语音识别智能家居系统的设计

胥建鹏，杨泽伟，牛熠，许元

（东莞城市学院，广东东莞，523419）

0 引言

近些年来，伴随着物联网技术、嵌入式技术、集成电路技术和AI 人工智能技术的飞速发展，逐渐改变着各行业、各领域的工作方式和生产方式，极大程度上有力推动社会生产力的发展与提高。在此背景下，全世界各国纷纷投入大量的人力、物力和财力进行相关关键技术的研发与突破。其中，语音识别、无线通信技术和智能传感器作为最基本、最常见的关键技术，经过多年努力，取得了长足发展，已经日渐成熟，并在各领域得到广泛应用，从而也催生了智能家居系统的出现。

以前，家居环境和办公场所中使用的各种电器设备，大多数都是采用传统开关实现控制，在很多种情况下，这种控制方式具有一定的不足和局限性。比如，对老人和行动不方便的人，在使用家用设备的时候，存在诸多困难和不便。以智能家居系统为代表的物联网技术的发展与应用，为此类问题提供了一种很好的解决方案。智能家居系统的出现和发展，让设备控制方式向智能、便捷的语音交互、APP 控制方向发展，人们利用手机APP 或者语音识别技术，就可以对各种家用设备实现便捷、精确的控制，从此摆脱了以往传统机械式开关控制的局限性，更加体现出便捷化和人性化，为人们提供一个安全、舒适的生活、办公环境[1]。

1 系统硬件结构框图

智能家居语音控制系统硬件结构框图如图1 所示。其中，由DHT11 温湿度模块、物理按键、麦克风+语音识别模块以及手机+ONE NET 云平台+ESP8266 无线通信模块组成系统的输入电路端；由舵机、OLED 显示屏、LED 灯和继电器等模块组成系统的输出电路端。各模块的功能描述如下：

图1 系统硬件结构框图

■1.1 输入电路端

（2)物理按键电路：通过物理按键电路，可以实现对日历、时间和温度阈值的设定。

（3)麦克风+语音识别模块：接收和识别语音控制信号，并将其转换成为STM32 主控芯片能够识别的控制命令。

（4)手机+ONE NET 云平台+ESP8266 无线通信模块：手机APP 端可以通过ESP8266 无线通信模块对各联网设备进行控制。同时，STM32 主控芯片通过ESP8266 无线通信模块把传感器采集的数据上传到ONE NET 云平台，并在手机APP 端可以实时查看。

■1.2 输出电路端

（1) 舵机模块：可以通过语音、手机APP、物理按键来控制舵机的启停，进而实现对家居环境和办公环境中窗帘的控制。

（2)OLED 显示屏：将传感器采集的温湿度信息以及DS1302 模块的时间、日期信息进行实时的可视化显示。

（3)LED 室内灯：模拟室内灯光的亮灭，可以对STM32 主控芯片识别的语音和手机APP 的控制命令进行亮灭响应。

（4) LED 报警灯：正常情况下，灯是熄灭的，当温度超过设定的阈值时，灯会点亮，起报警作用。

（5)继电器模块：模拟室内降温装置，如风扇或空调的开关，可以对STM32 主控芯片识别的语音和手机APP 的控制命令进行启停响应。

试验于2014年3月～10月在甘肃省天祝县哈溪镇友爱科技示范园区进行。该试验地位于祁连山东段北麓绿洲区，海拔1450m，土壤为山地栗钙土，属冷温带干旱区。年均气温7.7℃，≥10℃的积温3300℃，年均日照2945.3h，极端最高气温40.0℃，最低气温-29.5℃，无霜期180d，年均降水量358.4mm。

2 系统主要模块硬件电路设计

■2.1 时钟模块硬件电路设计

DS1302 时钟模块是一种串行接口的实时时钟，这个芯片的内部具有可编程的日历时钟和31 个字节的静态RAM[2]。DS1302 时钟模块硬件接线图如图2 所示。

图2 DS1302 时钟模块硬件接线图

其中，DS1302 的RST 引脚连接在单片机的PA6 引脚，用于DS1302 使能芯片，在读写数据期间，必须为高电平；I/O 引脚连接单片机的PA5 引脚，三线接口时的双向数据线；SCLK 时钟引脚连接单片机的PA4 引脚，其作用是控制数据的输入、输出，当系统使能时钟模块之后，SCLK 给上升沿，将数据写入单片机，随后SCLK 给下降沿，将数据读出。

■2.2 Wi-Fi 无线模块硬件电路设计

ESP8266 是一款面向物联网的高性价比、高度集成的Wi-Fi 模块，是目前物联网通信中应用非常广泛的模块。它最大的功能是可以打开Wi-Fi 和连接Wi-Fi，可以将设备和互联网连接到云平台[3]，进而对连接设备实现无线控制。ESP8266 硬件接线图如图3 所示。

图3 ESP8266 硬件接线图

其中，ESP8266 的1 号引脚RX 接单片机的串口2 的TX引脚，ESP8266的8号引脚TX接单片机串口2的RX引脚，即与STM32 主控芯片数据收发端进行交叉连接实现串口数据的发送和接收。

■2.3 SG90 舵机模块硬件电路设计

舵机是一种常见的“伺服机构”，根据控制信号执行做出响应，没有收到控制信号时，转子静止不动；接收到控制信号时，转子立即转动。SG90 舵机具有快速响应、高精度、可靠性高等优点，可以满足各种精密控制的需求。SG90 舵机硬件接线图如图4 所示。

图4 SG90 舵机硬件接线图

其中，SG90 舵机的1 号引脚为VCC 电源引脚；2 号引脚为接地引脚；3 号引脚为PWM 控制信号输入端。

■2.4 OLED 显示模块硬件电路设计

0.96 寸OLED 显示屏具有高亮度、低功耗和可视效果好等特点。它具有多个控制指令，可以控制OLED 的亮度、对比度、开关升压电路等。此外，因为它操作方便，功能丰富，在工业控制领域得到广泛应用。OLED 显示模块硬件接线图如图5 所示。

图5 OLED 显示模块硬件接线图

其中，OLED 显示屏的1 号引脚为接地引脚；2 号引脚为电源引脚；其他两个引脚分别为SCL 和SDA，分别与STM32 主控芯片的PB6 和PB7 连接，用普通的GPIO 口的拉高和拉低动作来模拟I2C 的硬件时序来实现传输数据。

■2.5 LD3320 语音识别模块硬件电路设计

LD3320 是有ICRoute 公司设计生产的语音识别芯片。该芯片集成了语音识别处理器和AD、DA 转换器、麦克风接口、声音输出接口等。所以在设计电路的时候基本不需要太多的芯片就可以实现语言识别功能[4]。语音识别处理器会从数字信号中提取语音特征，与预先训练好的语音模型进行匹配，语音模型是一种统计模型，它记录了各种语音指令的语音特征，能够识别出用户所说的语音指令这些特征包括声音的基频、频率、能量等信息[10]，语音识别模块硬件接线图如图6 所示。

图6 语音识别模块硬件接线图

其中，LD3320 语音识别模块的RX 引脚接STM32 主控芯片的PA9 引脚，TX 引脚接STM32 主控芯片的PA10 引脚，当用户对麦克风说出关键词之后，LD3320 将接收到的语音控制信号完成转换并发送STM32 主控芯片，STM32 主控芯片再将控制信号进行处理，并控制对应模块进行工作。

■2.6 DHT11 温湿度模块硬件电路设计

DHT11温湿度模块电路是一种常用的温湿度测量模块，它采用数字信号输出方式，能够快速、准确地测量当前环境的温度和湿度[5]。DHT11 温湿度模块的接口电路包括三个引脚，分别是VCC、GND 和DATA。其中，VCC 和GND 为模块的电源接口，DATA 为数字信号输出接口。DHT11 模块硬件接线图如图7 所示。

图7 DHT11 模块硬件接线图

其中，DHT11 模块的DATA 引脚连接到STM32 主控芯片的PA8 引脚上。当DHT11 采集到温湿度的数据之后，通过DATA 引脚传输到STM32 主控芯片，通过STM32 主控芯片处理之后，发送到OLED 显示屏显示出来。

3 系统主要软件程序设计

■3.1 温度采集与报警程序设计

环境中温度数据信息采集工作由DHT11 传感器模块来完成。当系统上电后，首先，DHT11 传感器模块完成初始化；然后，DHT11 开始不断采集环境中的温度信息，并将采集到的温度信息不停地发送给STM32 主控制器进行处理，并将处理后温度值在OLED 显示屏上进行显示；同时，STM32 主控制器判断当前采集的温度值是否在设定的阈值范围，如果温度高于设定的阈值上限，继电器模拟空调或风扇的打开进行降温，LED 同时点亮报警。其程序控制流程图如图8 所示。

图8 温度程序控制流程图

■3.2 语音识别控制程序设计

当系统上电后，语音识别模块完成初始化，并不断检测是否有语音信号输入。如果没有收到来自用户的语音输入信号，则返回并重新进行检测，如果收到来自用户的语音输入信号，语音识别器就会将语音转换为文本指令，然后判断转换的文本指令是否有效，如果无效，则返回并重新进行检测，如果有效，STM32 主控芯片就会处理指令，最终实现控制继电器的开闭和舵机的转停。其程序控制流程图如图9 所示。

图9 语音识别程序控制流程图

4 系统功能测试

语音识别智能家居系统实物图和手机APP 界面如图10所示。时钟模块用于获取日期时间，红色LED 灯用于温度超过阈值时亮起用于报警，白色LED 灯模拟家里的灯光，舵机用于模拟窗帘的拉动，继电器模拟家里的风扇或空调开关用于降温，按键用于设置日期时间和温度阈值。

图10 硬件实物图

■4.1 语音控制模式

可以通过语音控制窗帘、风扇、灯的开关，语音模式功能测试如图11 所示。

图11 语音模式功能测试

■4.2 手机APP 控制模式

在使用WiFi 联网后可以显示DHT11 采集的温湿度信息，并控制窗帘、风扇、灯的开关，手机APP 模式功能测试如图12 所示。

图12 手机APP 模式功能测试

5 总结

该系统设计实现了预期功能，以更加便捷的方式实现了对家庭或办公场所各种设备的灵活控制。同时，也解决了行动困难人群操作传统机械式开关的不便，体现一定的便捷性和人性化。该系统具有开发周期短、成本低、应用广、稳定性好等特点，受到人们的青睐。

但是，由于该智能家居系统接入的控制设备有限，所以功能相对简单，也使得应用环境具有一定的局限性。为了实现功能的多样性和应用环境的复杂性，在后期的学习和工作中，还需要不断地完善和丰富。