基于Arduino的语音识别系统设计

摘要：为了探索基于Arduino平台的智能硬件设计方法，本文设计了一套基于Arduino的语音识别系统。首先，本文搭建了硬件平台，核心模块为Arduino和一款语音识别芯片LD3320。然后，利用Arduino的软件编程环境实现了本文的软件算法。实验结果表明，本系统能实现智能语音识别的功能，可推广到其他智能平台。

关键词： Arduino；语音识别； LD3320

随着科技的不断进步，人们的生活水平也大大的提高，智能家电开始逐步实现。在智能家电的时代，我们想开灯，想打开电视，想看哪个台，哪个节目等等，无需去找开关，遥控器，只需要大声地说出我们的想法，就能如我所愿。现在移动终端的使用大大方便了我们的生活，我们设想，将所有家电（电扇，电视，冰箱，空调，微波炉，电饭煲，洗衣机），以及门、灯等都可以安装上一些相应的传感器，在移动终端（如手机，平板）上安装一个自己开发的APP，然后通过语音识别技术就可以控制这些电器，实现更智能、更方便的家居生活。因此，基于这些设想，本文设计了一套基于Arduino+LD3320语音识别系统，用户可以通过语音控制LED灯的打开与熄灭，也可以控制流水灯以及全彩灯等的熄灭。本系统简便流畅，可以推广到其他智能交互系统中。

1 语音识别原理

语音识别的研究可以追溯到1952年，当时世界上的第一个语音识别系统是可识别到10个英语数字的 Audry 系统。后来，随着语音识别技术的发展，在提高小词汇量的语音识别系统的性能之后，研究人员们开始有更大目标，将研究方向转到了非特定人、大词汇量的语音识别系统上，其中最具突破性意义的是CMU大学研发的SPHINX系统，它成功解决了非特定人、大词汇量以及连续语音的三大难题，曾被一致定义为语音识别技术发展中的奠基石。

上述语音识别系统的关键就是语音识别技术，而语音识别技术可以定义为让机器通过识别和理解，把人类的语音信号转变为相应的文本信号的技术。本文所采用的LD3320芯片利用了这些语音识别技术，并将非特定人的语音信号转换为了文本信号。

2 系统软件及硬件设计

2.1 系统硬件平台搭建

本文所设计的基于Arduino 的语音识别系统，是一个以Arduino为处理器平台的并依托语音识别技术对输入作出响应的智能系统。系统主要包括以下几部分：以Arduino为核心的处理器模块，以LD3320为核心的语音识别模块以及各种接口部件。平台组织结构如图1所示。系统的工程流程如下：首先用户通过麦克风将语音信号输入到语音识别模块中，语音识别模块将语音信号转换为特定的信号，然后在Arduino的控制下，将识别出的信号转换为指令输出，然后控制LED灯的开启与熄灭。

2.2 Arduino开发板

Arduino是2005 年1 月由意大利米兰交互设计学院的两位教师David Cuartielles 和Massimo Banzi联合开发的开源硬件平台。本文采用的产品型号为Arduino UNO R3，该款开发板提供了丰富的硬件接口资源，包括0～13共计14个数字输入/输出口以及A0～A5共计6个模拟输入接口。因此，用户可以根据需要很方便的进行二次开发。

2.3 语音识别模块

本文采用安然之家智能工作室开发的LPICR V1.4 免编程（IO 版）非特定人语音识别模块，该语音模块以LD3320位核心，当麦克风采集到语音信号时，LD3320发送低电平请求中断，然后MCU执行相应的识别流程序。语音识别模块的引脚定义如下图3所示。

在语音识别系统实现之前，首先需要将待识别语句烧写到语音识别模块中。语音识别模块与电脑连接进行命令的输入过程比较简单，可以用如下图3以及图4进行说明，其分别是语音识别模块与电脑连接的示意图和实物图。

2.4 系统软件设计实现

接下来是系统的软件设计部分，Arduino采用类似于Java和C语言的Processing/Wiring 开发环境。测试开灯关灯命令的时候，只需要利用digitalWrite函数把相应的引脚拉高或者拉低，然后就可以实现LED的打开和熄灭。而测试流水灯时，只需要按一定的延迟拉高或者拉低相应的引脚。语音识别芯片识别到的结果会转换为十六进制信号，Arduino会利用这些识别的结果做出相应的操作。

3 实验结果

搭建完硬件平台以后，然后将编写的声控程序编译、烧写至开发板。接下来对系统进行声控测试。首先，对系统的麦克风正确说出“开灯”、“关灯”、“打开流水灯”等预先设置的命令，系统识别出了预先设置的命令，然后，面包板上的LED灯也做出了相应的反应。多次测试发现系统的识别率在90%以上，说明系统是可靠的，并且也是比较稳定的。

最终的测试结果表明，该系统在无噪或低噪环境下运行良好，识别精度非常高，能实现语音控制LED灯的开与关的要求。

4 结语

本文主要对基于Arduino的语音识别系统的设计及实现进行了阐述。系统的设计工作主要包括了硬件平台的搭建及软件的实现。测试结果表明，本系统能够通过语音识别芯片实现开灯关灯等操作，说明本系统是可靠的，智能的，并且也是有效的。此外，由于本系统具有体积小、功耗低、通用性强等优势，因此，可推广到各种智能应用领域，如智能家居、智能家电、智能交通等。

参考文献：

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[4]刘楚红，董镇，钱宇捷，陶立，柳盛东.基于Arduino 的倒车雷达系统设计[J].现代电子技术，2014，37（17）.

作者简介：郑斯琦（2001），女，四川省成都市第七中學高新校区高2016级级9班。积极参加20162017年度两期“成都七中创客集合”活动，开展了C、C++等编程语言的研究性学习，初步学习了MFC、Arduino。