基于云平台的物联网智能家居语音终端控制器系统

张世亮 刘成刚 廖文梯

摘  要：本文以无线通信电路、语音识别电路、控制电路、LED电路、OLED电路、电机驱动电路和电源电路设计了基于“云平台”的物联网智能家居语音终端控制器系统。本设计选用STM32F103RCT6作为主机和树莓派作为物联网终端达到控制以下几种功能的目的：首先，麦克风接收语音信号通过树莓派进行语音识别，并通过ZigBee连接到STM32f1。然后，STM32F1使用红外与对应的家居通信并做出相应的动作。在软件上，本设计包括了主程序、OLED、LED和电机控制程序、语音识别程序、无线通信程序。模拟系统的设计原理和方法对实际家居控制系统的设计具有指导作用。

关键词：语音识别;智能家居控制;STM32F103RCT6;树莓派;ZigBee

中图分类号：TN912.34          文献标志码：A

0 前言

随着智能家居市场的发展，国外的IT巨头们已先后以智能家居产品与语音相结合的方式进入智能家居领域：谷歌收购NEST布局智能家居，不断强化Google Now的语音入口;苹果HomeKit智能家居平台与Siri也不断加强融合;市场上流行的Echo智能音箱使用了亚马逊的Alexa语音技术。

在国内，语音巨头科大讯飞也在2014年8月宣布进军智能家居市场，并于2015年3月携手京东成立合资公司——北京灵隆科技，推出了其生产第一个产品DingDong智能音箱，除了具备音箱的基本功能，还可以作为语音助手，更是智能硬件的控制中枢。除此之外，百度、腾讯等都在打造自己的语音团队。

随着对语音交互领域投入的增加，语音核心技术正逐步成熟。语音技术正不断进入智能家居领域渗透，市场前景广阔。

1 系统总体框架

由STM32控制电路、LED电路、OLED控制电路和电机驱动电路、电源电路组成硬件系统。

本项目采用目前创客中较为流行的开源硬件树莓派为作为物联网终端主控设备，通过终端主控设备采集语音指令信号，将语音的解意功能通过Wi-Fi技术连接进入互联网的语音云平台中，利用语音云平台进行语意的解读，将解读完的语音信息回传给终端主控设备，并由终端主控设备和各个终端设备接收器通过无线技术组网完成主控设备对终端设备（例如，窗帘、空调、电视、电灯等）的控制。

2 系统硬件电路设计

2.1 主机

采用STM32F103RCT6单片机作为系统控制器，STM32F1-

03RCT6是由ST生产的一款STM32F103系列的微处理器。STM32最高频率可达72MHz，它0等待的存储器访问、基于哈佛结构并带有3级流水线特性和其高效的处理效率保证能够实时高效的处理水表取数和上传数据。STM32自带64k字节Flash，它具有多种低功耗模式：等待、活跃停机、停机模式，外设的时钟可单独关闭。在停机模式下，STM32的功耗仅仅4.5uA左右，完全能够满足智能控制的供电要求，这实现并保证了整个系统的低功耗特性。

本设计中用到的接口如下所示：

主机部分：

红外部分： PA9：RX接收部分

PA10：TX 发送部分

ZigBee部分： PA2：RX读部分

PA3：TX写部分

分机部分：

LED部分： PA5：模拟智能家居灯;

直流电机部分： PA8：直流电机的IN1

PA9：直流电机的IN2

OLED部分： GND：OLED的接地端

3v3：OLED的VCC

PA7：OLED的读写口

PA6：OLED的复位

PA5：OLED的d0

PA4：OLED的d1

GND：OLED的片选CS

2.2 语音识别电路模块

本设计中使用树莓派来实现语音识别功能，其功能包括语音的采集、识别及处理。语音信号直接由麦克风模块进行采集，识别由python编写的调用程序，通过百度AI的语音识别功能进行，并将识别后的信息回传到树莓派中，在其程序内部进行语句指令的判断。然后在程序中通过对回传的信息的分析，选择出相对应的通信指令。

利用树莓派作为语音控制部分是因为其系统稳定性更好，语音识别准确度高;语音指令可以通过修改程序代码来改变。

2.3 无线通信

在无线通信方案中，主要有Wi-Fi、蓝牙、ZigBee和无线射频技术（nRF24l01）4种。在基于物联网的智能家居系统中，与终端设备相连的无线接收器要符合组网便捷、功耗低的特点，所以主控设备和终端接收设备在组网时应采用ZigBee技术。

ZigBee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。优势有以下几点：

（1）自动组网，网络容量大。

（2）网络延时短。

（3）模块功耗低，通信速率低。

（4）传输距离可扩展。

（5）成本低。

（6）可靠性好，安全性高。

2.4 电机、OLED、LED电路模块

主控设备和终端设备接收器之间采用ZigBee技术组网，多机通信协议的设计要完成对终端设备的识别及控制，如图1所示。

图1 电机、OLED、LED电路模块

3 系统软件设计

系统的软件设计包括的模块有：光电信号检测模块、单片机处理模块、通信模块、语音模块。光电信号检测模块：通过红外将主机控制信号传送到各分機里。单片机处理模块：单片机对传送过来的通信信号进行数据预设的处理，将语音模块的数字信号转化成相对应的模拟信号，再通过光电模块传送给各个分机。通信模块：通过语音模块将控制命令转化成相应的数字信号，并发送到单片机中，进行预设判断。语音模块：控制语句通过网络进行语音识别并反馈到模块中，并在模块的预设命令中找到相应的通信命令，通过通信模块发送到单片机中。

软件设计还包括OLED的文字设计、百度AI的调用设计以及图灵机器人的调用等。

结语

随着电子技术、物联网、云服务、云计算等技术的发展，语音识别有着广泛的应用。开发基于“云平台”的物联网智能家居语音终端控制器系统使我们的生活更加便捷，更加的人性化、安全、享受舒服的环境。在论文即将完成之际，我们的心情无法平静，开始进入课题到论文的顺利完成，可敬的老师、同学给了我们很多帮助，在这里请接受我们真挚的谢意！

参考文献

[1]禹琳琳.语音识别技术及应用综述[J].现代电子技术，2013（13）：43-45.

[2]张青松.语音识别的进展[J].科技信息，2011（27）：185.

[3]周英.关于语音识别技术发展趋势的分析[J].工程技术，2012（19）：141-142.

指导老师：刘海斌。