王錦龍 陳婷婷 陳奕婷 易向東

摘 ?要：文章設(shè)計(jì)了基于語音交互的智能家居控制系統(tǒng)，系統(tǒng)以Arduino開發(fā)平臺為核心，結(jié)合語音識別模塊、語音合成模塊、氣體傳感器、溫濕度傳感器等元器件，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境氣體濃度的檢測、空氣中溫濕度的采集和語音控制家電系統(tǒng)的功能，以便提供給用戶更方便更高效更安全的家居生活。

關(guān)鍵詞：Arduino;智能家居;語音交互

中圖分類號：TN912.34 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）20-0042-02

Abstract： In this paper， an intelligent home control system based on voice interaction is designed， which takes Arduino development platform as the core， combined with speech recognition module， speech synthesis module， gas sensor， temperature and humidity sensor and other components， so as to realize functions such as the detection of indoor ambient gas concentration， the collection of temperature and humidity in the air， and the voice control of household appliance systems， thus providing users with a more convenient， more efficient and safer home life.

Keywords： Arduino; smart home; voice interaction

1 概述

現(xiàn)代生活中的家具電器數(shù)量急劇增多，傳統(tǒng)家居的機(jī)械化控制方式已經(jīng)不能完全滿足現(xiàn)代生活的需求，伴著家居電器的使用越來越廣泛，一個智能化的控制系統(tǒng)，不僅能夠優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時間，同時也能增強(qiáng)家居使用的安全性，該系統(tǒng)的市場發(fā)展有很大的潛力，根據(jù)讓科技更好的服務(wù)于人們的日常生活這一理念[1]，針對當(dāng)下傳統(tǒng)家居控制方式落后及使用不方便等缺點(diǎn)，我們團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了此次基于語音交互的智能家居控制系統(tǒng)的研究。

2 系統(tǒng)組成

硬件方案采用Arduino UNO R3模塊+LD3320語音識別模塊+SYN6288語音合成模塊+DHT11溫濕度傳感器+ MQ-2氣體傳感器+光敏電阻+LED燈+風(fēng)扇+喇叭設(shè)計(jì)而成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.1 Arduino模塊

Arduino是一個開源性開發(fā)平臺，硬件部分由Atmel AVR單片機(jī)、I/O接口及相關(guān)電路組成，軟件部分則包括標(biāo)準(zhǔn)的程序編譯器和下載編譯器具有使用類似java和c語言的processing/writing開發(fā)環(huán)境[2]，可通過各種各樣的傳感器感知環(huán)境，并能通過馬達(dá)、燈光來反饋甚至影響環(huán)境，這些都可以滿足智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。除此之外，Arduino還具有極高的實(shí)用性，其所有的軟件都可以免費(fèi)下載，硬件在符合Availableopen-Source協(xié)議下也可根據(jù)自己的需要和要求進(jìn)行修改，這給我們項(xiàng)目的順利實(shí)施提供了很大的便利。

2.2 語音識別模塊

LD3320是基于關(guān)鍵詞語列表識別技術(shù)的語音識別模塊，由語音識別處理器和一些外部電路組成，不需要接入額外的輔助芯片，展現(xiàn)了其在設(shè)計(jì)上注重節(jié)能和高效的特點(diǎn)?？焖俣€(wěn)定的優(yōu)化算法，使其具有高準(zhǔn)確度與強(qiáng)實(shí)用性的語音識別效果和非特定人語音識別技術(shù)，不需要用戶事先進(jìn)行錄音訓(xùn)練。識別關(guān)鍵詞的列表可動態(tài)編輯，只需要把識別的關(guān)鍵詞以字符串的形式傳送進(jìn)芯片，即可以在下次識別中立即生效。LD3320還支持用戶自由編輯50條關(guān)鍵詞，在同一時刻，可以在50條關(guān)鍵詞語中進(jìn)行識別，終端用戶可以根據(jù)場景需要，隨時編輯和更新這50條關(guān)鍵詞語的內(nèi)容，操作簡單，方便上手。

2.3 語音合成模塊

SYN6288是一款性價比高、效果自然的中文語音合成芯片，通過異步串口傳輸，接收待合成的文本數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)文本到語音的轉(zhuǎn)換。在硬件上具有接口電路簡單，電路集成，低功耗的特點(diǎn)。在功能上，支持任意中文和英文字母的合成，合成效果清晰、自然、準(zhǔn)確，同時具備很強(qiáng)的多音字和中文姓氏的處理能力，此外，SYN6288還可以執(zhí)行合成、停止、暫停合成、繼續(xù)合成、改變波特率等多種控制命令。

2.4 溫濕度傳感器

DHT11是一種含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，由電阻式感濕和NTC測溫元件組成，可與高效能的單片機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫濕度的檢測。它采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，可靠性高，穩(wěn)定性強(qiáng)。每個DHT11傳感器都在極其精確的校驗(yàn)室進(jìn)行校準(zhǔn)，使其具有較高的準(zhǔn)確度，其測量精度保持在濕度±5RH、溫度±2℃之間;數(shù)據(jù)采用數(shù)字輸出，其傳輸方式采用單線制串行接口，使系統(tǒng)集成更加簡單便利;其封裝采用4引腳安裝，連接器件更加方便易上手。

2.5 氣體傳感器

MQ-2煙霧氣敏傳感器是一款適合多種應(yīng)用的低成本氣體傳感器，具有探測范圍廣泛、靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、壽命長、驅(qū)動電路簡單等眾多優(yōu)點(diǎn)。它的工作原理十分簡單：當(dāng)氣體傳感器所處環(huán)境存在可燃?xì)怏w，傳感器中的電導(dǎo)率會隨著可燃?xì)怏w的濃度變化而隨之改變，通過簡單的電路就可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與之氣體相應(yīng)濃度的輸出信號，結(jié)合繼電器和蜂鳴器的使用，可實(shí)現(xiàn)煙霧報警的功能。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

利用氣體傳感模塊對室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行檢測，將采集量和設(shè)定的閥值進(jìn)行比較，并將檢測結(jié)果反饋給Arduino中央控制系統(tǒng)[3]，若檢測到氣體濃度過高，控制系統(tǒng)則做出相應(yīng)的反應(yīng)機(jī)制即報警;若濃度適宜，此時可以進(jìn)行語音輸入，通過語音識別模塊和語音合成模塊對Arduino中央控制系統(tǒng)發(fā)送命令，控制風(fēng)扇、照明設(shè)備等電器的運(yùn)轉(zhuǎn)，加上溫濕度傳感器模塊，我們也可以通過語音播報系統(tǒng)了解當(dāng)時環(huán)境的溫濕度。

由于Arduino開元平臺預(yù)先在集成軟件IDE開發(fā)環(huán)境中提供了常用的庫文件，因此在使用其基本功能時只需在共享平臺Github上下載所需要的庫并調(diào)用即可[4]，并且Arduino IDE對于電腦系統(tǒng)的選擇不挑剔，Windows系統(tǒng)、Linux系統(tǒng)都可以安裝且能夠運(yùn)行編程[5]，所以系統(tǒng)軟件采用Arduino IDE開發(fā)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，程序設(shè)計(jì)語言類似C語言，編寫的程序流程圖如圖 2所示。

4 結(jié)束語

由Arduino、傳感器模塊、語音識別模塊、語音合成模塊等部件組成的一套智能家居系統(tǒng)經(jīng)過試驗(yàn)后運(yùn)行效果穩(wěn)定，達(dá)到了初期設(shè)定的語音控制電器的使用及對環(huán)境進(jìn)行檢測并做出反應(yīng)的目標(biāo)，能夠優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時間，增強(qiáng)家居生活的安全性，甚至為各種能源費(fèi)用節(jié)約資金。適用于現(xiàn)代家居小區(qū)，更適合行動不便的老人家庭，具有巨大的推廣使用價值和開發(fā)潛力[6]。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙洋洋，陳國維，郭震邦，等.一種基于Arduino的智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國科技信息，2020（05）：98-99.

[2]紀(jì)欣然.基于Arduino開發(fā)環(huán)境的智能尋光小車設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（15）：161-163.

[3]高航.基于Arduino的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（33）：61.

[4]袁本華，董錚.基于Arduino控制板的溫室大棚測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012（8）：5049-5050.

[5]Ben G.B. Kitchener，Simon D. Dixon，Kieren O. Howarth，Anthony J. Parsons，John Wainwright，Mark D， Bateman，James R. Cooper，Graham K. Hargrave，Edward J. Long，Caspar J.M.Hewett. A low-cost bench-top research device for turbidity measurement by radially distributed illumination intensity sensing at multiple wavelengths[J]. HardwareX，2019，5.

[6]崔陽，張維華，白云峰.一種基于Arduino的智能家居控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014（4）：123-125.