林龍森，鄭曉青

(1.黎明職業(yè)大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院，福建 泉州 362000; 2.黎明職業(yè)大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院，福建 泉州 362000)

基于環(huán)境監(jiān)測的語音控制及無線傳輸?shù)闹悄芗揖酉到y(tǒng)設(shè)計*

林龍森1，鄭曉青2

(1.黎明職業(yè)大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院，福建 泉州 362000; 2.黎明職業(yè)大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院，福建 泉州 362000)

智能家居系統(tǒng)實現(xiàn)無線控制和非特定人聲語音識別，通過無線和語音控制家居的各個設(shè)備，讓其根據(jù)外界環(huán)境的變化和主人的意愿進入相應(yīng)的運行狀態(tài).系統(tǒng)以單片機STC12C5A60S2為主控制器,實現(xiàn)對室內(nèi)溫度、濕度、光照檢測，并以LED燈和風(fēng)扇兩個被控對象為例，提供語音、手動、自動三種方式控制LED燈的亮暗和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的快慢.主要介紹系統(tǒng)整體框架和方案，重點說明了語音控制的實現(xiàn)、無線通信信道的構(gòu)建以及應(yīng)用到的無線通信協(xié)議.

智能家居；單片機；語音控制；無線通信；環(huán)境監(jiān)測

隨著人民生活水平和社會、經(jīng)濟的發(fā)展水平的不斷提高，人們對家居、辦公的舒適程度、智能性的要求也日趨明顯，可以預(yù)見，智能家居(HA)將成為未來工作生活不可或缺的部分[1].本文設(shè)計的家居系統(tǒng)結(jié)合了環(huán)境監(jiān)測和語音識別(ASR)，提高了智能化程度，同時，采用的無線組網(wǎng)技術(shù)不僅讓整套系統(tǒng)更加經(jīng)濟與綠色環(huán)保，也大大提高了產(chǎn)品使用的便捷性.

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)設(shè)計的家居是基于物聯(lián)網(wǎng)[2]形式的，通過無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將感測設(shè)備、控制設(shè)備連接起來，實現(xiàn)智能監(jiān)測與控制.

圖1 系統(tǒng)示意圖

1.1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)設(shè)計的家居系統(tǒng)可以根據(jù)外界環(huán)境的變化和主人的意愿智能控制家居的各個設(shè)備運行.系統(tǒng)整體示意圖如圖1所示.

從圖上可以看出，系統(tǒng)包括被控部分(以LED燈和風(fēng)扇兩個被控對象為例)，探測部分和接收顯示控制部分.主要功能由接收顯示控制部分實現(xiàn).本系統(tǒng)提供了三個探測節(jié)點，濕度、濕度及光照度，并以兩個被控節(jié)點，即風(fēng)扇和LED燈為例，通過主控單片機系統(tǒng)實現(xiàn)家居系統(tǒng)對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和LED燈亮暗的顯示與控制.

1.2 主要功能

(1) 探測節(jié)點采集室內(nèi)的濕度、濕度及光照度，并能將采集到的信息無線傳輸至其他節(jié)點或主控方.

(2) 被控節(jié)點，如示意圖上風(fēng)扇節(jié)點和LED燈節(jié)點，能夠接收外界的無線控制信號作出相應(yīng)的控制.

(3) 主控節(jié)點能夠接收外界的無線數(shù)據(jù)信號，并對各個被控節(jié)點發(fā)出無線控制命令.

(4) 控制模式主要有手動、自動、語音三種.其中，自動模式指的是被控節(jié)點能夠根據(jù)探測節(jié)點采集到的信息作出自動控制.如LED燈節(jié)點可以根據(jù)光照強度自動調(diào)節(jié)燈的亮度；風(fēng)扇節(jié)點可以根據(jù)溫度和濕度大小自動調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等.手動模式和語音模式是直接對被控節(jié)點的控制.

2 探測節(jié)點的設(shè)計

2.1 溫度探測節(jié)點和濕度探測節(jié)點

(1)溫濕度探測方案選定.溫濕度傳感器有多種方案可供選擇，如PT100、AD590、DS18B20、SHT10等，在本套系統(tǒng)選用了溫濕度一體化模塊DHT11，主要有以下幾個方面的考慮：①系統(tǒng)包括溫度站點和濕度節(jié)點，采用溫濕度一體化模塊，使得兩個節(jié)點的框架結(jié)構(gòu)相近，可以大幅度減少硬件和軟件的工作量.②DHT11是數(shù)字化輸出的傳感器模塊，硬件不需要前級的信號處理與放大，減少研發(fā)設(shè)計成本.③經(jīng)濟價格優(yōu)勢.濕度傳感器SHT10市場價25元左右，而DHT11只需6元左右.

(2)溫濕度探測方案特點.溫濕度傳感器DHT11供電電壓為直流 3.3～5.5V，為單總線數(shù)字信號輸出，測量濕度范圍20～90%RH，溫度范圍0～50℃，濕度精度±5%RH，溫度±2℃.DHT11與微處理器之間的一次通訊時間4ms左右，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分.一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，高位先出.數(shù)據(jù)格式為：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗碼.

2.2 光照度探測節(jié)點

針對光強信號的傳感器有許多種，包括光敏電阻，光敏二極管，光敏三極管等.普通傳感器的缺點是后續(xù)電路復(fù)雜，或者線性度不好.甚至有的傳感器，比如普通光敏電阻，只表現(xiàn)為亮阻和暗阻兩個極端情況，不符合系統(tǒng)要求.系統(tǒng)采用數(shù)字光照模塊GY-30，其測量范圍寬(1-65535勒克斯)，并能將采集到的光照強度直接轉(zhuǎn)換為IIC總線方式的數(shù)字信號，方便MCU進行后續(xù)處理.

3 無線收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計

家居組網(wǎng)模式有多種方式和結(jié)構(gòu)，包括CAN總線方式[3]、485總線方式等，系統(tǒng)采用了無線拓撲結(jié)構(gòu).目前，無線智能家居局域網(wǎng)組網(wǎng)主要采用了如下幾個頻段：2.4GHz頻段，如ZigBee，24L01[4]等；900 MHz頻段，如Z-Wave；433M頻段，如nRF905，SI4463等.相對而言，Z-Wave沒有開放相關(guān)標準與接口，不利于系統(tǒng)開發(fā)拓展.2.4G的ZigBee模塊成本較高，且對家居來說，2.4G頻段“穿墻”損耗大，效果差.系統(tǒng)利用433M附近頻段的數(shù)傳模塊SI4463構(gòu)建家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，相對更為經(jīng)濟、便捷.

3.1 信道占用

為了能夠同時無線傳輸信息而不互相干擾，無線系統(tǒng)在433M基礎(chǔ)頻段上進行了一定的偏頻，相當于占用了不同的無線傳輸信道.系統(tǒng)包含了5個節(jié)點和一個主控方，要傳輸?shù)男畔囟?、濕度、光照度、主控命令四種.因此，系統(tǒng)需要占用四個無線傳輸信道，溫度信道、濕度信道、光照度信道、主控命令信道，并且為四個傳輸信道分配了不同的工作頻段，同時在網(wǎng)絡(luò)MAC層還采用了相關(guān)協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)地址配置避免信道數(shù)據(jù)沖突[4].

3.2 系統(tǒng)無線構(gòu)架

由于系統(tǒng)節(jié)點及傳輸?shù)臄?shù)據(jù)種類較多，因此必須對系統(tǒng)的無線構(gòu)架作一定的規(guī)劃.系統(tǒng)信道的輸入輸出方向以及每個節(jié)點與信道的處理關(guān)系如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)框圖

從圖2可以看出，整套系統(tǒng)被劃分為三個部分，采集部分、被控部分和主控部分.采集部分主要占用了三個信道：光照信道、濕度信道、溫度信道，負責(zé)向相應(yīng)的信號發(fā)送采集到的信息.被控部分需要接收來自四個信道的信息(溫度、濕度、光照和控制)，根據(jù)接收到的信息不同做出不同的響應(yīng)和控制.主控部分相對比較復(fù)雜，即要接收采集部分發(fā)來的響應(yīng)信息，又要負責(zé)向主控命令信道輸出控制信號.

3.3 通信協(xié)議

為了保證數(shù)據(jù)傳輸可靠，系統(tǒng)將無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)封裝成具有固定格式的一個數(shù)據(jù)幀.這個數(shù)據(jù)幀的格式如圖3所示.

圖3 通信幀格式

這個幀格式包括一個字節(jié)的幀長度信息，一個字節(jié)的命令字信息，兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)信息，一個字節(jié)的校驗和信息.

(1) 傳輸數(shù)據(jù)校驗.每次系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)時，都需要根據(jù)“幀長度”關(guān)鍵字判斷本幀的有效字節(jié)長度來接收整幀的完整信息.同時，系統(tǒng)還要驗算這些有效字節(jié)的校驗和與所收到的校驗和是不是一致，如果一致則說明通信數(shù)據(jù)傳輸無誤，可以截留命令字和數(shù)據(jù)做下一步處理與分析.

(2) 數(shù)據(jù)處理分析.只有收到的命令的確是針對本機的，系統(tǒng)才能根據(jù)隨后的數(shù)據(jù)信息作出相應(yīng)的動作.本系統(tǒng)主要有表1所示的命令字.

表1 系統(tǒng)通信命令字

4 語音控制系統(tǒng)設(shè)計

語音識別包括特定和非特定發(fā)音人識別，系統(tǒng)采用的是非特定發(fā)音人識別(Speaker Independent)，可以將因發(fā)音人年齡、性別、口音等差異引起的誤判縮減到幾乎沒有的程度[5].系統(tǒng)的語音控制部分是相對獨立的一套系統(tǒng)，采用了專用語音芯片LD3320，MCU 選用的是STC10L08XE.

4.1 LD3320語音識別模塊

LD3320 芯片是一款“語音識別”專用芯片，芯片供電3.3V，默認外接時鐘.該芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路，包括AD、DA轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)接口、聲音輸出接口等.芯片不需要外接任何的輔助芯片，直接集成在現(xiàn)有的產(chǎn)品中即可以實現(xiàn)語音識別、聲控、人機對話功能.并且，語音識別的關(guān)鍵詞語列表可以任意動態(tài)編輯.

4.2 語音控制系統(tǒng)主要功能與特點

(1)在電源方面，LD3320芯片的電源電壓是3.3V，故而選用同樣是3.3V電源電壓的STC10L08XE與之匹配，語音識別系統(tǒng)采用電路使用了AMS1117-3.3 芯片提供3.3V電源電壓.

(2)MCU 直接控制LD3320模塊完成所有和語音識別相關(guān)的工作.

在山羊產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，除滄溝鄉(xiāng)作為“武隆板角山羊保重基地”建設(shè)以外，繼續(xù)推廣使用波爾山羊種公羊與本地山羊雜交，將波雜一代山羊作為商品羊育肥出售，同時在黃鶯、巷口等鄉(xiāng)鎮(zhèn)推廣產(chǎn)仔率高的黑山羊。

(3)串行存儲芯片采用華邦W25Q32，存儲空間為 32Mbit，用以存儲播放的語音命令文件，為MP3 格式.語音系統(tǒng)需要識別或播放的語音命令以MP3格式存放在芯片中，包括“開風(fēng)”、“關(guān)風(fēng)”、“亮燈”、“滅燈”、“再試一遍”等語音.

(4)系統(tǒng)有兩個紅色的LED指示燈，當兩個LED燈在交替閃爍時，程序正在處理接收到的語音，此時外部的語音將不被識別，只有現(xiàn)兩個LED燈熄滅時才能再次識別語音.

(5)與主控系統(tǒng)通信.分配端口與主控部分連接，實現(xiàn)語音子系統(tǒng)與主控系統(tǒng)的通信，主要傳輸4個語音命令“開風(fēng)”、“關(guān)風(fēng)”、“亮燈”、“滅燈”的數(shù)字信息.主控系統(tǒng)根據(jù)通信命令實現(xiàn)對應(yīng)的控制.

5 結(jié)語

語音控制和無線傳輸是本智能家居系統(tǒng)的兩大特色，環(huán)境監(jiān)測提高了家居系統(tǒng)的智能化程度，語音控制使得家居系統(tǒng)的控制更人性化；而采用無線的方式處理家居的控制系統(tǒng)，解決了布線困難、繁瑣的問題，也節(jié)省了相關(guān)的人力、耗材，向綠色經(jīng)濟靠攏.系統(tǒng)經(jīng)測試在100m距離內(nèi)通信掉包率<1%，語音識別率在92%以上，環(huán)境溫度監(jiān)測精度±1℃，濕度監(jiān)測精度±1%，系統(tǒng)控制響應(yīng)靈敏，運行穩(wěn)定.

[1]韓星.無線嵌入式智能家居環(huán)境網(wǎng)關(guān)的幾點思考[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2013(5):415.

[2]文學(xué)書.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居應(yīng)用[J].中國信息化,2013(10):100.

[3]Moraes,F.Pontificia Univ.Catolica do Rio Grande do Sul(FACIN-PUCRS),Porto Alegre,Brazil;Amory,A.Using the CAN protocol and reconfigurable computing technology for Web-based smart house automation[J].Integrated Circuits and Systems Design,2013(14):38-43.

[4]謝曌東.基于nRF24L01的智能家居網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2013(9):42-44.

[5]張紅英.基于硬件的本地化語音交互技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].家電科技,2013(6):20.

(責(zé)任編輯:王前)

2010-10-25

林龍森(1982-)，男，福建福州人，碩士，講師．

福建省教育廳自然科學(xué)技術(shù)研究項目(JB12294).

TN914

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1008-7974(2014)01-0001-03