【《聊天智能音箱的硬件平台搭建及开发环境设计案例》3300字】

聊天智能音箱的硬件平台搭建及开发环境设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u11161聊天智能音箱的硬件平台搭建及开发环境设计案例 1204481.1智能音箱系统的硬件构架 1123371.1.1Raspberrypi开发板介绍 1283511.1.2麦克风的选择及其硬件连接结构 2327061.1.3无线网卡和LCD显示屏的选择 5258921.1.4播放器的选择 5124001.2开发环境的搭建 6200001.2.1开发系统的选择 6247071.2.2操作系统的安装 6267421.2.3软件及其安装 7伴随着嵌入式技术的发展，以及满足人们智能音箱系统成本的要求，本文提出基于嵌入式智能音箱系统有很好的应用前景，该系统是以树莓派为硬件平台、基于Raspbian系统的软件平台应用系统。如图3-1是大致的搭建的硬件与软件平台解析。图3-1智能音箱搭建平台1.1智能音箱系统的硬件构架为了达到本文的实验目标，实现稳定的具有语音交互功能、低成本、高自由度、高个性化的智能音箱。在前端采用树莓派开发板作为开发平台，麦克风作为收集工具，语音模块是通过麦克风串行接口与树莓派连接，使用USB无线网卡实现其WiFi通信。1.1.1Raspberrypi开发板介绍树莓派是RaspberryPi的翻译名称。它是基于ARM的主板。整个东西只是一张银行卡的大小，具有低功耗和强大的性能。可以执行PC的基本功能，可处理文本和表格、观看视频等通入PC端的功能一应俱全。如图3-2所示Raspberrypi实物图。图3-2Raspberrypi实物图本文采用的是3代B型的主板，可以外接USB设备包括鼠标、键盘、USB摄像头、USB无线网卡和存储设备等，拥有4个USB2.0的接口，大大提高其扩展能力；它是以MicroSD卡作为存储盘，本文在主板上安装嵌入式操作系统，需要安装在SD卡上；扩展的GPIO接口有40个；网络接入为10/100以太网接口；额定功率仅为1000毫安(5W，电源输入为5V)；HDMI接口可用于传输高质量图像，是位于树莓派主板底部唯一的一个接口[22]。1.1.2麦克风的选择及其硬件连接结构从麦克风来说，种类繁多，有树莓派专用的USB免驱麦克风，只占用一个USB接口。还有ReSpeaker2MicsPiHAT，这是一款专为RaspberryPi开发的开发板，带有2Mic阵列、一个声卡和一个1.5毫米外部音频输出。如图3-3是而阵列麦克风的示意图。图3-3二阵列ReSpeaker图片另外，也有PlaystationEye是PS3搭配的体感硬件，自带麦克风和摄像头，包含四阵列麦克风和摄像头，免驱使用。比四阵列更多的还有七阵列ReSpeakerMicArray，基于XMOS的XVSM-2000智能麦克风开发。该板集成了7个PDM麦克风[24]。表3-1单麦克风与阵列型比较性能参数降噪声源定位去混响麦克风数量价格单麦克风麦克风阵列差优无有无有单个多个低高如表3-1则是单麦克风与阵列麦克风的比较。不过相比传统话筒，麦克风阵列的收音面积更大，可以远程唤醒和沟通。阵列数量越多，效果越好，价格也越高。对于阵列来说，主要由一定数目的声学传感器组成。通俗的讲，也就是麦克风阵列是由多个单麦克风按一定顺序排列的，可以理解为一堆麦克风[21]。我们常见的话筒，如智能收集麦克风话筒就是单麦克风的它们通过特定的排列（阵法），可以对声音接收有更好的效果，但也会占用GPIO端口。同时，这个HAT配置起来也要比直接插USB的免驱麦克风来说要繁琐一些，需要自己安装驱动[20]。综上，考虑到本文设计的系统仅仅面向大众，且考虑到成本问题，本文采用的是ReSpeaker2MicsPiHAT专门为树莓派打造的2阵列开发板和USB免驱型树莓派专用麦克风。由以上内容可知，已经选定专门为树莓派打造的2阵列开发板和USB免驱型树莓派专用麦克风，本节来介绍其物理连接结构。如图3-4所示为树莓派与二阵列麦克风的连接图。图3-4树莓派与二阵列麦克风的连接图树莓派上的GPIO02与GPIO03为I2C接口，GPIO10与09与11构成SPI接口，GPIO14和15为BITCLOCK端口，即GPIO14为TXD0，GPIO15为RXD0端口。声卡模块使用12M赫兹晶振，搭配22pf电容，支持44100、48000、96000采样率[16]。如图3-5为ReSpeaker2Mics二阵列麦克风的简主要部分易内部硬件电路图示。图3-5二阵列麦克风物理连接结构1.1.3无线网卡和LCD显示屏的选择本文采用的无线网卡是USB接口，选用的无线网卡支持的最大的传输数据的速率为150Mbps，传输的范围为10米，完全满足系统的需求。树莓派上有HDMI接口，HDMI接口连接器全称是“HighDefinitionMultimediaInterface”，它是高清晰度多媒体接口，应用范围广泛，它可以传输数字音频信号，并增加了对HDCP的支持，能够访问高清晰度内容[28]。本文采用的显示屏是800×480高清分辨率，支持触摸控制，兼容并可直接插入任何版本的树莓派，提供驱动盘仅用于显示，不占用任何I/O资源，支持背光控制。如图3-6则是树莓派与LCD液晶屏的端口连接图。图3-6LCD液晶屏端口连接图利用HDMI接口来连接树莓派和LCD显示屏，目的在于可以看到交互的具体信息。LCD若插树莓派的GPIO接口上，就不需要再为此单独给它供电，若不是就需要单独为其供电5V/2A，MicroUSB接口。1.1.4播放器的选择在各个功能中作为嘴巴的音箱，其选择还是相对比较随意的，没有麦克风考虑的收音、去噪等功能。其要求就是能播放出所需要的声音，本文使用的是树莓派，市面上大部分1.5mm音频输出都能在树莓派工作。但事实上独立供电的音箱体积普遍比较大。本文采用树莓派设计自己的智能音箱，由于树莓派的优势是便携体积小，故我们要秉持着其特点去寻找合适的音箱，体积也需要找尽量小的发扬其优点。故本文采用了体积为宽67mm、高43mm尺寸，16芯40磁喇叭，聚合物锂电池，1000毫安的蓝牙和数据线连接两用的音箱，可以很好的解决电池不足或蓝牙连接等问题。1.2开发环境的搭建1.2.1开发系统的选择树莓派可支持的系统很多，常见的有Raspbian、Windows10、Ubuntu等系统[17]。Raspbian是一种基于树莓派ARM卡的计算机操作系统，Raspbian系统受益于在Debian中引入具有设备浮点加速功能的ARM架构。默认情况下Raspbian使用集成了C语言和Python编译器的LXDE桌面[18]。综合考虑，本文采用的是Raspbian系统，该系统是为树莓派量身打造的系统，是树莓派上最常用的免费标准操作系统。它的优点有较小的内存占用、易用性以及对浮点单元的支持等，针对RaspberryPi硬件Debian进行了专门的优化，并构建了超过35000个Raspbian软件包。1.2.2操作系统的安装树莓派官方网站有3个版本的Raspbian系统镜像文件以及很多第三方系统镜像，由于Raspbian版本自带35000个预编译软件包和程序，用户可以根据需要自行安装[11]。本文在Raspbian系统上需要Win32DiskImager将Raspbian写入SD卡，下面介绍烧录Raspbian的步骤：（1）下载最新版本的Raspbian以及Win32DiskImager。（2）解压Win32DiskImager，将SD卡插入到读卡器中。（3）运行Win32DiskImager，选中Raspbian系统的镜像文件，点击Write写入。图3-7Win32DiskImager操作面板安装成功后，将SD卡插入至树莓派，通过HDMI线连接显示器，插入电源就能进入Raspbian系统，Raspbian操作系统默认桌面如图3-7所示。图3-8Raspbian操作系统默认桌面在初次启动树莓派进入Raspbian系统时，会弹出Rasp-config工具，可对树莓派进行相关配置，如用户名、密码、系统时间、键盘等，Rasp-config配置工具如图3-9所示。图3-9Rasp-config配置工具1.2.3软件及其安装本文的系统已经确定以树莓派为硬件平台，搭载Raspbain系统，安装Python1.4.2,并配置wukong-robot库。由于软件的开发环境需求，我们将嵌入式开发平台、wukong-robot移植安装至Raspbian操作系统，搭建开发环境。在1.2.2节中，己经介绍移植安装Raspbian操作系统的过程，本节将讲述wukong-robot的移植安装过程，为后续在树莓派上进行语音智能交互做准备。如图3-10为下载的所有步骤归纳。图3-10资源包下载流程按照图3-10所显示的大体的各个步骤，以下是对wukong-robot的安装过程的具体步骤解析解析：(1)打开终端，先更新和升级已安装的软件包，然后更新RaspberryPi固件：sudoapt-getupdatesudoapt-getupgrade--yes(2)下载安装所需的安装工具包：sudoapt-getinstallemacsgit-corepython-pymadcmakeuuid-devfswebcamlibav-tools--yessudoeasy_installpip由于wukong-robot是基于Python开发的，工具里面包含了Python运行wukong-robot所需要的软件和工具，支持播放音频所需要的库文件和工具，包括git用来clone的代码。(3)从GitHub下载wukong-robot克隆仓库，并打开其文件夹：gitclone/wzpan/wukong-robot.gitcdwukong本文使用的麦克风是ReSpeaker2-MicsArrayHAT作为麦克风阵列开发板，所以把代码切换至respeaker分支：gitcheckoutrespeaker之后则需要安装必须的pypi库：sudopipinstall--upgradesetuptoolssudopipinstall-rclient/requirements.txt创建一个.wukong目录来维护你的个人数据：mkdir/home/pi/.wukong将wukong-robot配置文件的内容拷贝下来保存为/home/pi/.dingdang/profile.yml安装Sox，每个软件的语音合成结果都会将音频转换，安装一个MP3来播放结果：sudoapt-getinstallsox#播放音乐sudoapt-getinstalllibsox-fmt-mp3#mp3格式支持安装TaskWarrior，用来日程提醒。因此需编译安装较新的2.5.1版本：cd$HOMEwget/download/task-2.5.1.tar.gztarxzvftask-2.5.1.tar.gz完成后创建一个.taskrc文件用来记录日程：touch/home/pi/.taskrc安装Sphinxbase/Pocketsphinx，Stretch已经包含了PocketSphinx的源：sudoapt-getinstallpocketsphinx#forstretchsudomakeinstall安装Sphinxbase/Pocketsphinx，Stretch已经包含了PocketSphinx的源，先装好预编译的版本：sudoapt-getinstallpocketsphinx#forstretch./configure--enable-fixedsudomakeinstall安装CMUCLMTKsudoapt-getinstallsubversionautoconflibtoolautomakegfortrang++--yes安装Phonetisaurus，m2m-aligner以及MITLM先下载源码：wget/openfst/openfst-1.4.1.tar.gz解压：tar-xvfm2m-aligner-1.2.tar.gz编译安装OpenFST：cdopenfst-1.4.1/sudomakeinstall#comebackaft