然是智能手機(jī).智能手機(jī)的操作系統(tǒng)平臺(tái)主要是Android系統(tǒng)和蘋(píng)果系統(tǒng)[3].由于蘋(píng)果公司在中國(guó)采用的營(yíng)銷(xiāo)策略以及蘋(píng)果手機(jī)本身的價(jià)格，蘋(píng)果手機(jī)在中國(guó)的市場(chǎng)占有率并不高，2014年才突破25%.國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率較高的Android系統(tǒng)是谷歌公司的產(chǎn)品，主要針對(duì)于移動(dòng)手持終端.2011年，谷歌公司收購(gòu)了摩托羅拉公司，開(kāi)始主推Android操作系統(tǒng).很快，Android操作系統(tǒng)的全球市場(chǎng)占有率達(dá)到52.5%[4]，中國(guó)內(nèi)地的占有率也超過(guò)58%.目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，采用Android系統(tǒng)平臺(tái)作為手持控制終端設(shè)備的很少.同時(shí)Android系統(tǒng)是開(kāi)源的，在此平臺(tái)上制作手機(jī)APP較為方便.考慮到Android系統(tǒng)的使用率更高，發(fā)展前景較好，同時(shí)開(kāi)發(fā)便利等因素，本文設(shè)計(jì)的家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中移動(dòng)終端將使用Android系統(tǒng).

鑒于近幾年云計(jì)算的出現(xiàn)，許多優(yōu)秀的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)也在利用這個(gè)平臺(tái)逐漸向用戶開(kāi)放.其中“訊飛語(yǔ)音+”基于語(yǔ)音云開(kāi)放平臺(tái)面向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)，開(kāi)放了語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)義理解、語(yǔ)音對(duì)話和聲紋識(shí)別等智能語(yǔ)音交互技術(shù)的語(yǔ)音服務(wù)接口.“訊飛語(yǔ)音+”能夠提供豐富靈活的語(yǔ)音服務(wù)，為各類(lèi)移動(dòng)終端應(yīng)用集成語(yǔ)音能力打開(kāi)了方便快捷的通道，降低語(yǔ)音應(yīng)用的開(kāi)發(fā)門(mén)檻和周期，使開(kāi)發(fā)伙伴能快速構(gòu)建“能聽(tīng)會(huì)說(shuō)”的語(yǔ)音應(yīng)用，并針對(duì)移動(dòng)終端設(shè)備的通訊、存儲(chǔ)和計(jì)算資源受限的特性，在保證語(yǔ)音服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)的接口訪問(wèn)方式，兼顧了應(yīng)用和終端用戶的需求.另外，“訊飛語(yǔ)音+”具備升級(jí)擴(kuò)展功能，保證用戶始終能夠獲取最新最優(yōu)質(zhì)的語(yǔ)音服務(wù).選擇“訊飛語(yǔ)音+”作為遠(yuǎn)程語(yǔ)音控制系統(tǒng)的語(yǔ)音識(shí)別方法，不失為明智之舉，既節(jié)約成本，又便于開(kāi)發(fā)，用戶體驗(yàn)更好，同時(shí)具備升級(jí)擴(kuò)展?jié)摿?，便于進(jìn)行市場(chǎng)推廣.

本地控制器及各家居設(shè)備對(duì)應(yīng)的子控制器均可選擇帶有無(wú)線通信模塊的單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn).這方面的選擇較多，對(duì)單片機(jī)的性能要求并不高，因此可以選擇更為便宜的單片機(jī)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，以降低設(shè)計(jì)成本.

3 通信協(xié)議

本文所設(shè)計(jì)的家用遠(yuǎn)程語(yǔ)音控制系統(tǒng)，由于時(shí)間、空間所限，僅通過(guò)模擬實(shí)現(xiàn)其中一個(gè)子集來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路.該系統(tǒng)中通信是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，結(jié)合家居環(huán)境的特點(diǎn)以及方便市場(chǎng)推廣，本文對(duì)構(gòu)成該系統(tǒng)的通行協(xié)議做了如下選擇：Android手機(jī)和訊飛語(yǔ)音云之間采用了http通信協(xié)議.Android手機(jī)調(diào)用相應(yīng)的開(kāi)發(fā)接口，提供音頻輸入，獲取訊飛語(yǔ)音云返回的結(jié)果；Android手機(jī)與云主機(jī)之間采用UDP通信協(xié)議傳送數(shù)據(jù),云主機(jī)采用socket接收數(shù)據(jù)并處理；云主機(jī)與本地控制器之間采用是串口通信，云主機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)處理后經(jīng)過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳到本地控制器；本地控制器與子控制模塊之間采用的是2.4G信號(hào)傳輸，子控制模塊接收到數(shù)據(jù)后查找本地存儲(chǔ)的指令表，然后執(zhí)行指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居的控制.具體通信協(xié)議也可根據(jù)實(shí)際情況選擇其他協(xié)議標(biāo)準(zhǔn).

4 驗(yàn)證性設(shè)計(jì)

根據(jù)家居特點(diǎn)，本文主要模擬了燈光控制模塊，以此來(lái)驗(yàn)證該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是否正確.各通信結(jié)點(diǎn)都需要進(jìn)行相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì).需補(bǔ)充說(shuō)明的是，每一樣家居設(shè)備都需要有對(duì)應(yīng)的子控制器，這是用來(lái)把控制信息轉(zhuǎn)化為具體操作的，就像遙控器去控制電視機(jī)一樣.如果幾個(gè)設(shè)備使用同樣的控制信息，比如一排燈同步亮滅，那么是可以使用相同的子控制器的.當(dāng)然，多數(shù)家居設(shè)備的控制較為簡(jiǎn)單或智能化比較高（自帶遙控控制設(shè)備），因此子控制器可由單片機(jī)和無(wú)線接收模塊構(gòu)成，單片機(jī)用于數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單處理，無(wú)線接收模塊用于信息的轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)那些智能化較高的家具設(shè)備，則可以對(duì)其遙控裝置進(jìn)行改造，接入到家居環(huán)境中的無(wú)線局域網(wǎng)中，同步受控即可.因此在實(shí)際的家居環(huán)境中，子控制器的需求量雖然較多，但并不會(huì)過(guò)分增加使用成本.

系統(tǒng)驗(yàn)證的相關(guān)硬件如下：

（1）2.4G無(wú)線模塊NRF24L01：一片連接本地控制器用于發(fā)送有效指令；另外一片用于燈光控制模塊中，接收本地控制器發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的控制.

（2）本地控制器MSP430G2553：用于實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的傳輸，掃描串口是否有數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)來(lái)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)指令的解析與轉(zhuǎn)發(fā).

（3）燈光控制模塊：主要由MSP430G2553和紅黃綠三個(gè)LED燈，用來(lái)驗(yàn)證燈光控制的可行性.

（4）基于Android平臺(tái)的智能手機(jī)：用于接收用戶語(yǔ)音，轉(zhuǎn)發(fā)給訊飛云語(yǔ)音平臺(tái)，并從解析后的文本提取有效指令，再發(fā)送給服務(wù)器.

（5）PC:作為服務(wù)器使用，并用于編程與程序燒制.

系統(tǒng)驗(yàn)證的相關(guān)軟件有：

（1）用于手持控制端：Android操作系統(tǒng)

（2）服務(wù)器控制端：Windows操作系統(tǒng)

（3）開(kāi)發(fā)用軟件：JAVA、Android Studio、VC++6.0、CCS5.4等.

總體功能模塊圖如下：

圖2 系統(tǒng)總體功能模塊圖

驗(yàn)證性系統(tǒng)順利通過(guò)了組網(wǎng)測(cè)試，數(shù)據(jù)能夠在各通信結(jié)點(diǎn)之間正常傳送；通過(guò)了功能測(cè)試，能夠通過(guò)語(yǔ)音遠(yuǎn)程控制LED燈.家居設(shè)備的控制信息，其格式設(shè)計(jì)如下：子模塊ID—控制的家電類(lèi)型—執(zhí)行的動(dòng)作—家電的ID—@.實(shí)例中對(duì)紅、綠、黃三色LED燈進(jìn)行控制，如控制紅燈開(kāi)，指令為“ELYR”，其中“E”代表電器，“L”是燈“LAMP”的首字母，“Y”是代表開(kāi)的意思，為“Yes”的首字母，“R”為“RED”的首字母，代表紅色.這種控制過(guò)程可以很輕松的移植到其他家居設(shè)備的控制上.部分測(cè)試用例及結(jié)果如下表：

表1 錄入語(yǔ)音與控制結(jié)果對(duì)照表

5 總結(jié)

該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)家居的遠(yuǎn)程語(yǔ)音控制，設(shè)計(jì)思路可行.系統(tǒng)可靠性較高，數(shù)據(jù)傳輸較穩(wěn)定，但語(yǔ)音識(shí)別性能依賴于訊飛語(yǔ)音云平臺(tái)的性能.手持終端與訊飛云語(yǔ)音平臺(tái)之間的信息傳送過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)現(xiàn)象較為明顯.2.4G無(wú)線傳輸短距離較為穩(wěn)定，信息轉(zhuǎn)發(fā)速度較快，其可靠性對(duì)距離的依賴性較大，十米以內(nèi)很可靠，超過(guò)二十米，出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象，且隨著距離增加，丟包率上升，所以在使用的過(guò)程中，應(yīng)注意無(wú)線節(jié)點(diǎn)與主控制器的距離，才能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?

〔1〕蔣承延，吳思遠(yuǎn)，陳偉.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007,23（13）：199－201．

〔2〕吳孜祺.中國(guó)智能家居市場(chǎng)一覽[J].日用電器,2011（14）：108－109．

〔3〕李宗恒，李儉偉.主要智能手機(jī)操作系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望[J].移動(dòng)通信,2010(Z1).67－69．

〔4〕陳文，郭依正.深入理解Android網(wǎng)絡(luò)編程：技術(shù)詳解與最佳實(shí)踐[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

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2016-06-14