基于语音控制技术的智能家居控制系统设计

贾小龙

（宁夏理工学院电气信息工程学院，宁夏 753000）

将语音识别技术和语音合成技术构成的语音用户界面应用到智能家居中，能够实现对家电设备的语音控制和管理，为用户提供更为安全舒适高效便利的生活环境。目前智能家居技术及产品已逐步广泛应用。本文主要讨论如何构建先进的智能淋浴节水系统，以此来解决公共浴室用水浪费严重的问题，并实现方便用户洗浴的功能。这里所说的“先进”会体现在设备的技术水平上，同时也会反映在用水的观念上，智能淋浴节水系统的广泛使用是推动公共浴室节能发展的有效措施。

1 系统功能需求分析

本文的研究目的是实现基于语音控制的智能家居系统，用户可以通过语音指令进行家用设备的控制，如电视、空调、灯光等，这将提高人们生活的便利性。所以本系统的需求分析从用户角度出发进行深入分析。功能需求如下。

（1）语音识别功能：语音识别是系统最重要的基本功能，也是本次设计的主要功能。语音识别能有效提高家居生活的便利性。（2）无线数据传输功能：数据传输是系统间相互联系的基带，采用语音控制nRF905模块的进行。（3）自动休眠功能：节约用电，降低功耗。（4）语音唤醒功能：检测到语音输入时，自动退出休眠模式，马上进行工作。

2 系统总体方案设计

2.1 主要模块选择

（1）本设计选用非接触式IC卡。非接触式IC卡又称为无触点集成电路卡、射频卡技术结合产物，因为其与读写器之间没有机械接触，而是借助了“空间媒介”电磁波来进行通讯。具有操作方便、可靠性高、防伪性好、安全性好、抗干扰能力强和一卡多用的优点。

（2）本设计选用WaterSensor水位传感器。水位计也被称为“液位计”。如果水位过低，会有爆炸的危险。为了要随时了解水位，应该装上水位计，使水位计和锅炉构成了一个连通器。

（3）本设计选择DS18B20测温。DS18B20是一款数字温度传感器，其封装后可用于机房测温、锅炉测温、电缆沟测温、洁净室测温、农业大棚测温和高炉水循环测温等各种场合。

（4）本设计选用LCD1602液晶屏。

2.2 硬件电路设计

本设计硬件电路分为五部分：主控制电路、语音识别电路、nRF905模块电路、开关控制接口电路和电源管理电路。硬件电路的总体框图如图1所示。

图1 系统总体设计

（1）主控制电路。主控制电路选用STC公司的微控制处理器STC89C52RC，该芯片是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统编程Flash存储器，512字节RAM，使用经典的MCS-51内核，做了很多改进后使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

（2）语音识别电路。语音识别电路采用LD3320专用语音识别芯片。该芯片具有快速而稳定的语音识别算法，不但能完成非特定人语音识别，而且不需要用户进行繁琐的录音。LD3320芯片不需要外接任何辅助的RAM芯片、闪存芯片或者AD芯片就可以完成语音识别的功能。由于其具有单芯片语音识别功能，所以简化了电路设计，提高了系统的稳定性与可靠性。

（3）nRF905无 线 模 块。nRF905模 块使 用nRF905芯 片。nRF905的 工 作 频 段 是433/868/915MH；由频率调制器、功率放大器、一个带解调器的接收器、调节器和晶体震荡器组成。与单片机之间的通讯方式采用SPI总线，使用非常方便。

（4）电源管理电路。系统中各个模块所需要的工作电压不同，所以需要设计合适的电源方案以保证系统工作的稳定。这里采用电源室适配器提供直流15V电源，经过电源管理集成电路分别降压至12V、5V、3.3V。因为系统中有开关电路，容易产生干扰，又有nRF905电路，需要稳定的电源，所以电源电路的设计要能提供滤除杂波，提供稳定电源。

（5）开关接口电路。该电路主要为家居中的控制开关量提供接口，主要由继电器和三极管电路构成。通过单片机I/O电平变化，控制三极管的导通跟截止，进而控制继电器的开关。

2.3 软件设计

编写主函数库，以供子程序调用。语音识别模块程序调用主函数库与单片机进行并行通讯。然后编写语音识别的芯片功能程序，提供接口函数给语音用户界面调用。nRF905模块程序调用主函数的SPI总线协议进行通讯。主程序通过调用模块函数以及编写的主函数库，完成系统的功能要求。

（1）主程序设计。微控制处理器STC89C52RC上电/复位状态后，首先执行设备初始化程序，完成微控制处理器的初始化和各个外设的初始化。然后启动语音识别程序，开启语音用户界面，等待用户的语音输入，语音识别后将数据无线发送，接收端判断数据控制开关电路。

（2）上位机软件设计。上位机界面采用LabVIEW软件进行设计。LabVIEW是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。LabVIEW提供很多外观与传统仪器类似的控件，可用来方便地创建用户界面。本设计的数据通讯协议采用串口VISA，再分别经过R模块跟W模块进行数据通讯，使用字符串比较方式进行数据校验。在程序外围框架使用一个按键Button与一个While相连接，控制整体程序的运行与停止。

3 系统测试

系统测试环境分别为安静环境和嘈杂环境。测试流程为首先测试语音识别准确率；其次测试无线数据传输准确率；最后测试开关控制功能。测试结果如下。

（1）语音识别准确率。通过测试发现，在安静环境中语音识别准确率可达91.11%，在嘈杂环境中语音识别率为77.77%。

（2）无线数据传输准确率。通过电脑串口软件读取发送的数据，检查是否有丢失数据现象，经测试此功能正常。

（3）开关控制功能。使用语音控制8路开关，经测试能够准确控制每路的继电器开关和闭合。

测试结果表明，在嘈杂的环境下会使语音识别率有所下降。测试中还发现语音识别速度在安静环境中比较快。测试表明系统能够正常完成预定的功能。

4 结语

本文主要完成了系统硬件电路设计和系统软件设计。经过测试表明，本系统具有较高的识别率和稳定性，以及快速响应的优点，能够在家居生活当中为人们生活提供便利，使人们的家居生活更加智能。本系统还有待进一步完善，比如控制端口用户不能自定义，以及与现有家电的桥接不是很便利。为保证PC可以与单片机进行通讯，设计中预留了STC的USART接口，后续可以在PC机上以使用串口通讯的方式对单片机进行软件升级，进而更加完善系统的功能。