楊凡 楊迎堯 鄒杰 李曙英

摘? 要：隨著人們收入水平和生活水平的顯著提高，智能家居越來越多地走進(jìn)人們的生活。目前，移動(dòng)終端系統(tǒng)以多樣化、圖形化的智能家居界面控制著智能家居設(shè)備，受到了人們的青睞。為了進(jìn)一步解放人們的雙手，使人們更加輕便地操控智能家居，設(shè)計(jì)了以語音識(shí)別技術(shù)為核心的智能家居控制系統(tǒng)?；赟TM32，本系統(tǒng)采用Mel頻率倒譜系數(shù)（MFCC）算法和動(dòng)態(tài)時(shí)間彎折（DTW）算法分析和識(shí)別語音信號(hào)，通過ZigBee自組織網(wǎng)絡(luò)，采集室內(nèi)的溫度、濕度、光線強(qiáng)度等信息，并控制燈、風(fēng)扇、窗簾等智能設(shè)備的開關(guān)。

關(guān)鍵詞：語音識(shí)別;智能家居;MFCC;DTW;STM32;ZigBee

中圖分類號(hào)：TN912.34;TP273.5? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）09-0164-04

0? 引? 言

隨著智能家居技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，智能化家電是當(dāng)代社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。智能家居目前在國(guó)內(nèi)是一個(gè)新興發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，它正以勢(shì)不可擋的趨勢(shì)蓬勃興起。在智能家居系統(tǒng)中，用語音識(shí)別來控制以家電為代表的產(chǎn)品，受到了越來越多人們的期待。語音識(shí)別技術(shù)也隨之進(jìn)入大眾的視線，并開始為更多人所了解和使用。語音識(shí)別技術(shù)最終會(huì)顛覆人與家電之間的交互方式，使生活更加便捷、輕松。很多高端的智能家電使用云平臺(tái)，通過手機(jī)、平板等終端獲取家電的工作狀態(tài)與信息。但手機(jī)軟件的交互性并不令人滿意，反而使人再次被手機(jī)綁架，并且連接互聯(lián)網(wǎng)使人們的安全隱私、家庭信息等都存在著安全隱患。

本設(shè)計(jì)是語音識(shí)別技術(shù)中較為基本的，適合于在嵌入式平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的語音控制功能。在本系統(tǒng)中采用STM32F103VET6作為主控制器，采集并識(shí)別語音信號(hào)。以低廉的成本、高效的算法完成了孤立詞語音識(shí)別的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1? 語音信號(hào)分析識(shí)別算法

1.1? 端點(diǎn)檢測(cè)

語音信號(hào)的端點(diǎn)檢測(cè)是指根據(jù)能量譜線判別語音的開始位置和結(jié)束位置。判別語音段的開始位置和結(jié)束位置的問題可以簡(jiǎn)單歸結(jié)為區(qū)別語音和噪聲的問題。但是在實(shí)際應(yīng)用中，我們很難保證語音信號(hào)處于相對(duì)較高的信噪比下，僅僅根據(jù)短時(shí)平均能量來判斷語音信號(hào)的端點(diǎn)在信噪比較低的情況下是不可靠的。因此，這里采用的端點(diǎn)檢測(cè)方法是雙門限比較法，它是根據(jù)平均能量和平均過零率共同進(jìn)行判別的端點(diǎn)檢測(cè)方法。

如圖1所示。首先，根據(jù)一段語音信號(hào)的平均能量先確定信號(hào)閾值T1，信號(hào)閾值T1與能量譜的兩側(cè)交點(diǎn)分別記為信號(hào)能量閾值的上限和下限，作為判斷語音信號(hào)的有限區(qū)域。接著，根據(jù)噪聲的平均能量確定閾值T2（T2

在信噪比較小的情況下，需要根據(jù)平均過零率來確定語音信號(hào)的開始位置和結(jié)束位置。通過語音信號(hào)的過零次數(shù)，確定過零閾值T3。根據(jù)由平均能量確定的開始位置和結(jié)束位置，向兩側(cè)尋找過零閾值T3與過零次數(shù)的交點(diǎn)，記為過零閾值的上限和下限，即可以作為信噪比較低時(shí)的語音信號(hào)的開始位置和結(jié)束位置。

3? 智能家居系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)使用聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)設(shè)計(jì)，其功能模塊設(shè)計(jì)包括：智能照明、智能窗戶窗簾、空氣質(zhì)量檢測(cè)與凈化、智能用電、智能安全、智能溫控。

3.1? ZigBee組網(wǎng)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)智能家居控制系統(tǒng)的高實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性的信息傳輸，這里采用ZigBee設(shè)備作為系統(tǒng)的短距離通信技術(shù)解決方案，因?yàn)槠渚哂薪M網(wǎng)靈活、安全性高、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)層是控制新設(shè)備分配IP地址，管理設(shè)備的入網(wǎng)、離網(wǎng)，并為數(shù)據(jù)提供安全加密路由機(jī)制。

本設(shè)計(jì)采用網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，其最大特點(diǎn)在于，如果處在對(duì)方的無線覆蓋范圍內(nèi)，任何路由器之間都是可以相互通信的，并且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。設(shè)備之間的通信鏈路存在多條路徑，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)可以選擇最優(yōu)路徑，縮短時(shí)延。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的健壯性。網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)均具有路由功能，為節(jié)點(diǎn)之間的通信提供了更多的路徑選擇方案，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩條以上的路徑連接到目的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)可與其通信距離之內(nèi)的相鄰節(jié)點(diǎn)直接通信;也可進(jìn)行間接通信，通過中間路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸，在當(dāng)前路徑中某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，數(shù)據(jù)就可以選擇其他暢通的路徑進(jìn)行傳輸，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定和可靠。

3.2? 感知層

感知層用到的主要傳感器：無線平移開窗器、風(fēng)雨傳感器、光照傳感器、漏水檢測(cè)器、二氧化碳傳感器、溫控傳感器、空氣傳感器、智能開關(guān)、智能插座。

3.3? 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要完成數(shù)據(jù)的采集分析和設(shè)備的控制功能，數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與處理;控制模塊是根據(jù)采集的信息進(jìn)行相關(guān)設(shè)備控制操作。

以STM32為中心控制單元，通過各個(gè)傳感器采集信息，將數(shù)據(jù)通過ZigBee采集處理，并通過協(xié)調(diào)器與STM32進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)智能家居工作情況的反饋。同時(shí)，用戶可以通過語音來操作家居設(shè)備，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與實(shí)時(shí)操作的目的。

4? 結(jié)? 論

STM32不僅對(duì)用戶的語音指令進(jìn)行分析，識(shí)別正確率超過85%，并收集ZigBee終端節(jié)點(diǎn)所監(jiān)測(cè)的家庭信息，以及對(duì)其進(jìn)行語音控制。在后面的研究中，需要對(duì)系統(tǒng)的語音庫(kù)進(jìn)一步擴(kuò)大與豐富。一方面，解決不同人的不同說話方式所產(chǎn)生的未識(shí)別或者錯(cuò)誤識(shí)別;另一方面，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)與人的語音交互性，豐富反饋的語音。

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作者簡(jiǎn)介：楊凡（1996.01-），男，漢族，江蘇淮安人，學(xué)生，工程學(xué)士，研究方向：電路與系統(tǒng);通訊作者：李曙英（1960.09-），女，漢族，江蘇常州人，副教授，工程碩士，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)工程。