【《智能家居语音辅助系统设计》8800字】

智能家居语音辅助系统设计【摘要】随着现代社会的发展，科学技术水平不断地发展，人们的物质生活水平也随之提高，从而人们对家居生活也有了更高的要求。当前市面上的家居系统多数以遥控器来控制，但随着语音识别系统的完善普通家居系统面临着挑战。采用语音识别系统控制家庭电器使家居生活更加便捷，语音识别技术不仅方便了普通人更能够帮助特殊群体去适应电气化的生活。采用红外编解码技术与智能家居相结合使用户能够远程遥控家居电器，替代普通的家庭遥控器，方便了人们的居家生活。根据目前现有的技术水平和用户的需求考虑，本文设计并实现了一种基于语音识别技术和红外编解码技术的智能家居语音控制系统。从系统上可以分为两个部分：一是信号的收集部分，可以分为红外信号的接收和语音信号的接收部分，通过STC89C52作为主控模块对接收处理后的红外信号和语音信号进行储存控制，本设计的语音识别模块采用的是LD3320语音识别模块，该语音识别模块能够准确识别到用户的语音指令，使系统能够根据用户的需求准确地执行指令。二是数据的输出部分，可以分为显示输出部分和红外信号发送部分，通过OLED显示智能家居系统控制的居家设备的当前状态，使用户能够清楚了解到居家设备的当前状态。本文首先介绍了本设计的意义、国内外研究现状并介绍了多种现有智能家居的技术。然后分析了现有的智能家居的发展，再根据现阶段的用户需求提供了方案，并确定总体的设计方案和改进技术的措施。最后对系统的的各个模块分别进行了测试，包括红外信号编解码、语音识别等。通过测试，该智能家居语音辅助系统能满足预期设计要求。【关键词】智能家居、红外编解码、语音识别、MSC51单片机目录TOC\o"1-3"\h\u第一章绪论 11.1、本课题研究意义 11.2、国内外研究现状 11.2.1、国外研究现状 21.2.2、国内研究现状 21.3、本课题的创新点 21.4、本文主要内容 3第二章系统总体设计和关键技术简介 42.1、系统的功能与需求6586 42.2、系统的总体架构12130 42.2.1、数据采集部分 52.2.2、输出显示部分 5第三章系统硬件设计 73.1、系统硬件总体结构 73.2、51单片机主控模块 73.3、YS-IR05F红外编解码模块 83.4、LD3320语音识别模块 83.5、OLED实现模块 10第四章系统软件设计 114.1、系统软件总体结构 114.2、主程序设计 114.2.1、系统初始化 114.3、红外编解码部分 124.4、LD3320语音识别模块 144.5、本章小结 14第五章系统测试 165.1、测试环境的搭建 165.2、语音信号采集测试 165.3、红外编解码测试 165.4、OLED显示测试 17第六章总结与展望 186.1、课题研究总结 186.2、下一步研究展望 18参考文献 19第一章绪论1.1、本课题研究意义随着现代社会不断发展，科学技术也不断提高，人们也开始追求更高质量的居家生活，希望居家生活变得更加便利、智能及高效化。随之智能家居便开始加入了人们的生活，也受到越来越多人的关注,人们希望能通过智能化家电提升生活层次成为现代化生活的现实需要。红外遥控技术作为一种成熟的技术已经广泛应用于智能家居[1]、智能家用电器[2]、儿童玩具[3-5]、机器人[6]等生活各个方面，例如在智能家电领域，红外遥控空调、红外遥控电视机等已经获得广泛应用。然而，目前的红外遥控器从性能和便利使用的角度来看远不能满足特殊群体的需要。例如盲人在使用传统红外遥控器会感到极不方便，因为他无法看到遥控器上设定的信息，需要根据触摸以及记忆遥控器上键盘的位置来实现遥控[7]。所以考虑语音识别系统与红外控制相结合的智能家居系统，即方便普通人群也能满足特殊群体的使用。当前语音识别技术已经发展成熟，红外信号遥控技术也已经大范围使用于各种家电设备中。将语音识别技术与红外遥控控制方式在生产制作上相互融合，使得越来越多的人也能够追赶上当今智能化时代潮流。因此，对语音识别技术和红外遥控技术的结合，近年来逐渐得到业界的重视。例如王国力[8*]等人设计一种基于STM-32单片机内核低成本、适应性强的WIFI智能家居网关语音控制系统；杜丹[9]等人以STC单片机作为微处理器设计了一款基于语音识别和红外无线通信的智能开关控制系统；王明洋[10]等人为其设计的语音红外装置申请了专利。语音识别技术与红外遥控技术的结合成为传统型控制系统家电向智能化控制系统家电发展的一个重要方案。这不仅便利了人们的生活、方便了特殊人群的使用，也使得智能家居能以较低的价格在人群中普及。1.2、国内外研究现状家居生活智能化已经成为未来生活的发展趋势和生活指向标，并正在全球范围内呈现强劲的活力。目前全球智能家居发展态势良好，美国引领行业发展风向标。如市场研究咨询公司MarkesandMarkes近期发布的报告显示，全球智能家居市场规模将在2022年达到1220亿美元，2016—2022年年均增长率预计为14%。伴随着5G移动通讯技术的发展和语音识别、深度学习等人工智能新技术与智能家居的融合，智能家居产品类别增多、智能家居系统生态逐步成熟、智能家居用户市场普及率提高将会是大势所趋。同时，我国潜在发展空间巨大，今年智能家居市场规模增长率大幅度提升，行业发展势头迅猛。人工智能技术融合化趋势催生了大量新技术、新模式、新业态，创造了巨大的市场需求[11]。1.2.1、国外研究现状智能家居技术（SHT）包括传感器，监视器，接口，设备，这些网络相互连接在一起，以实现对家庭环境的自动化以及本地化和远程控制。可控制的设备包括加热装置和热水系统（锅炉，散热器），照明，窗户，窗帘，车库门，冰箱，电视和洗衣机。传感器和监视器检测环境因素，包括温度，光线，运动和湿度。控制功能由计算设备（智能手机，平板电脑，笔记本电脑，PC）上的软件提供，也可以通过专用硬件接口（例如壁挂式控件）提供。智能家居技术越来越多地通过现货供应和专业安装出售。在英国可以使用的示例包括用于控制供暖和热水系统的BritishGas的HIVE系统，以及用于取暖和照明的RWE的SmartHome系统。智能设备（包括冰箱，洗衣机，滚筒式干衣机，洗碗机和烤箱）的全球市场预计将增长650倍，从2012年的4000万美元增长到2019年的260亿美元。在全球七个国家（包括英国和德国）进行的全球消费者研究表明，智能家居设备的市场支持水平很高。超过一半的受访消费者表示对智能家居普遍感兴趣，而50％的人认为智能家居技术将在未来几年内对其生活产生影响。市场预测，由于智能手机的广泛采用，到2019年，德国预计将有超过500万家庭拥有智能家电或设备[12]。1.2.2、国内研究现状国内智能家居的发展也是紧追步伐，虽然已经走过了概念阶段，但因为起步较晚，受限于发展水平，目前智能家居仍尚未普及。国内的家电巨头如海尔、美的、格力等公司，以及互联网科技公司如小米、百度、阿里巴巴、华为等，也都有相应的产品推出。比如家电巨头海尔公司推出的“U-home”智慧家居系统，美的公司推出的“M-smart”开放平台。可见目前在科技发展和市场的驱动之下，国内外企业都在积极开发部署智能家居系统，但同时也有大量问题需要逐渐解决[13]。1.3、本课题的创新点根据国内外的智能家居现状和家庭对智能家居的实际需求，针对目前智能家居系统存在的一些问题进行了新的设计。本文设计一种基于红外编解码和语音识别的智能家居系统，本设计创新点如下：通过红外编解码模块发射红外信号来控制家居，方便用户远程控制家居设备，取代家居红外遥控器。通过语音识别模块对家电进行控制，方便用户的使用。通过OLED显示屏显示家电开关状态使用户能够直接通过智能家居系统查看家电的运行状态。1.4、本文主要内容本文主要有六个章节，每个章节介绍的内容如下：第一章主要介绍当前智能家居在国内外的发展现状、现有的智能家居技术和本设计基于现有技术的创新点，第二章主要介绍了本设计的系统总体设计以及部分关键技术。第三章主要介绍了本设计的硬件部分，并详细阐述了各个模块的原理和电路设计第四章主要介绍了本设计的总体软件设计框架并详细阐述了系统总体框架内各部分功能的软件设计。第五章介绍了本设计各个模块的测试及总体的实物结构。第六章是总结与展望。第二章系统总体设计和关键技术简介本设计系统总体主要分为两个核心部分：一是红外编解码部分，二是语音识别部分。通过红外编解码模块接收家用红外遥控器的信号，并对接收到的红外信号遥控进行解码处理，当接收到用户相应的语音命令通过语音识别模块发送信号给红外编解码模块，通过红外编解码模块编码相应的红外信号控制家电的开关。2.1、系统的功能与需求：经过分析该系统需实现已下功能需求：红外编解码功能：能够接收家用遥控器的红外信号进行解码，能够发射和遥控器信号相同的红外信号控制家电。语音识别控制家居功能：对用户的语音指令进行识别，能够根据用户下达的指令控制相应的家居功能。OLED显示功能：显示语音辅助系统所控制的家居的状态。基于上述功能，本系统可以分为：红外编解码模块、语音识别模块和OLED显示模块三个主要部分。其中红外编解码模块选用YS-IR05F红外编解码模块，通过单片机的串口向红外模块发送特定的指令，模块接收到指令编码后发射红外遥控信号；通过单片机串口接收的方式接收红外模块解码遥控信号后得到的的编码信息，实现红外信号编码解码功能。用户只需拿起遥控器对红外编解码模块的接收头按下，该模块就可以解码出遥控信号的编码信息，再通过串口发送给单片机，解码后的输出结果为“用户码1+用户码2+命令码”三位组成。红外编解码模块接收到单片机串口发送的16进制五个字节的指令时，就会编码出对应的红外信号并发送出去。本设计的语音识别模块采用了LD3320专用语音识别芯片。LD3320语音识别芯片具有高效而稳定的语音识别算法，不需要另外的录音可以试试检测语音识别口令，并且可以完成非特定人的语音识别功能。同时LD3320语音识别芯片不需要另外附加数模转换芯片、闪存芯片和RAM等辅助芯片就能够实现语音辅助功能。因为语音识别模块有着单芯片语音识别的功能，所以简化了电路设计，提升了系统的可靠性与稳定性。显示模块采用0.96寸OLED显示屏，对当前环境参数和一些交互信息实时显示。同时该显示屏支持SPI读写数据，显示屏的分辨率为128*64，且显示屏具有质量轻、厚度薄、体积小等优点。2.2、系统的总体架构智能语音家居辅助系统主要分为：红外编解码模块、语音识别模块和OLED显示模块三个部分。图2-1为系统架构图。图2-1系统框架图2.2.1、数据采集部分智能家居语音红外辅助系统发数据采集部分主要由语音采集和红外接收两个部分组成，这两个部分主要完成语音的检测识别和红外信号的接收功能。在本设计中红外接收采用的是YS-IR05F红外编解码模块，该模块通过按键控制红外接收，当按键按下，红外编解码模的接收头块接收红外遥控信号，通过模块内部转换为特定编码由串口输出。YS-IR05F红外编解码模块不仅具有着解码、编码红外信号的功能，而且兼容常用家居设备，如：空调、电视机、电风扇、音响设备、投影仪、CD、DVD播放机设备等红外遥控设备。YS-IR05F红外编解码模块还有着可远距离学习解码、远距离控制等优点。本设计的语音识别模块采用的是LD3320芯片，该芯片是一款由ICRoute公司设计生产的专门用于语音识别的芯片，该芯片具有敏捷而稳定的优化算法，能够做到非特定对象的语音识别。LD3320芯片结合了语音识别处理器和一些外部电路的设计，其中包括数模转换器、麦克风接口、声音输出接口等。LD3320芯片在设计上注重简介与有效，不需要外接任何的例如Flash、RAM等辅助芯片，直接集成在现有的产品中即可以实现语音识别、声音控制和人机对话等功能。2.2.2、输出显示部分输出显示部分主要分为：红外编码发射部分和OLED显示部分两个部分。主控模块通过串口向YS-IR05F红外编解码模块发送236字节解码数据，即可还原出对应的红外信号，通过红外发射头发射给家居。显示部分选用四针0.96寸OLED显示屏，对当前环境参数和一些交互信息实时显示。该显示屏支持SPI读写数据，分辨率为128*64，具有轻、薄、小等优点。第三章硬件系统设计3.1、硬件系统总体设计本系统设计采用了STC研发的全新超强抗干扰、超敏捷、低能耗的51单片机STC89C52作为核心控制模块，通过串口与各个模块建立数据传输，主要模块包括OLED显示模块、红外编解码模块、语音识别模块。3.2、51单片机主控模块本设计主控模块选用普中51-单核-A2开发板，该开发板采用了单CPU的设计，单片机芯片使用STC公司生产的51内核芯片STC89C52，这是一款拥有64KBFLASH超大存储器的51单片机，可容纳更大更复杂的程序。普中51-单核-A2开发板外观图如下图3-1。采用的STC89C52单片机的原理图如图2-2。图3-1普中51-单核-A2开发板外观图图3-2STC89C52单片机原理图STC89C52单片机的内部结构框图如图3-3所示，STC89C52单片机内部结构中包含了中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时器和计数器、UART串口、I/O接口、EEPROM、看门狗等主要模块。图3-3STC89C52单片机内部结构框图3.3、YS-IR05F红外编解码模块YS-IR05F红外编解码模块采用DC3.3V供电电压，串口通信3.3VTTL电平。YS-IR05F红外编解码模块的产品结构图如图3-4。图3-4YS-IR05F红外编解码模块产品结构图3.4、LD3320语音识别模块图3-5为LD3320语音识别模块的原理图，LD3320芯片封装管脚如图3-6所示。在这个电路中，单片机P0端口的8根线和LD3320芯片通过并行的方式相连接，控制线也分别连接。此外单片机还连接了复位信号与中断信号。对LD3320芯片来说，复位信号（RSTB*）由单片机发出，而中断信号由LD3320信号发出，单片机负责接收。图3-5LD3320语音识别模块原理图图3-6LD3320芯片引脚图3.5、OLED显示模块本设计采用0.96寸OLED显示屏，OLED的实物图如图3-7，原理图如图3-8。在使用改模块IIC接口时，需要将RES引脚接高电平，可以与VCC对接,使OLED复位脚一直保持高电平，也就是不复位的状态；同时需要将DC,CS引脚接电源地:此时IIC通信中只需要GND,VCC，D0(时钟信号)和D1(数据信号)。图3-7OLED实物图图3-8OLED原理图第四章系统软件设计4.1、系统软件总体结构本系统软件在KeiluVision4下开发，以C语言编写，使用MSC51单片机库函数，根据系统设计实现的红外编解码、语音识别、家居状态显示等主要功能进行软件设计，先明确各个模块的功能，再进行各个模块的软件设计，分别对各个模块进行软件测试，最后再将各个模块整合再一起。系统功能框架图如图4-1所示，根据系统功能不同可以分为以下几个主要部分：图4-1系统功能框架图4.2、主程序设计主程序设计流程图如图4-2，主程序的设计是整个软件设计模块的中心模块。对编写好的代码进行编译后通过J-Link下载至STC89C52单片机上。之后是完成各模块的初始化配置，最后是系统功能的软件设计。4.2.1、系统初始化系统初始化主要是包括OLED显示屏模块、红外编解码模块、语音识别模块、单片机串口等模块的初始化。本设计显示模块采用0.96寸的OLED显示屏，其分辨率为128*64。通过软件生成背景BMP图片的字模，从而设置背景图片，再通过软件生成本设计所需的汉字字模，添加到已有的OLED库函数中。LD3320语音识别模块的串口与MSC51单片机的串口相连，因此MSC51单片机先初始化相应的串口通道，初始化波特率为9600，然后通过发送语音指令检测单片机与LD3320语音识别模块是否通信正常。初始化LD3320语音识别模块的寄存器设置和写入语音识别列表。语音识别列表的规则是，每一条语音识别内容都对应一个相应的编号（占1个字节），不一样的语音识别内容的编号可以一致，而且语音识别内容不需要连续。LD3320语音识别芯片最多支持50条语音识别内容，每一条语音识别内容是标准普通话的汉语拼音（小写），且每2个字（汉语拼音）之间用一个空格间隔。YS-IR05F红外编解码模块的串口与MSC51单片机的串口2相连，因此MSC51单片机先初始化相应的串口通道，初始化波特率为9600，然后通过发送红外信号检测单片机与YS-IR05F红外编解码模块是否通信正常、是否检测到接收的红外解码信号等。4.3、红外编解码部分当按下遥控器，遥控器会发送红外信号，发出的红外信号可看作一帧数据，而这一帧数据由前导码、高八位的用户码、低八位的用户码、数据码以及数据码的反码构成。如图4-2所示，图示的前9ms的高电平和后4.5ms的低电平组成了前导码，表示即将进去数据帧；16位的用户码是红外接收器识别不同红外信号的判断，不同遥控器发出红外信号的用户码也不同，用于避免不同设备的红外信号相互干扰；红外接收器识别遥控器不同按键的判断方法就是靠数据码，同一个遥控不同按键的数据码不同；数据反码是判断信息是否正确接收校验的方法。图4-2一帧数据波形图图4-3(a)为通过脉宽0.56ms间隔0.565ms周期1.125ms来表示二进制“0”的脉冲波形图，图4-3(b)为通过脉宽0.56ms间隔1.69ms周期2.25ms来表示二进制“1”的脉冲波形图。图4-3相同脉宽不同间隔和周期的脉冲波形图 图4-4为通过9ms的高电平，2.25ms的低电平,之后0.56ms的高电平为重复码,按键持续按下时,则该键编码连续发送,其中首帧为数据帧,其后为重复码,周期为108ms。图4-4重复码波形图 红外解码的过程就是将YS-IR05F在遥控器发射红外信号的有效距离内,接收到的红外遥控脉冲信号还原为二进制的“0”和“1”,从而获得二进制“0”、“1”序列，然后分析序列所含的用户码和数据码。当YS-IR05F通过串口接收到解码得到的二进制“0”、“1”序列后,再由内部将二进制“0”、“1”序列转换成电压信号并经放大、长时控制、干扰抑制、带通滤波并整形后输出遥控代码脉冲，脉冲的形式为遥控器发射脉冲的倒像。图4-5表明了遥控发射码与YS-IR05F解码输出码之间的波形关系。

图4-5遥控器发射码波形图和接受码波形图值得注意的是单片机接收端接收的信号与发射端发射的信号是镜像的关系，如果发射端引导码为9ms高电平,2.25ms低电平，则再单片机的接收端就会变成9ms的低电平和2.25ms的高电平，其中发射端发射位0，则单片机接收端为1。而红外编解码模块的代码思路，便是用红外编解码模块接收空调或电视遥控器的红外线，然后将其解析成一串16进制的字符串，再用一个数组把它储存起来。当用户说到相对应的语音识别指令时，再把对应数组里所存的字符串发射出去，经过红外编解码模块编码，还原成原先的红外指令，便可以遥控相对应的电器了。

4.4、LD3320语音识别模块 语音识别的操作顺序是：语音识别模块初始化（包括通用初始化）→将需要使用的语音内容写入语音识别列表→开始语音内容的识别，准备好中断响应函数，打开中断允许位。语音识别操作流程图如图4-6。图4-6语音识别操作流程图 当麦克风采集到了声音，无论是否识别出正常结果，都会有一个中断信号的产生。而中断程序需要根据寄存器的值来分析结果。4.5、本章小结本章先讲述了系统的总体软件设计框架，总体软件设计框架分为系统初始化、红外编解码模块、语音识别模块、和红外发射，然后重点阐述了系统的主程序设计，详细讲述了红外编解码模块和语音识别模块程序的设计思路和实现原理。第五章系统测试 系统测试对本设计在应用环境中，各个模块相应的情况进行了测试。5.1、测试环境的搭建本系统测试的硬件包含笔记本电脑一台、普中51-单核-A2开发板一个、J-Link下载器、USB转TTL、LD3320语音识别模块、OLED显示屏、YS-IR05F红外编解码模块。智能家居语音辅助系统的总体结构和连线如图5-1所示。图5-1智能家居语音辅助系统实物图5.2、语音信号采集测试本设计的语音识别采用LD3320语音识别模块，当我们发出一级指令“小杰”，语音模块被唤醒模块上的D1灯被点亮，随后我们发出二级指令，如“打开空调”，串口便会发出相应的信号。5.3、红外信号编解码测试本系统红外信号的发送、接收、编码和解码采用YS-IR05F红外编解码模块，当按下YS-IR05F红外编解码模块上的按键Key1，模块进入学习状态，模块上的LED熄灭，随后我们向YS-IR05F红外编解码模块发送红外遥控信号，模块接收到红外遥控信号后，将红外遥控信号解码后通过串口传出，LED熄灭。当串口向模块发送解码后的数据时，模块将会发射和原信号相同的红外遥控信号控制家居。红外编解码模块解码后通过串口发出和接收的数据码如图5-2。图5-2红外解码数据5.4、OLED显示测试本系统设计采用0.96寸OLED显示屏，显示屏会显示系统控制的家居设备的状态，当用户改变了家居设备的状态，显示屏也会相应改变显示内容，向用户展示正确的家居系统运行状态。第六章总结与展望6.1、课题研究总结为实现智能家居语音辅助系统的功能对相关的系统进行了一些资料和技术的探究，本文介绍了对智能家居语音辅助系统的详细研究，其中包括了系统的软硬件的实现方法以及测试工作。该论文主要完成了以下几方面工作：

1)对各类与该系统相关的文献进行查阅，主要是对语音识别、红外遥控、红外编解码等主要模块的现有技术和国内外关于等课题的研究现状进行了概括总结，再根据现实中用户的需求来提出本课题的创新点，并分析本课题的功能需求，给出了系统的总体架构。2)完成了系统的硬件设计。详细阐述了系统各部分硬件设计原理，并合理应用到项目中。3)完成了系统的软件设计。在硬件设计的基础上，明确各个模块的功能作用，再根据各个模块的具体作用来设计各个模块的软件系统。4)完成系统的测试与分析。其中主要包括了红外编解码模块测试、语音识别模