基于语音识别的智能家居助手设计与制作
2019-08-15盛振涛颜铿洋浙江师范大学物理与电子信息工程学院
盛振涛 颜铿洋 浙江师范大学物理与电子信息工程学院
引言
当前的家用电器主要的控制方式为红外遥控。随着科技的进步，日常家用电器的数目不断增加、其专用的控制器数量增加，且控制器功能繁杂、操作复杂。由此带来问题的是：控制器不统一导致的产品体验变差。
目前大多数的解决方案是通过智能手机进行访问和控制来解决上述问题。但是虽然手机成为了统一的遥控器，但上面种类繁多的遥控APP 也使得这种方法存在有操作复杂、不易学习的缺点。
本文提出一种新的解决方案：语音识别控制。语言可以直接表述用户需求，采用语音识别控制的方法可以省去很多复杂的人机交互步骤。使用者可以通过语音传达自己的指令，极大的方便了行动不便的人群。
1 系统组成及工作原理
基于语音识别的智能家居助手系统框图如图1 所示，主要包括STM32 主控模块、LD3320 芯片、ESP8266 WIFI 模块及红外发光二极管；该系统可以让用户可以通过语音轻松、便捷地遥控家中不同种类的电器。
图1 系统框图
该系统的语音识别系统工作模式为近端语音识别控制。在近端语音识别控制模式下，STM32 处理器使用LD3320 语音识别芯片进行实时语音识别。识别完成后,STM32 主机可以接受到命令。如果命令是对本房间的电器进行控制，则STM32 主机通过ESP8266 WIFI模块和红外二极管模块直接对WIFI/红外控制的家居进行控制。如果命令是对其他房间的家居进行控制，则STM32 主机通过ESP8266 WIFI 模块组成的局域网和指定房间的STM32 子机进行通讯，然后指定房间的STM32 子机进行和上面相同步骤的控制操作。
2 系统硬件设计
2.1 ESP8266 WIFI 传输模块设计
ESP8266 WIFI 传输模块的工作原理如图2 所示，使用的芯片是ESP8266。该系列WIFI 芯片是一个完整且自成体系的Wi-Fi 网络解决方案，能够搭载软件应用，或通过另一个应用处理器卸载所有Wi-Fi 网络功能。
ESP8266 在搭载应用并作为设备中唯一的应用处理器时，能够直接从外接闪存中启动。内置的高速缓冲存储器有利于提高系统性能，并减少内存需求。
另外一种情况是，无线上网接入承担Wi-Fi 适配器的任务时，可以将其添加到任何基于微控制器的设计中，连接简单易行，只需通过SPI/SDIO 接口或中央处理器AHB 桥接口即可。
2.2 LD3220 语音识别模块设计
LD3220 语音识别模块搭载了LD3320 芯片。LD3320 芯片是一款“语音识别”专用芯片。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。本芯片不需要外接任何的辅助芯片如 Flash、RAM 等，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，识别的关键词语列表是可以任意动态编辑的。
STM32 主控制器与LD3320 语音识别模块之间通过串口通信协议，实现数据的传输。STM32 程序内部调用LD3320 库函数，读取LD3320 芯片寄存器数据，得到语音信息。然后STM32 主控制器通过SPI 接口将语音信息通过ESP8266 传送给子控制器或者进行控制操作。
2.3 STM32 主控制器
系统的主控板采用STM32 核心板，其处理器核心是STM32F103 处理器。STM32 系列单片机功耗低，运算速度快，片上资源满足设计功能要求。基于ARM Cortex-M3 内核，专为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用而设计。处理器时钟频率为72MHz，含11 个定时器以及丰富的I/O 口，内置3 个12 位的A/D 转换器、2 个12 位D/A 转换器，是同类产品中性价比最高的处理器。
控制板通过JLink 与电脑连接，便于在线进行程序调试。与传统的单片机相比，STM32 资料丰富、编程方法简单易学、软硬件完全开放，在库文件和例程的基础上稍做修改就可以满足该系统的设计要求，实现对语音信息的读取、处理及发送。
3 系统软件设计
3.1 STM32 程序设计
STM32 程序设计流程图如图2 所示，在初始状态下，STM32 与LD3220 语音模块一直处于通信状态，当LD3220 语音模块响应范围内有语音信号时，LD3220 对语音信号转换采集，然后得到语音信息通过串口发送给STM32。STM32 根据语音信息的内容，将命令通过ESP8266 传输给子控制器或者直接进行控制操作。
图2 STM 32 程序设计流程图
3.2 贝壳物联WIFI 组网设计
贝壳物联是一个物联网云平台。贝壳物联WIFI 组网设计包括设备在/离线监控和语音命令传送。该面板可以让用户清楚地看到哪些STM32 控制器是在线的，那些STM32 控制器处于离线状态。
贝壳物联在ESP8266 WIFI 模块组网设计中承担了路由器的作用。各个STM32 控制器之间通过确定的协议进行联网通讯，从而大大增加了智能家居助手的轻巧度。
4 结束语
本文设计的基于语音识别的的智能家居助手具有适应性强、轻巧易用、工作稳定等优点。可实现对不同类型的家中各处家居的控制，并且保证通讯的可靠性。大大提高了智能家居控制的高效性与便利性，具有广阔的应用前景。
