基于语音识别技术的智能家居控制系统的设计

基于语音识别技术的智能家居控制系统的设计基于语音辨认技术的 智能家居控制系统的设计 摘 要 21世纪经济快速发展，人们对物资文化的需求也愈来愈高。在信息科技的支持下，事物在朝着简单化、便捷化、智能化的方向发展。在此背景下应运而生而生的智能家居，正是信息时期的典型产物。 本文设计了1套基于语音辨认技术的智能家居控制系统，能够在客户端输入语音信号，完成对家居装备的控制，使得家居装备更加智能化。本文首先对语音辨认的相干理论知识进行了详细的论述，利用麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology, MIT）语音服务器完成对语音信号的特点提取和辨认进程，并且该服务器内有自动的高频噪声滤波器，避免声音信号产生失真现象。其次Zigbee模块完成了数据传输的功能，能够在网络拓扑较为稳定的家居环境中实现对数据的传输，消耗的功率下降，本钱也较低。最后基于安卓手机到达控制家具的目的，在手机客户端输入语音信号以后，服务器将翻译出来的语音信息传递给后台，由手机通过无线网络传递给家居装备，从而到达传递控制指令的目的。最后本文在测试阶段对本文设计的基于语音辨认技术的智能家居控制系统进行了性能测试，测试结果良好，能够到达预期的目标。 关键词：智能家居；语音辨认；控制系统 Abstract With the rapid development of the economy in the 21st century, peoples demand for material culture is also increasing. With the support of information technology, things are developing in the direction of simplification, convenience and intelligence. The smart home that emerged in this context is a typical product of the information age. This paper designs a smart home control system based on speech recognition technology, which can input voice signals on the client and complete the control of home equipment, making the home equipment more intelligent. In this paper, the related theoretical knowledge of speech recognition is elaborated in detail. The feature extraction and recognition process of speech signal is completed by MIT speech server, and there is an automatic high-frequency noise filter in the server to prevent distortion of the sound signal. Secondly, the Zigbee module completes the function of data transmission, and can realize data transmission in a home environment with stable network topology, which consumes less power and lower cost. Finally, based on the purpose of controlling the furniture by the Android mobile phone, after the mobile phone client inputs the voice signal, the server transmits the translated voice information to the background, and the mobile phone transmits the mobile phone to the home device through the wireless network, thereby achieving the purpose of transmitting the control instruction. Finally, in the test phase, the performance of the smart home control system based on speech recognition technology designed in this paper is tested. The test results are good and can achieve the expected goals. Key words: Smart Home; Speech Recognition; Control System 目 录 1 绪 论 1 1.1 课题研究背景 1 1.2国内外发展现状 1 1.3研究内容 2 2 相干理论基础 3 2.1 语音辨认理论 3 2.2 语音信号预处理 3 2.3 语音信号特点提取 4 2.4 模式匹配及辨认算法 4 2.5本章小结 4 3 系统硬件设计 5 3.1 系统概述 5 3.2 系统设计与分析 5 3.2.1 语音控制模块设计 5 3.2.2 数据传输模块设计 6 3.2.3 控制家居模块设计 6 3.3本章小结 7 4 系统软件设计 8 4.1 软件开发平台简介 8 4.2 核心模块软件设计 9 4.3 本章小结 11 5 总结和展望 12 参考文献 13 致 谢 14 1 绪 论 1.1 课题研究背景 进入新世纪以后，我国各方面都获得了较大的进步，同时人们对物资的要求也愈来愈高。伴随着科技技术的更新换代，生活中的事物在朝着智能化的方向发展，包括家居装备。在这样新兴的时期背景下，传统家居必定会走上智能化和科技化的道路1。传统的家居装备需要通过人工逐一进行开启或关闭工作，而现代家居装备数量愈来愈多，种类也越加繁多，当用户回到家中时，劳累的身体还需要对这些家居装备逐一进行操作，加重了身体的负担，传统的模式已不能够满足人们的需求，在这样的背景下，智能家居的产生很好的解决了这个问题2。 智能家居设计的进程中融会了多学科知识，包括自动控制技术、计算机技术、网络协议技术、硬件布线技术等，通过在电器装备上安装传感器使电器装备统1连接于网络中，到达远程控制电器工作的目的，减少了人力资源的消耗，同时节俭了资源，操作简单3。 1.2国内外发展现状 在智能家居设计中，核心部份是智能家居控制终端，经过量年的发展，智能家居终端已发展出了不同的模式，主要为以下3种4： （1）通过键盘、液晶显示屏（Liquid Crystal Display, LCD）对家用电器进行控制：这类控制方式设计复杂，操作困难不容易上手，且智能在家庭内部实现控制，不能完成远程控制； （2）通过电脑终端对家用电器进行控制：这类控制方式虽然操作简单，但是依然智能在家庭环境中进行控制，不能完成远程控制； （3）通过手机移动端对家用电器进行控制：这类方式能够很好地解决远程控制问题，操作灵活，设计简单，是当下最流行的智能家居控制终端设计方案，也是未来智能家居发展的主要方向。 近年来，Android操作系统由于其灵活性和简单性在多种平台上得到广泛利用，智能手机、平板电脑等终端上常常出现Android操作系统的身影，并且在未来很长的1段时间内，Android操作系统仍能在市场上占据重要的地位5。国内外对家居装备的研究也获得了1定的成果，从初期的对单个电器装备的控制，现如今已渐渐发展成了可以对多个电气装备的控制。本文充分利用Android操作系统的开放环境和包容特点，提出1种基于语音辨认的Android平台智能家居控制系统设计方案，兼具灵活性和简便性,设计出来的利用程序（Application, APP）具有以下特点6：（1）可配置性。可配置性指的是当家中家居装备产生变化，包括添加新的装备和抛弃旧的家居装备时，APP可由用户自行手动添加或删除该装备的信息，操作简单，无需专业技术人员参与，简单易上手。（2）用户界面友好性。该项性能指的是在设计用户界面时，以该家居装备的图片为背景，让用户能够快速了解操作的对象，即便文化水平不高的用户也能够轻易明白如何操作，同时家居装备对应的图标还能够手动随便移动位置，让界面设计更加灵活、方便。（3）可扩大性。可扩大性是利用了Android系统的开放性特点，APP设计完成后，开发人员可以随时根据需要对APP进行修改和完善。 另外，国内外关于语音辨认技术的研究也有了丰富的成果7。语音辨认技术最早起源于上个世纪60年代，当时科研人员研发出来的动态计划算法（Dynamic Time Wrapping, DTW）加护就可以够对小辞汇量的语音信号进行精准辨认8。到了70年代，线性预测编码（Linear Predictive Coding, LPC）技术的出现能够有效解决特点函数的提取问题，解决了语音信号辨认的关键问题9。80年代出现的隐式马尔科夫算法（Hidden Markov Model, HMM）模型利于马尔科夫原理使得语音辨认模型搭建起来，进1步拓展了语音辨认的辞汇量，为后续研究奠定了基础。现代科技结合先进的神经网络技术，又开发出了1系列智能语音系统，推动了语音辨认技术的进步10。 1.3研究内容 本文的主要研究内容以下: 第1章绪论介绍了本文的研究背景和研究意义，和关于智能家具的国内外研究现状。 第2章就语音辨认相干理论知识进行了详细论述。 第3章是对本文的硬件设计。 第4章是对本文的软件设计，并且在本章展现了语音控制的效果，输入语音后能够正确的辨认语音信息，对家居装备进行控制。 最后是对全文的总结和展望。 2 相干理论基础 2.1 语音辨认理论 语音辨认指的是通过语音来控制某项事务完成某项功能的行动。现代语音辨认技术包括5个阶段，如图2所示： 图2 语音辨认5个阶段 在以上列出的5个语音辨认进程，其中最重要的是预处理阶段和特点处理阶段，在预处理阶段需要对语音信号进行滤波和采样处理，增强语音功能。在特点处理阶段需要提取出语音信号的特点点，辨认人物信息。由于人的声音信息中包括着不同的频率特点，有些部份频率低，有些部份频率高，而频率高的部份容易遭到噪声的干扰，这就需要对声音作滤波处理，选择适合的称函数对声音信号的干扰进行滤除。接下来将针对这两个主要部份分别进行论述。 2.2 语音信号预处理 对语音信号进行预处理指的是通过滤波、采样、量化等手段对原始的语音信号进行加工处理，滤波时1般是采取适合的滤波器进行处理，1般情况下是采取带通滤波器，避免信号产生混叠干扰。采样进程是对原始信号进行离散处理，根据奈奎斯特采样定理，要让采样频率大于信号最大频率的两倍才能使最后采取的结果不失真。采样完成以后必须对语音信号进行模数转换，模数转换的目的是使得计算性能够方便处理。由于在家居环境中，主人说话的声音比较小，因此有时候会在软件设计时加入语音增强模块，避免由于噪声过大而掩盖了原始的真实语音信号。其次还需要对语音信号进行预加重处理，这是由于当语音信号的频率超过800赫兹时，信号会出现严重的衰减，为了使得信号不失真，就必须对语音信号进行预加重处理，使得信号在高频率部份变得平坦，便于后来的频谱分析。由于语音信号会由于音调生涩等的不同而产生变化，因此是1个不安稳的信号，为了解决这个问题，还需要对语音信号进行加窗分帧，使信号尽可能保持安稳的状态，方便进行频谱分析。最后，由于1段语音信号常常包括着有用信号和无用信号，为了提升工作效力，及时有效的检测到有用信号，这时候还需要对语音信号进行端点检测，应用端点检测的手段，将1些无声信号或有噪声的信号进行滤除，提升语音辨认效力。 2.3 语音信号特点提取 语音信号的特点提取在语音辨认技术中是1个关键点，通过对特点的提取能够有效的辨认人物信息。对大部份语音信号1般都处于低频带，但是仍旧有部份语音信号处于高频带，后者很容易遭到噪声的干扰，因此需要采取1定的手段对高频信号进行滤除，增加语音信号的抗噪能力。经常使用的语音信号特点提取方法是梅尔频率倒谱系数分析法，本文也将采取这类方法对语音信号进行了特点提取。 2.4 模式匹配及辨认算法 语音辨认的另外1个模块是进行模式匹配，模式匹配的目的是将人的语音信息和语言库中的文字信息进行匹配，从而将翻译过来的文字信息传入到主控芯片控制目标完成某项功能。现代经常使用的模式匹配方法是HMM算法，本人也将采取这类算法完成对语音信号的模式匹配和辨认。 2.5本章小结 本章主要介绍智能家居系统中语音辨认的原理及进程，语音辨认首先要对语音信号进行预处理，提取语音信号特点，再根据模式匹配算法从语音库中找到匹配的信息，从而完成对语音信号的转化和命令的传输，本文的研究内容为后文的研究打下了坚实的基础。 3 系统硬件设计 3.1 系统概述 本文研究基于语音辨认技术的智能家居控制系统，主要分为3个模块，第1个模块为语音模块，第2个模块为数据传输模块，第3个模块为控制家居模块。 语音部份主要分为两个小模块，首先需要进行语音信号的输入，其次要对语音信号进行辨认，信号输入是系统正常运行的条件，辨认是系统发挥正常控制功能的条件。良好的语音辨认技术需要完成两大功能，首先，要让计算机端建立较好的语音特点与指令匹配关系，其次，要使得输入语音信号能够和训练过的语音信号找到匹配关系。前者需要搭建适合的声音模型，后者需要采取适合的模式辨认技术。基于本文的需求，决定在手机上选择基于MIT语音内核进行开发，完成对语音信号的辨认。 数据传输模块，由于本文的利用环境是在家居上，也就是室内环境，因此选择Zigbee架构完成数据传输。室内家居1般不会轻易移动，因此家居环境的网络拓扑结构较为稳定，而Zigbee技术进行数据传输具有低功耗、低本钱的特点，适用于网络环境稳定的系统，因此本文将选择Zigbee技术作为数据传输的控制系统。 控制家居模块本文主要是通过Android平台建立网络协议来完成对家居装备的控制，家庭中还安装了1台控制器来下发手机端传来的控制指令，具体工作模式见图3所示： 图3 控制模块方案整体框架 3.2 系统设计与分析 3.2.1 语音控制模块设计 首先需要明确本文语音模块完成的功能，即需要在手机客户端准确辨认出语音指令，完成对家居装备的控制。基于此，本文设计采取MIT语音辨认服务器完成这项功能，这个服务器能很好的辨认中文语音信号。在收集完语音信号以后，该服务器需要对语音信号进行预处理，提取特点信息，建立语音模型。相较于其他语音服务器，MIT具有较高的辨认准确率，是由美国麻省理工学院的研发部门开发出来的，能够对英语、汉语和日语3种语音进行辨认。 在设计之前，需要了解MIT语音信号的底层结构。MIT语音处理器在辨认语音信号时可以分为3个层次，分别是音节、辞汇和语义。由于MIT语音处理器几近涵盖了所有的中文音节信息，因此当人类在发出基本的音节乃至连词变音时都能够精准的辨认，辨认以后根据特定的算法翻译成辞汇输入到系统后台中。接着下1步就是对辞汇的辨认，在MIT的后台服务器中的“*.jsgf”文件会自动辨认辞汇含义，对辞汇进行解析。解析完成以后，就会将解析得到的计算机语言传递到后台由手机下达指令。 3.2.2 数据传输模块设计 斟酌到本文的设计环境中家居装备可以会产生移动，因此网络拓扑关系可能有所变化，因此本文选择AODV路由算法实现室内环境中的传感器网络搭建。该路由协议的特点是1是1办，当路由建立完成以后，只要居家装备不产生移动，后续的指令转达路径便会依照本来的路由进行数据的传输。而如果当家居装备移动或产生断电情况后，那末网络内就会重新建立起路由，时刻保持数据传输的畅通。 3.2.3 控制家居模块设计 如图3 （a）所示，在本文的设计方案中，手机客户端能够与家居装备控制器进行网络连接，而家居装备控制器能够与每个家居装备进行网络连接。在同1个家庭无线网络环境中，手机客户端控制家居装备首先是将控制指令转达给家居装备控制器，控制器的信号接收装置在收到信息后对其进行解析，再将此命令向下转达给家居装备，终究完成用户想要实现的操作指令。如图3（b）所示，该种设计方案是基于手机客户端与控制器之间的网络为3G网络搭建的，家居装备控制器与每个家居装备之间仍旧是以无线网络连接。在控制器上有安装1个3G上网卡，手机客户端控制家居装备首先是通过3G网络将控制指令转达给家居装备控制器，控制器的信号接收装置在收到信息后对其进行解析，再将此命令向下转达给家居装备，终究完成用户想要实现的操作指令，这类方式1般用于远程控制。同时，本设计的方案能够实现的功能包括控制灯亮灭等等。用户在控制家居装备前，首先需要进行注册登记，将登记信息通过网络转达到服务器。当家中装备检测环境异常时，比如出现火灾迹象，传感器就会将收集到的报警信息传递到控制器端，再通过网络发送得手机客户端，在服务器端也会对报警信息进行记录。 3.3本章小结 本章主要介绍系统的硬件设计部份，首先对系统的整体硬件设计进行了论述，接着对各个子模块进行了设计，子模块主要包括语音控制模块、数据传输模块和控制家居模块，语音控制模块是系统的核心，是处理系统输入信号的重要组成部份，数据传输模块是中间模块，连接着输入信号端和家居控制端，家居控制模块是展现系统性能的重要部份。 4 系统软件设计 4.1 软件开发平台简介 本文触及的模块较多，需要在手机客户端搭建MIT语音服务器，同时需要PC端完成对Zigbee模块数据传输的设置和初始化，PC端需要编写C语言指令对Zigbee模块的操作本文只介绍C语言软件开发平台的使用。 C语言如今已发展成了现今世界的主流语言，在平常生活中得到了广泛利用。相较于之前的几种编程语言，C语言最大的优势在于它不但合适利用软件语言的编写，也合适系统软件语言的编写，因此才能发展成为如今巨大的范围，这些都与其本身的特点离不开，因此本文选用C语言作为我们的编程语言。 整体来讲，C语言具有以下特点：（1）语言简单明了但结构紧凑。C语言对新手而言是1门很容易上手的语言，快者几天就可以掌握这门语言的奥秘，其次，它的结构是紧凑的，各部份连接紧密。（2）C语言综合了高级语言和低级语言的优点。在适用范围上也就比1般的语言要广。 （3）C语言对人类友好。C语言相对汇编语言来讲更加容易理解，可以说汇编语言是对计算机友好的，而C语言则是对人类友好的。（4）C语言的语法要求不高。对这1点，也就大大下降了人们学习C语言的门坎，因此广受人们青睐。 本文设计的软件流程如图4所示： 图4 系统软件设计流程图 4.2 核心模块软件设计 本文的智能终端模块也就是控制家具模块主要是由手机端完成，并在手机端安装好语音控制软件，由于1个家庭环境中常常包括多个家居装备，因此手机端需要控制多个节点。为了解决这个问题，首先将数据包传递给家居环境中的主控中心，控制中心将数据标分解以后，再根据指令传递给特定的家居装备，从而完成对家居装备的控制。在这个数据包中包括3个内容，首先是节点地址，其次是家电类型，最后是需要转达的控制命令。这里的家电类型其中就包括了家居环境中所有的家居装备，如电视机空调等。而控制命令就是手机客户端翻译出来的语音信息。 首先用户在对家居装备转达控制命令之前，需要在手机客户端上进行注册和登录，只有注册过的用户才有资历对家居装备进行控制。本文设计的用户注册和登录界面见图所示： 图4 系统注册和登录界面 注册模块的设计软件流程图以下图所示： 图4 注册模块设计 如图4所示，在本文设计的注册模块中，主要包括3个步骤，分别是：（1）首先客户必须输入自己的手机号码，输入手机号码以后，后台会对手机号码的格式进行检测，如果格式不正确，则需要重新输入手机号码，格式正确则进入下1步骤；（2）手机号码格式正确以后，服务器端会产生1个验证码，然后服务器会将此验证码发送得手机客户端；（3）用户在手机客户端接收到验证码以后，就能够设置密码，此密码会发送到服务器端，在服务器端进行保存，同时用户注册成功，如果该手机号码之前注册过，手机界面会显示“该号码已注册”。 手机用户在通过上1步骤的注册进程以后，手机界面会自动跳转到登录界面，重新输入上述注册过的账号和密码就能够登录。用户在进行手机登录时，后台人就对手机格式进行检验，如果手机格式毛病则不能登录到控制界面，手机格式正确和密码正确则能够进入主界面。 本文设计的界面控制模块指的是手机客户真个主界面，主要是摆设家庭房间信息表，对家庭中的电器进行了分类，是为了方便进行管理，同时以图片和文字的情势进行展现，能够同时满足不同层次文化人群的需求。设计时用1个Layout进行布局，具体见图4所示： 图4 界面控制模块设计 在房间列表信息中，目前添加了4个区域的信息，分别是卧室，客厅，厨房，还有浴室，这几个房间基本包括了大部份家庭中得房间信息。每一个房间里都包括不同家居装备的信息，点击图标便可看到该房间内的家居装备信息，单击这些家居装备的图标即可以实现对这些家居装备的控制。如若想在房间内添加或删除家居装备，通过主界面的设置按钮操作便可。如图4所示是点击客厅房间和厨房房间后展现的家居装备信息。 图4 房间内家居装备信息列表 点击具体的家电装备图标后，便进入到该家电装备的控制界面，在该界面中可以清楚的看到该房间内所有的家具装备，如在客厅中就安置了电视机，空调等。点击某1个家居装备的图标就能够对家电进行控制，控制的方式采取语音控制，控制界面见下图所示： 图4 语音控制界面 如图4所示，进入空调语音控制界面以后，操作人员说出“开机”以后，显示空调开机成功，一样说出“制冷”、“制热”等辞汇，都能够正确对空调装备进行操控，语音辨认的效果良好。 4.3 本章小结 本章主要介绍系统的软件设计，首先论述了系统的软件开发平台，接着本章主要论述的是系统核心模块也就是语音控制模块的软件设计，在手机客户端完成语音信号的输入，还包括界面的设计，论述了相干模块的设计流程和设计思想。 5 总结和展望 本文设计了1套基于语音辨认技术的智能家居控制系统，能够在客户端输入语音信号，完成对家居装备的控制，使得家居装备更加智能化。本文首先对语音辨认的相干理论知识进行了详细的论述，利用MIT语音服务器完成对语音信号的特点提取和辨认进程，并且该服务器内有自动的高频噪声滤波器，避免声音信号产生失真现象。其次Zigbee模块完成了数据传输的功能，能够在网络拓扑较为稳定的家居环境中实现对数据的传输，消耗的功率下降，本钱也较低。最后基于安卓手机到达控制家具的目的，在手机客户端输入语音信号以后，服务器将翻译出来的语音信息传递给后台，由手机通过无线网络传递给家居装备，从而到达传递控制指令的目的。最后本文在测试阶段对本文设计的基于语音辨认技术的智能家居控制系统进行了性能测试，测试结果良好，能够到达预期的目标。 由于时间和实验条件的限制，本文的研究还存在着很多不足的地方需要改进。首先本文研究的基于语音辨认技术并没有对特定人群的声音信号进行辨认，从而没法到达辨认人身份的特点；另外本文在收集声音样本进程中数量较少，因此与真实的情况有较大的偏差，需要反复的收集真实声音训练语音库，才能让本文的设计更加完善。其次本文的利用环境是在家居网络中，但是随着人们生活水平的提高，家居网络已不再能够满足人们的需求，因此本文未来研究的方向还需要朝着远程控制的方向努力。最后本文所研究的系统没有对安全方面进行分析和设计，随着人们的安全意识愈来愈强烈，需要在系统中加入1定的安全报警系统才足够完善，这也是本文未来研究努力的方向。 参考文献 1 牛可,张珣.智能家居语音辨认通用语音AI云平台的设计与实现J.物联网技术,2019,9(02):680+74. 2 凌贤鹏,李绽蕾,刘昊,张钐钐,俞芸芸.基于智能语音的智能家居系统设计J.物联网技术,2019,9(01):734+77. 3 侯猛,胡晓红,赵航涛.在线语音辨认技术在智能家居中的利用J.信息与电脑(理论版),2018(24):11820. 4 黄梦龙,李云红,马丽萍,钟晓妮,王坚毅.基于ARM的智能家居语音控制系统设计J.电脑知识与技术,2018,14(34):17880. 5 肖慧力.以单片机为基础的语音辨认智能家居控制系统研究J.电子世界,2018(21):76+78. 6 黄发扬.浅谈语音辨认技术在智能家居领域控制的可行性J.智能建筑,2018(08):713. 7 肖爱民. 基于语音辨认技术的智能家居控制系统的设计D.南昌大学,2018. 8 程风,翟超,吕志,余子安.基于语音辨认技术的智能家居主控设计J.工业控制计算机,2018,31(05):291. 9 赵亮. 智能家居语音控制系统的设计D.西安电子科技大学,2017. 10 张英振. 嵌入式语音辨认系统开发及在智能家居中的利用研究D.上海利用技术学院,2015. 致 谢 在老师的谆谆教导下，我完成了本论文的撰写。在这期间，老师对我的帮助我无以忘记，特别是老师认真教学的态度让我深深感动。在我论文撰写的进程中，我遇到了数不清的困难和挑战，都是老师在身旁默默教导着我，耐心的教给我相干的知识点，帮我攻克1个个难关。我深深地为老师渊博的知识所折服，这是我永久为之奋斗的目标。另外，老师是1个风格严谨，教学认真的人，他的为人处世方式也在生活中默默影响着我，使我得到了很多启发，我要时时刻刻谨记老师的教诲，感激老师所有辛苦的付出！ 经过几个月的学习，我的论文也行将脱稿，这意味着我的4年大学生涯也行将走向尽头。回首往事，那些学习的经历在脑中逐一回现，看到如今收获的成果，我的内心也深感欣慰，这都源于身旁的人对我默默的帮助，我感谢身旁每个人对我的热情指点和帮助，没有他们就没有今天的我，在此真诚感谢我身旁的每个朋友！