基于环境监测的语音控制及无线传输的智能家居系统设计*

林龙森，郑晓青

(1.黎明职业大学 信息与电子工程学院，福建 泉州 362000; 2.黎明职业大学 信息与电子工程学院，福建 泉州 362000)

基于环境监测的语音控制及无线传输的智能家居系统设计*

林龙森1，郑晓青2

(1.黎明职业大学 信息与电子工程学院，福建 泉州 362000; 2.黎明职业大学 信息与电子工程学院，福建 泉州 362000)

智能家居系统实现无线控制和非特定人声语音识别，通过无线和语音控制家居的各个设备，让其根据外界环境的变化和主人的意愿进入相应的运行状态.系统以单片机STC12C5A60S2为主控制器,实现对室内温度、湿度、光照检测，并以LED灯和风扇两个被控对象为例，提供语音、手动、自动三种方式控制LED灯的亮暗和风扇转速的快慢.主要介绍系统整体框架和方案，重点说明了语音控制的实现、无线通信信道的构建以及应用到的无线通信协议.

智能家居；单片机；语音控制；无线通信；环境监测

随着人民生活水平和社会、经济的发展水平的不断提高，人们对家居、办公的舒适程度、智能性的要求也日趋明显，可以预见，智能家居(HA)将成为未来工作生活不可或缺的部分[1].本文设计的家居系统结合了环境监测和语音识别(ASR)，提高了智能化程度，同时，采用的无线组网技术不仅让整套系统更加经济与绿色环保，也大大提高了产品使用的便捷性.

1 系统概述

本系统设计的家居是基于物联网[2]形式的，通过无线网络通信技术将感测设备、控制设备连接起来，实现智能监测与控制.

图1 系统示意图

1.1 系统框架

系统设计的家居系统可以根据外界环境的变化和主人的意愿智能控制家居的各个设备运行.系统整体示意图如图1所示.

从图上可以看出，系统包括被控部分(以LED灯和风扇两个被控对象为例)，探测部分和接收显示控制部分.主要功能由接收显示控制部分实现.本系统提供了三个探测节点，湿度、湿度及光照度，并以两个被控节点，即风扇和LED灯为例，通过主控单片机系统实现家居系统对风扇转速和LED灯亮暗的显示与控制.

1.2 主要功能

(1) 探测节点采集室内的湿度、湿度及光照度，并能将采集到的信息无线传输至其他节点或主控方.

(2) 被控节点，如示意图上风扇节点和LED灯节点，能够接收外界的无线控制信号作出相应的控制.

(3) 主控节点能够接收外界的无线数据信号，并对各个被控节点发出无线控制命令.

(4) 控制模式主要有手动、自动、语音三种.其中，自动模式指的是被控节点能够根据探测节点采集到的信息作出自动控制.如LED灯节点可以根据光照强度自动调节灯的亮度；风扇节点可以根据温度和湿度大小自动调节风扇转速等.手动模式和语音模式是直接对被控节点的控制.

2 探测节点的设计

2.1 温度探测节点和湿度探测节点

(1)温湿度探测方案选定.温湿度传感器有多种方案可供选择，如PT100、AD590、DS18B20、SHT10等，在本套系统选用了温湿度一体化模块DHT11，主要有以下几个方面的考虑：①系统包括温度站点和湿度节点，采用温湿度一体化模块，使得两个节点的框架结构相近，可以大幅度减少硬件和软件的工作量.②DHT11是数字化输出的传感器模块，硬件不需要前级的信号处理与放大，减少研发设计成本.③经济价格优势.湿度传感器SHT10市场价25元左右，而DHT11只需6元左右.

(2)温湿度探测方案特点.温湿度传感器DHT11供电电压为直流 3.3～5.5V，为单总线数字信号输出，测量湿度范围20～90%RH，温度范围0～50℃，湿度精度±5%RH，温度±2℃.DHT11与微处理器之间的一次通讯时间4ms左右，数据分小数部分和整数部分.一次完整的数据传输为40bit，高位先出.数据格式为：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验码.

2.2 光照度探测节点

针对光强信号的传感器有许多种，包括光敏电阻，光敏二极管，光敏三极管等.普通传感器的缺点是后续电路复杂，或者线性度不好.甚至有的传感器，比如普通光敏电阻，只表现为亮阻和暗阻两个极端情况，不符合系统要求.系统采用数字光照模块GY-30，其测量范围宽(1-65535勒克斯)，并能将采集到的光照强度直接转换为IIC总线方式的数字信号，方便MCU进行后续处理.

3 无线收发系统设计

家居组网模式有多种方式和结构，包括CAN总线方式[3]、485总线方式等，系统采用了无线拓扑结构.目前，无线智能家居局域网组网主要采用了如下几个频段：2.4GHz频段，如ZigBee，24L01[4]等；900 MHz频段，如Z-Wave；433M频段，如nRF905，SI4463等.相对而言，Z-Wave没有开放相关标准与接口，不利于系统开发拓展.2.4G的ZigBee模块成本较高，且对家居来说，2.4G频段“穿墙”损耗大，效果差.系统利用433M附近频段的数传模块SI4463构建家居内部网络，相对更为经济、便捷.

3.1 信道占用

为了能够同时无线传输信息而不互相干扰，无线系统在433M基础频段上进行了一定的偏频，相当于占用了不同的无线传输信道.系统包含了5个节点和一个主控方，要传输的信息包括温度、湿度、光照度、主控命令四种.因此，系统需要占用四个无线传输信道，温度信道、湿度信道、光照度信道、主控命令信道，并且为四个传输信道分配了不同的工作频段，同时在网络MAC层还采用了相关协议与网络地址配置避免信道数据冲突[4].

3.2 系统无线构架

由于系统节点及传输的数据种类较多，因此必须对系统的无线构架作一定的规划.系统信道的输入输出方向以及每个节点与信道的处理关系如图2所示.

图2 系统框图

从图2可以看出，整套系统被划分为三个部分，采集部分、被控部分和主控部分.采集部分主要占用了三个信道：光照信道、湿度信道、温度信道，负责向相应的信号发送采集到的信息.被控部分需要接收来自四个信道的信息(温度、湿度、光照和控制)，根据接收到的信息不同做出不同的响应和控制.主控部分相对比较复杂，即要接收采集部分发来的响应信息，又要负责向主控命令信道输出控制信号.

3.3 通信协议

为了保证数据传输可靠，系统将无线传输的数据封装成具有固定格式的一个数据帧.这个数据帧的格式如图3所示.

图3 通信帧格式

这个帧格式包括一个字节的帧长度信息，一个字节的命令字信息，两个字节的数据信息，一个字节的校验和信息.

(1) 传输数据校验.每次系统接收数据时，都需要根据“帧长度”关键字判断本帧的有效字节长度来接收整帧的完整信息.同时，系统还要验算这些有效字节的校验和与所收到的校验和是不是一致，如果一致则说明通信数据传输无误，可以截留命令字和数据做下一步处理与分析.

(2) 数据处理分析.只有收到的命令的确是针对本机的，系统才能根据随后的数据信息作出相应的动作.本系统主要有表1所示的命令字.

表1 系统通信命令字

4 语音控制系统设计

语音识别包括特定和非特定发音人识别，系统采用的是非特定发音人识别(Speaker Independent)，可以将因发音人年龄、性别、口音等差异引起的误判缩减到几乎没有的程度[5].系统的语音控制部分是相对独立的一套系统，采用了专用语音芯片LD3320，MCU 选用的是STC10L08XE.

4.1 LD3320语音识别模块

LD3320 芯片是一款“语音识别”专用芯片，芯片供电3.3V，默认外接时钟.该芯片集成了语音识别处理器和一些外部电路，包括AD、DA转换器、麦克风接口、声音输出接口等.芯片不需要外接任何的辅助芯片，直接集成在现有的产品中即可以实现语音识别、声控、人机对话功能.并且，语音识别的关键词语列表可以任意动态编辑.

4.2 语音控制系统主要功能与特点

(1)在电源方面，LD3320芯片的电源电压是3.3V，故而选用同样是3.3V电源电压的STC10L08XE与之匹配，语音识别系统采用电路使用了AMS1117-3.3 芯片提供3.3V电源电压.

(2)MCU 直接控制LD3320模块完成所有和语音识别相关的工作.

在山羊产业发展中，除沧沟乡作为“武隆板角山羊保重基地”建设以外，继续推广使用波尔山羊种公羊与本地山羊杂交，将波杂一代山羊作为商品羊育肥出售，同时在黄莺、巷口等乡镇推广产仔率高的黑山羊。

(3)串行存储芯片采用华邦W25Q32，存储空间为 32Mbit，用以存储播放的语音命令文件，为MP3 格式.语音系统需要识别或播放的语音命令以MP3格式存放在芯片中，包括“开风”、“关风”、“亮灯”、“灭灯”、“再试一遍”等语音.

(4)系统有两个红色的LED指示灯，当两个LED灯在交替闪烁时，程序正在处理接收到的语音，此时外部的语音将不被识别，只有现两个LED灯熄灭时才能再次识别语音.

(5)与主控系统通信.分配端口与主控部分连接，实现语音子系统与主控系统的通信，主要传输4个语音命令“开风”、“关风”、“亮灯”、“灭灯”的数字信息.主控系统根据通信命令实现对应的控制.

5 结语

语音控制和无线传输是本智能家居系统的两大特色，环境监测提高了家居系统的智能化程度，语音控制使得家居系统的控制更人性化；而采用无线的方式处理家居的控制系统，解决了布线困难、繁琐的问题，也节省了相关的人力、耗材，向绿色经济靠拢.系统经测试在100m距离内通信掉包率<1%，语音识别率在92%以上，环境温度监测精度±1℃，湿度监测精度±1%，系统控制响应灵敏，运行稳定.

[1]韩星.无线嵌入式智能家居环境网关的几点思考[J].电源技术应用,2013(5):415.

[2]文学书.基于物联网的智能家居应用[J].中国信息化,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]谢曌东.基于nRF24L01的智能家居网络的设计[J].物联网技术,2013(9):42-44.

[5]张红英.基于硬件的本地化语音交互技术在智能家居系统中的应用[J].家电科技,2013(6):20.

(责任编辑:王前)

2010-10-25

林龙森(1982-)，男，福建福州人，硕士，讲师．

福建省教育厅自然科学技术研究项目(JB12294).

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