王浩

關(guān)鍵詞：OpenHarmony;語(yǔ)音識(shí)別;智能家居

中圖分類號(hào)：TP323 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言（Introduction）

隨著鴻蒙OpenHarmony開(kāi)源操作系統(tǒng)和智能語(yǔ)音技術(shù)的飛速發(fā)展，基于鴻蒙OpenHarmony操作系統(tǒng)的智能家居產(chǎn)業(yè)對(duì)家庭內(nèi)部智能化控制開(kāi)發(fā)和應(yīng)用不斷加大力度。OpenHarmony采用開(kāi)源的方式實(shí)現(xiàn)一個(gè)面向全場(chǎng)景、全連接和全智能的終端設(shè)備操作系統(tǒng)的框架和平臺(tái)，可以支持各類設(shè)備的系統(tǒng)。為了能適應(yīng)各種硬件，OpenHarmony提供了如LiteOS、Linux的不同內(nèi)核，并基于這些內(nèi)核形成不同的系統(tǒng)類型，其中包括面向MCU類處理器的輕量級(jí)操作系統(tǒng)，主要采用LiteOS-M 內(nèi)核，它是面向IoT領(lǐng)域構(gòu)建的輕量級(jí)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核，具有小體積、低功耗、高性能的特點(diǎn)[1]。這種輕量級(jí)操作系統(tǒng)的代碼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要包括內(nèi)核最小功能集、內(nèi)核抽象層、可選組件以及工程目錄等，同時(shí)在這些系統(tǒng)中構(gòu)建了一套統(tǒng)一的系統(tǒng)能力[2]。本文提出一個(gè)基于 Hi3861V100核心處理器的Hi-12F模塊，搭載鴻蒙OpenHarmony輕量級(jí)操作系統(tǒng)，通過(guò)串口方式連接低功耗高性能的ASRPRO語(yǔ)音識(shí)別模組，快速實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音交互及控制方案。通過(guò)將語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)中，能極大地方便用戶對(duì)家中電器設(shè)備的控制，創(chuàng)造更加舒適的家庭生活。

1 總體設(shè)計(jì)（Overall design）

本系統(tǒng)主要由Hi-12F通信模組、ASRPRO 語(yǔ)音識(shí)別模組、TTL轉(zhuǎn)USB串口模塊、風(fēng)扇控制模塊、MIC麥克風(fēng)模塊和揚(yáng)聲器模塊組成，其中Hi-12F通信模組和ASRPRO語(yǔ)音識(shí)別模組通過(guò)串口通信完成數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)處理。首先，ASRPRO語(yǔ)音識(shí)別模組通過(guò)麥克風(fēng)模塊采集用戶發(fā)出的語(yǔ)音控制風(fēng)扇設(shè)備命令，在對(duì)聲音進(jìn)行分析后能從“命令列表”匹配出最接近的命令，通過(guò)揚(yáng)聲器模塊提示用戶已識(shí)別語(yǔ)音命令，接著進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別轉(zhuǎn)換處理，將每條語(yǔ)音指令轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的文本字符串，以此達(dá)到語(yǔ)音識(shí)別的功能。其次，通過(guò)串口將風(fēng)扇控制命令的字符串發(fā)送給Hi-12F通信模組，Hi-12F通信模組搭載鴻蒙OpenHarmony輕量級(jí)操作系統(tǒng)之后，通過(guò)應(yīng)用層串口通信函數(shù)接收控制風(fēng)扇命令字符串，對(duì)連接Hi-12F通信模組IO引腳的風(fēng)扇設(shè)備進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇的開(kāi)啟或者關(guān)閉功能，系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)（Hardware design of the system）

2.1 鴻蒙OpenHarmony硬件設(shè)計(jì)

對(duì)于能搭載和支持鴻蒙OpenHarmony輕量級(jí)操作系統(tǒng)的硬件電路主要是面向MCU類處理器，例如Arm Cortex-M、RISC-V 32位的設(shè)備，其硬件資源極其有限，支持的設(shè)備最小內(nèi)存為128 kB，并可以提供多種輕量級(jí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、輕量級(jí)的圖形框架以及豐富的IOT總線讀寫部件等[3]。本文采用Hi-12F通信模組，該模組已獲得了鴻蒙HarmonyOS Connect的生態(tài)模組技術(shù)認(rèn)證，可以快速地將智能產(chǎn)品接入華為鴻蒙生態(tài)，以便幫助開(kāi)發(fā)者提供開(kāi)放、易用的開(kāi)發(fā)和調(diào)試運(yùn)行環(huán)境。

Hi-12F模塊搭載Hi3861V100核心處理器芯片，該芯片是一款高度集成的2.4 GHz 低功耗SoC WiFi芯片，集成IEEE802.11b/g/n基帶和射頻（Radio Frequency，RF）電路。Hi-12F模塊的Hi3861V100芯片同時(shí)集成高性能32 bit微處理器、硬件安全引擎以及豐富的外設(shè)接口，外設(shè)接口包括SPI、UART、I2C、PWM、GPIO和多路ADC芯片，同時(shí)支持高速SDIO2.0Slave接口，最高時(shí)鐘可達(dá)50 MHz[4];芯片內(nèi)置靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Static Random-Access Memory， SRAM）和閃存（FlashMemory），可獨(dú)立運(yùn)行，并支持在 Flash Memory上運(yùn)行程序[5]。IO03引腳和IO04引腳分別連接到USB轉(zhuǎn)串口模塊（CH340C模塊）的RX引腳和TX引腳，一旦按下PWR引腳上的按鍵，就可以將PC端的OpenHarmony輕量級(jí)操作系統(tǒng)編譯完成的bin文件通過(guò)D+引腳和D-引腳傳輸?shù)紺H340C模塊，并最終通過(guò)TX串口和RX串口方式下載至Hi3861模塊中的Hi3861V100芯片的Flash Memory中。

2.2 風(fēng)扇控制設(shè)計(jì)

為了能夠通過(guò)OpenHarmony硬件電路驅(qū)動(dòng)大功率的風(fēng)扇設(shè)備運(yùn)行，需要將OpenHarmony硬件電路模塊的GPIO2引腳與直流電機(jī)L9110S驅(qū)動(dòng)芯片相連，L9110S芯片內(nèi)部集成“H”橋電路，是一個(gè)可以直接驅(qū)動(dòng)直流有刷電機(jī)的芯片，VCC電源電壓工作在2.2～6.5 V，輸出的電流最大支持200 mA。本文只需要將風(fēng)扇的兩端連接芯片的OA引腳和OB引腳，它的兩個(gè)輸出端能直接驅(qū)動(dòng)直流風(fēng)扇電機(jī)的運(yùn)行和停止。

2.3 語(yǔ)音識(shí)別采集模塊設(shè)計(jì)

語(yǔ)音識(shí)別采集模塊選用ASRPRO語(yǔ)音識(shí)別芯片，它是針對(duì)低成本離線語(yǔ)音應(yīng)用方案開(kāi)發(fā)的一款通用、便攜、低功耗高性能的語(yǔ)音識(shí)別模組，其內(nèi)置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器，能支持DNN、TDNN及RNN等神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及卷積運(yùn)算，具備強(qiáng)勁的回聲消除和環(huán)境噪聲抑制能力，模塊主芯片支持離線神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，ASRPRO語(yǔ)音識(shí)別模組的MIC+引腳和MIC-引腳連接麥克風(fēng)模塊進(jìn)行語(yǔ)音數(shù)據(jù)采集，并將語(yǔ)音數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)內(nèi)置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器進(jìn)行卷積運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別轉(zhuǎn)換為文本字符串，ASRPRO 語(yǔ)音識(shí)別模組的PA6 和PA5 分別連接OpenHarmony硬件電路中的IO06引腳和IO05引腳，實(shí)現(xiàn)將文本字符串通過(guò)串口發(fā)送至Hi-12F模塊，并最終完成對(duì)風(fēng)扇的控制功能。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)（Software design of the system）

3.1 OpenHarmony 輕量級(jí)操作系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建

首先，系統(tǒng)采用虛擬機(jī)環(huán)境下基于Linux環(huán)境的Ubuntu操作系統(tǒng)作為編譯服務(wù)器，而應(yīng)用層的功能代碼編寫需要在Windows環(huán)境下的VSCode編輯器中進(jìn)行，因此需要將獲取的鴻蒙OpenHarmony輕量級(jí)操作系統(tǒng)源碼通過(guò)共享文件夾方式映射到Windows平臺(tái)上進(jìn)行編寫[6]。其次，將VSCode編輯器中編輯完成的功能代碼映射回虛擬機(jī)環(huán)境下的Ubuntu進(jìn)行編譯，編譯成功之后會(huì)生成.bin的二進(jìn)制文件。最后，使用華為海思Hi3861芯片的專用燒寫工具HiBurn，通過(guò)串口方式燒寫至Hi-12F模塊中，OpenHarmony輕量級(jí)操作系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)流程如圖2所示。一旦OpenHarmony輕量級(jí)操作系統(tǒng)鏡像燒寫完成后，按下Hi-12F 模塊的復(fù)位鍵就可以啟動(dòng)OpenHarmony輕量級(jí)操作系統(tǒng)運(yùn)行，并可以通過(guò)PC端串口調(diào)試助手與OpenHarmony硬件電路進(jìn)行串口通信。

這里的鴻蒙OpenHarmony輕量級(jí)操作系統(tǒng)是按照“系統(tǒng)（子系統(tǒng)集）—子系統(tǒng)（Subsystem）—組件/模塊（Component）”逐次展開(kāi)的，其中一個(gè)組件/模塊（Component）也可以進(jìn)一步分成若干個(gè)Feature[11]。本文中，由源程序uart_example.c生成的靜態(tài)庫(kù)B6_YUYIN_uart就被作為一個(gè)feature加入名為app的Component 中，app 的Component 又是在子系統(tǒng)applications中。BUILD.gn文件內(nèi)容幫助編譯構(gòu)建子系統(tǒng)對(duì)一個(gè)模塊的構(gòu)建[12]。

4 系統(tǒng)測(cè)試（System testing）

當(dāng)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)完成后，首先將硬件模塊組裝集成后放置在家居環(huán)境中，給系統(tǒng)上電，這時(shí)可以通過(guò)ASRPRO語(yǔ)音識(shí)別模組連接的MIC麥克風(fēng)進(jìn)行語(yǔ)音數(shù)據(jù)采集;其次通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的控制風(fēng)扇的字符串命令數(shù)據(jù)，以串口方式將數(shù)據(jù)傳輸至包含OpenHarmony輕量級(jí)操作系統(tǒng)的Hi-12F模塊中;最后通過(guò)GPIO02引腳完成高低電平的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)和停止操作。

5 結(jié)論（Conclusion）

本文設(shè)計(jì)了一種基于鴻蒙Openharmony的語(yǔ)音識(shí)別風(fēng)扇控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以Hi-12F模塊搭載華為海思Hi3861V100核心處理器芯片作為核心設(shè)計(jì)，通過(guò)構(gòu)建和編程OpenHarmony語(yǔ)音識(shí)別控制工程中應(yīng)用層功能代碼以及編寫B(tài)UILD.gn文件，指示編譯構(gòu)建子系統(tǒng)構(gòu)建一個(gè)Feature，以及將Feature加入Component中構(gòu)建一個(gè)新的Component[13]。把Component加入Subsystem中，讓Subsystem參與整個(gè)鴻蒙系統(tǒng)的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了與ASRPRO語(yǔ)音識(shí)別模組的數(shù)據(jù)交互，達(dá)到了精準(zhǔn)的語(yǔ)音識(shí)別控制功能，發(fā)揮了鴻蒙國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，解決了目前智能家居中普遍存在的安全性和效率低及舒適性差的問(wèn)題，為用戶帶來(lái)全新的智能家居控制新體驗(yàn)。

作者簡(jiǎn)介：

王 浩（1971-），男，碩士，副教授。研究領(lǐng)域：物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用研究。