基于树莓派的智能家居语音控制系统

2018-11-02田占生冯宇飞

制造业自动化 2018年10期

刘华，田占生，冯宇飞

（天津农学院工程技术学院，天津 300384）

0 引言

随着科学技术的发展，人们生活水平的不断提高，家居生活从过去的追求豪华装修发展成为追求家居的智能化[1]。智能家居的出现让人们更切身的体会到了科技技术给日常生活所带来的便捷。远程监控、环境自动控制、家电的远程控制、网络信息获取、安全防范、家庭娱乐等都是智能家居带给我们的体验。然而智能家居因成本相对较高成为其在普通消费家庭中普及的劣势。那么如何才能让普通消费家庭也享受智能化生活呢？我们本次研究的智能家居系统能有效的降低成本，同时扩展了语音交互功能，实现语音控制和信息的语音获取，从而使得智能家居更加普及。对设备的控制以ZigBee无线模块网络节点为基础，通过节点间的数据传输处理实现了家庭自动化，同时也大大降低了生产成本[2]。

1 系统结构

系统以Android手机、麦克风和液晶显示屏为人机交互终端，以树莓派为核心控制，基于百度语音、图灵机器人、Yeelink三大云平台作为功能实现基础，可进行语音交互的嵌入式智能家居控制。该系统具备手机、语音两种控制模式实现对家具设备的控制。树莓派clinux操作系统，在实时性方面表现良好，同时具有高稳定性，能稳定地与云平台进行通信。系统通过麦克风采集用户语音后将录音文件传给百度语义平台，程序通过检索百度语音合成的文本信息进而控制无线模块发送相应的指令给终端设备。语音互动则由图灵机器人和百度语音共同完成，yeelink负责传感器的状态显示和手机端控制。图1为基于树莓派的智能家居语音控制系统的原理框图。

图1 系统结构框图

2 智能控制系统硬件设计

2.1 主控制器模块

本系统采用树莓派3代控制板如图2所示。新一代树莓派3B型构建在最新博通2837 ARMv8 64位处理器上，与其上一代相比，速度更快，功能更强大。凭借其内置的无线和蓝牙连接，它将成为支持物联网的理想解决方案。它配有1.2GHz四核 Broadcom BCM2837 64位ARMv8处理器和四个USB2端口以及功能强大的40针扩展GPIO口，包括常用的串口、IIC、SPI等[3]。板载网线接口和HDMI高清接口更是为本系统系统了方便。通过SD卡槽可以烧录相应的系统，在系统下进行编程和学习。

2.2 环境数据采集模块

系统配置了温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、噪声传感器、火焰传感器、人体红外、光照传感器等多种环境智能传感设备，并且还安装了摄像头模块，可实时获取家居图像信息并传到Yeelink远端以及保存本地存储器中。传感器均具有声音触发提示功能以及触发信息上传功能，用户通过声音或者手机端查看家居环境变化。

图2 传感器与主控接口连接图

2.3 语音采集模块

为了使在实际家居环境中语音识别率高和识别范围广，我们除了将语音识别模块换成调用百度语音平台以外，我们使用了UHF无线话筒对声音进行了多方位无线式采集，使得用户语音指令在家中任何角落都可以被识别。UHF通常是指特高频无线电波，特高频是指频率为300～3000MHz波长在1m～1dm的无线波，该波段的无线电波又分米波UHF，UHF无线发射器作为一种技术已经被广泛应用于多种音频领域，如无线话筒、对讲机、无线发射器。

2.4 无线通信模块

系统采用DL-20无线模块串口模块，该模块为串口转2.4G无线模块，可以通过无线将两个或多个串口连接起来。串口发入模块的数据会被模块使用无线发出。收到无线数据的模块会将数据使用串口发出。在两个设备上使用模块就相当于将这两个设备使用串口连接起来一样。无线接收模块连接Arduino Nano板，负责将接受的指令处理为设备需要的状态，用来控制设备工作。该模块功耗低，运行稳定，支持点对点和广播两种工作模式，最大传输距离达250米，满足家庭内设备节点间的信号传输。图3为树莓派和Arduino Nano连接无线模块原理图。

图3 树莓派连接无线模块原理图

3 智能控制系统软件设计

3.1 语音控制程序设计

为实现语音交互功能，系统通过Python程序接入了百度语音平台和图灵机器人平台。百度语音平台提供语音的转换，将我们的语音转换为文字进行程序检索以及将设定的提示语转换为语音播放给用户。图灵机器人负责语义解析，和百度语音结合后可以根据用户的聊天内容从网络（知识库）抓取相应的信息进行回复，比如，当用户问“天津农学院”，那么图灵机器人在知识库搜素天津农学院的简介结合百度语音后通过语音回复给用户。同时系统也使用了Yeelink云平台进行传感器的数据记录以及利用其客户端进行对家居设备的APP控制。通过这三大平台可实现如下功能：

1）语音控制家居设备的工作状态；

2）语音互动聊天、信息获取；

3）手机端对家居环境的实时查看；

4）手机端对家居设备的状态控制；

5）家居内传感器被出发后进行声音提示以及上传到手机端。

图4为系统软件的工作流程图。

图4 系统软件的工作流程图

按照控制任务和功能性的不同可将控制系统的软件详细划分为如图5所示的功能模块。

图5 软件功能模块

3.2 Yeelink云平台设置

本系统中Yeelink云主要负责的是各种传感器的状态监测以及利用其客户端为用户提供APP控制，在树莓派系统下通过Python程序将各个传感器接入，并实时上传数据。包括我们的温湿度以及图像信息。图6为Yeelink客户端APP系统运行界面。

图6 Yeelink客户端APP系统运行界面

3.3 Arduino处理程序设计

Arduino Nano板作为我们控制设备信号处理器，主要负责将无线模块接收到的指令进行分析和对家居设备的控制。该模块具有成本低，程序简单，稳定性强等特点。通过Arduino的串口连接系统的无线设备，通过Arduino丰富的I/O口控制继电器进而达到控制我们家居设备的目的。图7为Arduino Nano工作流程图。