基于语音控制的智能家居交互系统

上海市嘉定区新城实验中学 王米乐

一、设计背景和目标

随着互联网的发展，利用硬件设备将各种家居连接至管理平台，进而实现对家居设备的统一管理、远程监控逐渐成为趋势。然而，传统的智能家居控制方式无法满足儿童和老人等特定人群的需求。

针对上述问题，我设计了一个通过语音控制的智能家居交互系统，实现各年龄段使用人群都能便捷控制智能家居设备，达到省时省力、轻松快捷的效果。

例如，传统窗帘必须通过人工拉动，人们每天早、晚开关窗帘是一件很繁琐的事。而传统智能家居控制方式需要使用复杂的管理平台进行操作，虽然窗帘不再需要人工拉动，但自动控制的便捷性不高，要求使用者具有较强的操作能力。而基于语音控制的智能电动窗帘就完全不用考虑这些问题，只要语音反馈“拉开窗帘”或“关闭窗帘”便可控制。

二、设计思路

本项目由智能语音系统、智能电视模块、智能窗帘模块、智能风扇模块、智能电灯模块、天气预报模块等组成，使用者通过智能语音系统与智能网关通信，控制各个智能模块运行，最终达到满足使用者需求的目的。该系统的整体设计框架如图1 所示。

图1 系统整体设计框架

三、设计过程

1.模型房间设计

首先在纸上设计草图，然后在Lasercad中绘制作品的平面图，如图2；再利用激光切割机对模型房间的木板进行切割，如图3。模型房间使用的是0.3 cm×45 cm×90 cm 木板，完成激光切割后使用胶枪进行粘接。

图2 在Lasercad 中绘制作品平面图

图3 切割后的模型房间木板

2.控制系统设计

采用百度语音识别技术，用户需要申请语音识别API 账号，然后登录账号即可使用百度的语音识别功能。

3.设备管理设计

使用的软件为Mind+，硬件为掌控板2.0开发板和掌控板IO 拓展板，利用Mind+软件编制控制程序，编制程序界面如图4 所示。

图4 程序界面

所有智能模块的硬件用杜邦线连接至掌控板及拓展板，利用百度的语音识别功能，通过语音控制相关的执行器如电机、风扇、灯带的运行，实现智能家居的功能。

4.硬件控制设计

（1）智能电视模块

提前在掌控板程序中添加需要展示的图片，在Mind+中编写语音控制电视的程序，当听到语音开启和关闭电视时，实现电视的自动开启和关闭。掌控板和拓展板如图5、图6 所示。

图5 掌控板

图6 拓展板

（2）智能窗帘模块

首先需要安装齿条、齿轮和直流微型小电机（3～6 V），如图7、图8 所示，在Mind+中编写语音控制窗帘的程序，当听到语音开启和关闭窗帘时，通过调节电机带动齿轮转动，从而实现智能窗帘的开关功能。

图7 电机

图8 齿条和齿轮

（3）智能风扇模块

用模板电机和风扇叶（如图9）组装一个风扇模型，然后在Mind+中编写语音控制风扇电机的程序，进而实现语音控制风扇的开关功能。

图9 风扇叶

（4）智能电灯模块

智能电灯模块采用5 V USB LED 灯带，如图10 所示，在Mind+中编写控制灯带的程序，实现灯带开启，为居住环境营造氛围。

图10 灯带

（5）天气预报模块

利用Mind+的天气功能可以实时查询天气情况。

5.模型制作及功能测试

如图11 所示，完成“基于语音控制的智能家居交互系统”模型的制作以及功能的测试。经测试，该系统稳定，达到了利用语音控制智能家居的目的。

图11 基于语音控制的智能家居交互系统模型图

四、创新点

1.采用百度语音识别技术，申请语音识别API，使用语音控制家居，更人性化，更方便、快捷。

2.电视、电灯、电扇、窗帘等家具的智能控制通过Mind+软件程序被集成在同一个系统平台内，稳定性更强，管理效率更高。

3.可利用Mind+的天气功能实时查询天气情况，给生活带来便利，同时添加了氛围灯功能，可以提高人们居住的舒适度。

4.具有开放性，在此系统内可以拓展更多控制功能，冰箱、音响、空调等均可进入本系统，实现智能控制。

5.为未来更完备的智能家居系统提供了可供借鉴的雏形。

专家点评

王米乐同学的“基于语音控制的智能家居交互系统”项目是一项基于项目式学习的科创实践作品。作为一名初中生，要真正验证、完成这样一个社会热点项目非常难，但在老师或家长的带领下，相信通过这个项目的学习与实践，王米乐同学在信息技术应用等方面的技能会有一定程度的提高。

如果从发明创造方面来探讨，通过在互联网上搜索可知，约从2001年开始，就有相关的多项专利、研究生毕业论文等对这类项目做了较为深入的研究。因此，教师指导中小学生进行科技创新，想要获得创新精神培养的实效，一定要从发明项目的选题开始，注重新颖性和可行性。不要盲目追求“高、大、上”，为了凸显作品的“技术含量”而忽视学生的认知水平和身心发展的基本规律，忘了“教育含量”这个根本。