孟令軻

（東營市勝利第二中學(xué)，山東 東營 257000）

一種基于語音識別與Mesh網(wǎng)絡(luò)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計

孟令軻

（東營市勝利第二中學(xué)，山東 東營 257000）

結(jié)合語音識別技術(shù)和藍牙技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布的藍牙5規(guī)范，設(shè)計了一種基于語音識別與Mesh網(wǎng)絡(luò)的智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由語音識別模塊、執(zhí)行器模塊和后臺控制中心3部分構(gòu)成，各部分的每一個模塊都有一個藍牙5器件，各個模塊的藍牙5器件共同組成Mesh網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過語音識別模塊得到的語音控制命令和后臺控制中心發(fā)出的設(shè)備控制命令均可覆蓋整個Mesh網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)對家用設(shè)備的語音控制。通過語音控制和Mesh網(wǎng)絡(luò)的無線連接，簡化了對家庭設(shè)備的控制過程，提高了控制效率，同時對行動不便的群體生活質(zhì)量的提高起著積極作用。且由于Mesh網(wǎng)絡(luò)高度的可擴展性，該智能家居控制系統(tǒng)也可進行模塊的擴展，控制相當靈活。

語音識別；Mesh網(wǎng)絡(luò)；智能家居控制系統(tǒng)；藍牙5

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是近年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，“智能家居”的概念深入人心，通過一定的控制中心實時控制各種家電、門窗等設(shè)備的開關(guān)運行狀態(tài)，是智能家居的一個重要特征。其中，設(shè)備的控制指令主要來源于2個方面，一方面是計算機基于傳感器得到的數(shù)據(jù)判斷家居環(huán)境情況后自動發(fā)出的控制指令，另一方面是用戶自身發(fā)出的人工指令[1]。前者目前已經(jīng)較為成熟，但是對于人工指令，傳統(tǒng)的控制方法主要有直接手動控制和遙控器紅外控制等，語音控制作為一種新的控制方式，是智能家居系統(tǒng)中人機交互的一種重要手段。相比于手動直接控制或者通過紅外遙控器控制，通過語音指令控制不需要進行任何肢體動作，能夠極大地簡化操作流程，同時對于行動不便的老人、殘疾人等群體，語音指令控制更是能夠提供相當大的便利，大大提高人們的生活質(zhì)量[2]。

當前，智能家居的結(jié)構(gòu)主要包括硬件層、傳輸層和應(yīng)用層3層，其中，硬件層包括收集各類信息的傳感器和執(zhí)行各類操作的執(zhí)行器；應(yīng)用層則是運行在后臺的各類具體應(yīng)用；而傳輸層則實現(xiàn)硬件和后臺及硬件之間的通訊，目前常用的通信方式有BLE（低功耗藍牙）、ZigBee和Low-Power WIFI[3]。以BLE為核心的Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其采用對等的、多對多的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都可以與相鄰節(jié)點進行通信，并有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)采用洪泛機制，消息可以傳送到整個網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備。

藍牙技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布的藍牙5規(guī)范支持Mesh網(wǎng)絡(luò)，其可擴展性強，若需要新增節(jié)點，只需將新節(jié)點安裝并配置即可；可靠性高，單個節(jié)點的故障不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的正常運行。因此基于Mesh的智能家居系統(tǒng)前景相當廣闊。

本文結(jié)合語音識別和Mesh網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了一種基于語音識別與藍牙5 Mesh的智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有智能家居的可擴展、分布式的優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 設(shè)計原理

1.1 語音識別

語音識別技術(shù)是對計算機進行語音語義訓(xùn)練，使人發(fā)出的語音信號可以被計算機所理解，并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的信息[4]。語音識別本質(zhì)上是一種模式識別，其過程可以歸結(jié)為模式識別和匹配，其識別流程如圖1所示，主要包括信號預(yù)處理、特征提取、模式匹配等步驟，首先將未知的語音信號通過話筒等轉(zhuǎn)化為模擬信號，模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號；數(shù)字信號經(jīng)過預(yù)處理，與保存在計算機中的語音模版進行比較，根據(jù)一定的匹配策略尋找到語音模版與輸入信號的最優(yōu)匹配，然后根據(jù)此模版的定義查表即可獲知語義。

圖1 語音識別流程

1.2 Mesh網(wǎng)絡(luò)

Mesh網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點即BLE設(shè)備，可以與網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備進行通信，若這2個設(shè)備相距比較近，則可以直接通信；若相距較遠，則2個設(shè)備會間接通過一個或多個中間節(jié)點完成通信。網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點既可以接收信息，又可以發(fā)送信息，每個節(jié)點都有路由功能，但是并沒有具體的路由節(jié)點來控制傳輸?shù)穆窂?，而是采用了洪泛機制，消息將以發(fā)出點為起點擴散到網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備，由此可以實現(xiàn)將任意節(jié)點采集到的信息傳遞到軟件層，或者將軟件層發(fā)出的命令傳送到所有節(jié)點。

軟件層發(fā)出的命令雖然可以傳送到整個網(wǎng)絡(luò)，但是只有與命令中的地址相匹配的節(jié)點才會執(zhí)行該命令，通過以上機制，即可實現(xiàn)將任意位置的傳感器采集到的語音信號傳送到后臺，并且后臺在分析語音信號的語義后控制相應(yīng)節(jié)點按照用戶的命令改變自身狀態(tài)，其他節(jié)點雖然也會收到命令，但是由于地址不匹配，所以并不會有動作。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 整體結(jié)構(gòu)

為簡單起見，假設(shè)某家庭中搭建的智能家居控制平臺的控制目標為家中的一盞燈與一臺電視的電源通斷，發(fā)出語音命令的位置主要在客廳和臥室，發(fā)出的指令包括“開燈”“關(guān)燈”“開電視”和“關(guān)電視”，則智能家居控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用基于藍牙5的 Mesh網(wǎng)絡(luò)（如虛線所示）作為傳輸層，以單片機作為系統(tǒng)的后臺控制中心，分布在客廳和臥室的語音識別模塊與電燈和電視的控制器構(gòu)成的執(zhí)行器模塊作為硬件層，當用戶在客廳或臥室中能夠采集到語音信號的位置發(fā)出以上指令時，聲音信息由語音識別模塊獲得并處理，得到的指令通過Mesh網(wǎng)絡(luò)達到后臺控制中心，控制中心分析得到的指令后，發(fā)出相應(yīng)的控制命令，控制命令亦通過Mesh網(wǎng)絡(luò)達到所有節(jié)點，對應(yīng)節(jié)點的開關(guān)控制器在控制命令下動作，實現(xiàn)電視或電燈的開關(guān)控制。

圖2 智能家居控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.2 語音識別模塊

語音識別模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由咪頭、LD3320語音識別芯片、單片機與藍牙5器件等部分構(gòu)成，并且可以根據(jù)房間大小、隔音效果等環(huán)境因素在家庭中部署多個。

圖3 語音識別模塊的硬件結(jié)構(gòu)

咪頭用于對聲音信號進行采集。LD332Х是一款基于非特定人語音識別技術(shù)的語音識別/聲控芯片，提供了單芯片語音識別解決方案，其支持并口和SPI2種接口，只需要單片機將關(guān)鍵詞語的拼音串設(shè)置寄存器傳入LD332Х芯片，即可實現(xiàn)語音識別。藍牙5模塊用于組建Mesh網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)語音命令的傳輸。由于LD3320芯片支持并口接入，市售的藍牙模塊一般只需要用到UART串口即可工作，因此采用51系列單片機即可滿足模塊要求。

2.3 后臺控制中心與執(zhí)行器模塊

后臺控制中心主要由單片機和藍牙5模塊構(gòu)成，用于接收由Mesh網(wǎng)絡(luò)傳來的語音控制命令并作出相應(yīng)處理；執(zhí)行器模塊主要由單片機、藍牙5模塊與相應(yīng)的繼電器構(gòu)成，當接收到來自控制中心的指令時，相應(yīng)的執(zhí)行器中的單片機控制繼電器動作，實現(xiàn)電源的通斷。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電后，首先進行初始化，各個模塊的藍牙5器件在各自單片機的控制下組成Mesh網(wǎng)絡(luò)。

語音識別模塊的語音識別芯片LD3320進行復(fù)位、初始化，并將需要識別的語音條目通過單片機寫入識別列表，單片機開放外部中斷，等待語音信號輸入；當采集到語音信號時，若通過處理識別得到該信號與識別列表中的某一條目匹配，則觸發(fā)外部中斷，單片機在中斷服務(wù)程序中根據(jù)相應(yīng)寄存器的值判斷該信號代表的語音命令；此后，單片機控制藍牙5器件，將該命令通過Mesh網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到后臺控制中心。若采集到語音信號與識別列表中的所有條目均不匹配，則放棄當前結(jié)果，不觸發(fā)外部中斷，重新等待語音信號輸入。

控制中心不斷接收來自Mesh網(wǎng)絡(luò)的信息，并根據(jù)接收到的信息生成相應(yīng)的控制指令，再通過Mesh網(wǎng)絡(luò)以廣播的形式發(fā)送。

執(zhí)行器模塊中的單片機控制藍牙5接收來自Mesh網(wǎng)絡(luò)中的信息并進行判斷，若該信息是來自控制中心的控制命令且控制地址與自身藍牙地址相符，則單片機根據(jù)控制命令控制繼電器進行相應(yīng)的通斷動作；若該信息是來自于語音識別模塊，或者是控制另一個執(zhí)行器模塊的控制命令，則繼電器不動作，只將獲得的信息再次以廣播的形式發(fā)送出去，實現(xiàn)信息沿Mesh網(wǎng)絡(luò)的傳遞。

4 結(jié)論

本文通過語音識別模塊和基于藍牙5的Mesh網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了智能家居控制系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)能夠識別簡單的語音命令，然后根據(jù)語音識別的結(jié)果控制相應(yīng)的電氣設(shè)備的工作狀態(tài)，實現(xiàn)語音控制的基本功能，從而使控制更加便捷，同時對于行動不便的人生活品質(zhì)的提高有良好作用。由于Mesh網(wǎng)絡(luò)自身的特性，本文的設(shè)計基于Mesh網(wǎng)絡(luò)的智能家居控制系統(tǒng)具有很強的可擴展性，可以在系統(tǒng)中方便地添加諸如溫濕度感應(yīng)器、火焰?zhèn)鞲衅鳌熿F傳感器等環(huán)境參數(shù)檢測的傳感器，即可實現(xiàn)家庭環(huán)境實時監(jiān)測，提高家庭對災(zāi)害的預(yù)防能力，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］陳哲.智能家居語音控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2013.

［2］李澤彬，姚有峰，張飛龍，等.基于單片機的智能家居語音控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2017，25（08）：175-177，182.

［3］涂藍.基于OpenWrt和BLE Mesh的智能家居終端控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.南昌：江西理工大學(xué)，2016.

［4］劉文強.語音識別技術(shù)在智能家居中的研究與應(yīng)用［D］.大連：大連海事大學(xué)，2013.

〔編輯：劉曉芳〕

TP273+.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.24.136

2095-6835（2017）24-0136-03