基于语音控制的便捷式家庭环境监测仪设计与实现

张 进，董加碧，李慧鹏，淦作财

(江苏建筑职业技术学院 信电学院，江苏 徐州 221116)

0 引言

随着社会工业化进程的加速发展，人们经常被雾霾天气、室内过度装修及煤气泄漏等家居环境污染所困扰，不但会引发各种呼吸道疾病，更是对人们生命财产安全的潜在威胁，亟待提供一种简单实用的检测设备帮助人们监测室内空气质量；但现有各类检测装置普遍存在检测参数单一、操作不便等缺点。基于上述原因，本课题拟设计一种利用语音控制方式实现室内环境及有害气体的监测装置，既能实现对室内环境及有害气体的有效监测，又能满足用户对家居设备人性化的需求，操作简单，携带方便[1]。

1 系统总体方案设计

本课题设计了一种基于语音控制的便携式家庭环境监测仪，采用Arduino UNO作为核心控制器，结合语音识别技术与传感器技术，实现对家居温湿度、气压等普通环境量的监控，同时，具有对PM2.5，CO2，TVOC等有害气体的监测显示和报警等功能。基于语音控制的便携式家庭环境监测仪结构框架如图1所示。

图1 系统结构框架

2 硬件系统设计

系统硬件部分主要由Arduino主控模块、语音识别模块、液晶显示模块、语音播报模块、电源模块以及4路传感器参量监测模块组成。系统自动采集环境温湿度、大气压强、PM2.5，CO2及TVOC等4路传感器数据，并进行暂存处理；当语音识别模块识别语音指令后，经单片机处理将符合要求的传感器数据送LCD显示，同时，驱动语音播放模块，播报当前空气质量等级；实时监控有害气体质量浓度，一旦有害气体的质量浓度超过系统设定阈值时，启动语音播报，发出语音警示[2-3]。

2.1 主控模块

本设计选用Arduino UNO开发板作为主控模块，实现各种环境参量的采集及信号处理，完成语音模块、显示模块驱动及输入语音信号的处理。Arduino设计平台非常适合与各类传感器配合使用，实现各类环境参量的监测与处理，目前广泛用于物联网方面的电子系统设计和互动产品开发。Arduino UNO是以ATmega328P芯片为核心的微控制器开发板，具有16组I/O端(其中6路可用作PWM输出)6路模拟输入端、两组UART，16 MHZ晶振，工作电压为1.8～5.5 V，可用USB接口供电[4]。

2.2 语音识别模块

语音识别模块采用LD3320语音识别芯片，主要完成语音识别及实现语音输入功能。LD3320是一款基于非特定人语音识别技术的语音识别/声控芯片。芯片集成了高精度的A/D和D/A接口，不需要外接辅助的Flash和RAM，即可实现语音识别/声控/人机对话等功能。LD3320的语音识别过程主要包括语音模块的初始化和语音指令的识别两个步骤。(1)初始化语音模块，利用板载单片机，将需要识别的语音指令以拼音串形式，逐条输入至语音模块，形成与其对应的语音索引词，并生成索引词列表。(2)识别语音指令，将麦克风采集到声音信号转化为电信号，经A/D转换，滤除掉信号中静音和非话音部分，得到有效信号的起止信息，对数据进行分帧处理和特征提取，由数据帧中声学特征得到语音关键词，再与语音识别器中索引词列表进行相似度匹配，最后，将匹配度最高的索引词作为识别结果，输出到主控方单片机[5]。

2.3 液晶显示模块

显示模块采用1602+I2C转接器，用来实时显示当前温湿度、气压、PM2.5，CO2，TVOC气体质量浓度值。1602液晶显示屏采用HD44780控制器，显示容量为16×2个字符，芯片工作电压4.5～5.5 V。该显示屏共有16个引脚，可接8位双向并行总线，用来传输命令和数据。一般采用8位接线法与Arduino通信。为减少因连线复杂而导致的线路错误，本设计采用了I2C转接器。显示屏与I2C转接器接线为双插接线口，采用接线帽与16根引脚线依次对接，既可减少连接导线数量，又可方便调节显示屏的背光亮度，以适应不同的使用环境。

2.4 语音播报模块

语音播报模块采用DFPlayer Mini语音芯片，实时播报当前温湿度、气压、PM2.5、CO2、TVOC气体浓度值。DFPlayer Mini是一款智能语音模块，体积小巧，价格低廉，可以直接接驳扬声器，用作Arduino UNO或其他带有串口单片机的外接模块使用。内部集成MP3，WAV，WMA等硬解码，支持TF卡驱动，支持FAT16FAT32文件系统，具有多种控制模式可选，通过串口指令即可播放指定语音及其他文件。本设计采用TF卡存放语音数据，方便程序调用。

2.5 传感器模块

2.5.1 温湿度传感器模块

温湿度传感器模块采用DHT11数字温湿度传感器，用来监测环境中温、湿度参数，并将检测信号以数字量的形式送至单片机处理。DHT11温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的复合传感器，采用数字模块采集及温湿度传感技术，用于相对湿度和温度测量。其输出响应快，抗干扰能力强，具有较高可靠性和稳定性。该模块输出引脚分别为VCC，GND，DATA。

2.5.2 气压传感器模块

气压传感器模块采用GY-68-BMP180气压传感器，主要完成监测环境中大气压强参数，并将检测信号以数字形式送至单片机处理。BMP180是一款高精度、小体积、超低能耗的数字压力传感器，采用8脚陶瓷无引线芯片承载超薄封装，绝对精度达到0.03 hPa，耗电极低至3 μA，可通过I2C总线直接与各种微处理器相连，适用于各类移动设备。该模块输出引脚分别为VCC，GND，SCL，SDA。

2.5.3 PM2.5传感器模块

PM2.5传感器模块采用GP2Y1014粉尘传感器，主要监测环境中PM2.5的含量，并将信号以数字形式送至单片机处理。该传感器是一款光学灰尘监测传感器，模块中间有洞，可令空气自由流通，内部放置红外发光二极管和光电晶体管，红外发光二极管定向发送红外信号，当空气中有微粒阻碍时，红外信号发生漫反射，光电晶体管接收到该信号，使输出电压随之变化。GP2Y1014AU粉尘传感器可测量0.8 μm以上微小粒子，主要用作检测烟草所产生的烟气、花粉及诸多粉尘，其供电电压为5～7 V，工作温度为﹣10～65 ℃，灵敏度为0.5 V/(0.1 mg/m3)，输出信号为电压信号/PWM/串口信号等，相比其他传感器，具有成本低、响应快、线路连接简单等优点。

2.5.4 CO2、甲醛传感器模块

CO2、甲醛传感器模块采用SGP30 CO2甲醛传感器，主要用来监测环境中CO2，TVOC参数，并将信号以数字形式送至单片机处理。SGP30是一款具有多个传感元件的金属氧化物气体传感器，内部集成4个气体传感元件，具有完全校准的空气质量输出信号，测量值的典型精度为15%。该传感器可检测各种挥发性有机化合物(VOC)和H2等，其返回值为总挥发性有机化合物(TVOC)读数和二氧化碳读数(CO2)，广泛适用于智能家居、家电和物联网应用中环境监测。

3 软件系统设计

软件设计由有害气体检测和语音识别与播放两部分组成。所有程序开发均在Arduino开发环境Arduino IDE 1.81版本软件上编程实现，该开发环境是完全免费且绿色开源，可运行于所有较高或最新WINDOWS操作系统。Arduino程序语言类似C/C++语法，具有基本常用函数库。由于本设计采用了多种传感器，因此，安装了不同种类传感器函数库。本设计用Arduino语言编程，运用模块化处理各功能子程序，程序结构清晰、逻辑性强。

(1)有害气体检测设计流程。系统上电复位后，开始采集4路传感器信号，并对采集的数据进行分析处理；根据有害气体参数阈值判断是否给予报警提示，如果有害气体参数有一项或多项超过设置阈值，则点亮红灯，并进行语音报警，提示用户当前环境状况较差；否则返回，继续采集并分析数据。

(2)语音识别与播放设计流程。系统上电复位后，LD3320语音芯片开始采集并识别语音指令，通过串口输出给单片机；单片机对指令内容进行分析判断后，利用单片机的SPI端口将数据发送给LCD1602； LCD1602接收指令完成温湿度、有害气体等参数的显示，并语音播报当前空气质量等级。

4 产品测试

该产品设计及制作完成后，进行了模拟测试实验。实验采用正常话音音量，按照以下3种环境条件进行对比测试：(1)有无外界杂音干扰环境；(2)0～1.5 m及1.5～3 m两种测试距离；(3)普通话及徐州话两种不同语音环境，分别对该产品进行语音控制，并统计其控制成功率，测试次数为10次/组。系统语音控制性能测试，如表1所示。

表1 系统语音控制性能测试

测试结果分析：距离0～1.5 m普通话环境及一定杂音干扰下，语音控制成功率基本达到99%；距离0～1.5 m徐州话环境及一定杂音干扰下，语音控制成功率平均在96%以上；距离1.5～3 m及一定杂音干扰下，不论采用哪种语音，语音控制成功率在93%以上。这表明该语音控制产品在一定干扰环境下具有较高的可靠性和适应性，适用于家庭及一般室内场合。当测试距离在0～3 m范围内逐渐增大时，语音控制的成功率基本保持不变，表明语音控制的范围较广，可以认为在一定干扰下，语音控制产品性能稳定可靠，达到了设计预期效果。

5 结语

本设计采用语音识别技术，借助Arduino设计平台，构建基于语音控制的家庭环境检测仪，完成了室内空气质量多参数检测显示及语音播报提示等功能设计，实现了家用环境质量的自动监测与分析。实际测试表明，该仪器在外部干扰及不同距离不同语音环境下，都有较高的成功率，系统工作可靠，操作简单，携带方便，且同样适用于学校、商场、办公室等各种需要对空气质量进行评价的环境中，具有一定推广应用价值。