基于ARM的智能家居语音控制系统设计

黄梦龙 李云红 马丽萍 钟晓妮 王刚毅

摘要：为了改变传统家居中人为触发的控制方式，提高智能控制程度，设计了基于ARM和WEGASUN-M6的智能家居语音控制系统。系统以X6818bv3开发板和WEGASUN-M6语音识别模块为核心搭建了智能家居的硬件平台，采用非特定人语音识别技术，通过语音识别模块对关键词语音信号进行识别，最终识别结果的控制指令以无线方式发送到设备节点实现家电的智能控制。实验测试表明，该语音控制系统的语音识别率高，可靠性强。

关键词：智能家居;ARM;非特定人语音识别;语音控制

中图分类号：TP23     文献标识码：A     文章编号：1009-3044（2018）34-0178-03

智能家居是将家庭中各种通信设备、家用电器和安防设备连接成为一个家庭智能化系统，以便对上述设备进行监视、控制管理和信息交换，提供安全、高效、舒適、便利的家居环境[1-4]。语音识别是人机交互的一种重要技术手段，随着科学技术的发展，语音识别技术开始应用于智能家居生活中，而常见的语音控制系统都是基于单片机实现，文献[5-7]采用单片机进行智能家居语音控制系统设计，但随着人们对家居要求不断提高，传统的单片机已无法满足需求，文献[8]采用凌阳单片机以及射频模块组成zigbee语音子节点设计语音控制系统，但成本比较高。WiFi是移动互联网新兴的一支主力军，满足了不断增长的带宽需求，在文献[9]中，李云红等设计了基于ARM的WiFi无线终端系统，实现了随时随地连接入互联网，实现上网冲浪、下载信息等功能，WiFi也广泛应用于智能家居系统中，备受业界关注[10-12]。在以上研究基础上，系统选择无线路由WiFi技术组建家庭内网，通过语音模块实现语音人机交互，最终实现设备的监控以及语音控制。

1 系统总体结构设计

该系统的硬件部分包括电源、WEGASUN-M6语音识别模块、X6818bv3开发板、继电器、WiFi模块等。系统整体控制由 X6818bv3开发板实现，包括对M6语音识别模块的初始化等。用户语音指令经麦克风送给语音识别模块，语音识别模块对识别到的语音进行解析并且通过USB转串口将识别结果发送给控制器，控制器对识别结果进行判断分析，将相关设备控制命令通过无线发送到对应的家庭网络节点，由节点对命令进行判断并执行底层硬件操作，达到对设备的精确控制，传感器系统对环境进行监测，监测异常时，控制器发送相关指令给语音模块，进行语音报警。系统总体框架图如图1所示。

2 硬件设计

硬件电路主要由控制器模块X6818bv3开发板、WEGASUN-M6语音模块、WiFi模块等组成。X6818bv3开发板采用三星最新的S5P6818芯片设计，含有64位8核Cortex-a53处理器，并且集成了LCD控制器，USBHost，BUS控制器、中断控制、存储控制等丰富的外设资源。

2.1 WEGASUN-M6语音人机交互

在语音识别技术发展之初，只能由特定的人进行语音命令来完成任务，而且需要录音和训练等，而现在非特定人语音识别只需用户使用相同的语言就可以进行识别，且识别效率大大提高，识别率高达95%，无须外接辅助，M6语音识别模块采用ASR技术中的非特定人语音识别技术。它的原理是通过数学模型进行建模，将使用者的语音数据通过频谱转换为语音特征提取出来，然后通过关键词列表逐一匹配，通过概率匹配最优的结果。

M6语音识别模块芯片内部集成了快速稳定的优化算法，不需外接存储器，不需要用户在使用前进行训练和录音完成非特定人语音识别，识别的语音准确率比较高，可识别汉语以及英语，模块具有优越的语音识别和语音合成性能，可独立运行，识别词条达2000多句，识别距离达5米，包含多种工作模式，无须在Windows或者Android平台上，通过TTL串口（UART）接收指令和返回结果，能通过串口与各种MCU进行通讯。

2.1.2 语音控制设备流程

设置语音识别模块串口通信参数、与设备相对应的关键词列表，以及语音词条识别结果输出，设置成功后再与控制器USB接口相连接，控制器对M6语音识别模块初始化，语音模块与控制器之间就可以进行正常通信，同时控制器可以发送相应指令给语音模块，让语音模块输出语音信息达到语音报警的目的。

MIC将控制命令语音信息输入给语音模块后，首先进行频谱分析，从语音信息中提取特征信息，随后模块中语音识别器将采集到的语音特征信息与识别关键词条列表中的数据进行对比匹配，与关键词条列表中的一条匹配成功后，则输出已经设置好的词条识别结果，此时，控制器收到识别结果并且对接收到的数据进行判断，执行相应的操作。系统设计过程中，为了有效提高语音识别率，识别模块采取口令工作模式，避免周围环境杂声导致系统错误识别，如控制客厅灯时，说出口令“大管家”，语音模块播放语音“我在呢”，说出“打开客厅灯”控制命令，语音识别模块对控制命令进行识别，并将识别结果发送给控制器，语音控制设备流程图如图2所示。

3 软件设计

控制器采用linux操作系统，在其基础上实现相关程序的设计，软件主要包括系统软件平台的搭建、linux系统裁剪及编译、驱动程序设计、应用主程序设计，系统应用主程序主要包括控制器调用设备驱动模块的程序以及Qt界面程序，并且两应用程序之间通过TCP/IP协议进行socket通信。

3.1 系统软件平台搭建

在智能家居系统中选择3.4.39版本的linux操作系统，构建交叉编译环境，进行uboot移植，在内核目录中，通过运行make menuconfig进入内核配置菜单，进行linux内核配置如对USB摄像头、无线网络802.11协议的支持等，编译内核并移植，完成后制作根文件系统并进行移植，搭建Qt编译与开发环境。

3.2 系统应用程序设计

系统应用程序设计采用C/S架构，包括进行TCP/IP socket通信的服务器端程序以及客户端程序（app），其中对客户端发送的指令进行判断并将相应指令发送至节点的程序为服务器端，Qt界面程序为客户端。在Qt编程中，TabWidget控件可以实现多个标签进行切换显示不同的内容，利用信号和槽机制进行对象间的通信，如在LCD触摸屏上点击灯光开关按钮时，则会触发clicked（）响应信号，然后执行相对应的槽函数，将灯光控制指令发送给服务器。在Qt主线程中，程序通过定时器类QTimer不停地监测传感器系统检测到的环境参数数据，当检测到的数据异常时，控制器发送相应指令给语音模块，达到语音模块语音提示与报警的效果，环境参数检测流程图如图3所示。Qt界面程序不仅设计控制界面，同时还通过线程类QThread建立子线程实现不断轮询语音模块的输出值，解决程序多任务同时运行的问题，当客户端程序收到语音模块输出值时，进行判断并且将对应的设备控制命令通过TCP/IP协议socket通信发送给服务器端程序，服务器端程序对接收到的设备控制命令进行判断后，发送命令至对应设备的网络节点，最后设备执行响应，从而实现家居设备的控制。应用程序设计框架如图4所示。

4 系统测试

智能家居系统硬件以及软件设计完成后，部署好硬件，并将设计好的Qt客户端程序移植到控制器上并运行，与控制器连接的LCD触摸屏界面显示如图5所示，首先测试触摸屏控制設备效果，通过点击触摸屏对应按钮对设备进行控制，测试结果表明，智能家居系统运行稳定。

对语音模块进行测试，说出包含控制设备的关键词识别词条，系统稳定运行，对各识别词条进行多次测试，分别在安静环境和嘈杂环境两种家庭场景中使用设备，分别记录在不同情况下设备指令识别成功的准确率，测试结果如表1所示。从表1可以看出，在安静的环境中，设备对非特定人的语音识别准确率达91%，在嘈杂环境中准确率降低，这主要是由于杂音对语音信息的干扰导致语音处理器的误处理。

5 结论

设计的智能家居语音控制系统，通过WiFi组建家庭内部无线网络，以ARM控制器为核心，实现了人机语音交互，可实现语音识别以及控制智能家居的所有终端节点。系统的功能性强，运行稳定，可应用在智能家居以及相关行业中，具有广阔的应用前景。

参考文献：

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[11] 贾阳静，邹念育，雷冬鸣，等.基于Android和WIFI通信的智能家居系统设计[J].大连工业大学报，2016，35（1）：67-71.

[12] 季建华.基于物联网的智能家居远程监控系统设计与实现[J].计算机应用与软件，2015，32（11）：143-146+205.

【通联编辑：梁书】