基于语音技术的智能家庭系统.doc

窗体顶端基于语音技术的智能家庭系统摘要本文设计为一个基于语音识别的智能家庭控制系统。无论人们身处何地，也不管人类生活将如何发展，这种快节奏的生活是现如今人们的共同追求，智能化家庭的生活环境成了我们每一个人的共同追求。毋庸置疑，智能家居系统的发展是最符合人们对未来生活及居住环境的要求。智能家居是现代电子技术、通讯技术及自动化技术相结合的产物。人们通过语音指令可以控制它们的开启或关闭。语音识别技术是智能家居的一种不可缺少的技术。包含信号处理、模式识别和人工智能等领域。智能家居是新生的一个智能化的系统，本设计模拟了智能家居的工作过程。本设计中所利用的技术有语音识别技术和语音播报技术。同时以STC11单片机作为整个设计的核心，用灯和继电器来模拟家庭中的用电器，通过语音指令来控制灯和继电器的开启和关闭同时对接收的指令做出相应的回答，达到更好的用户体验。智能家居让人们有了一个便捷、舒适的生活环境，同时使人们的生活水平有了一定的提高。在一定程度上，使人们的生活更加便捷。关键词： 智能家庭；语音识别；语音播报AbstractThis article is designed for a smart home control system based on speech recognition.People no matter where, no matter how will the human life development, the fast pace of life is the common pursuit of people now, intelligent household living environment has become the common pursuit of every one of us.Undoubtedly, the development of the smart home system is the most suitable for peoples future life and living environment.Smart home is a combination of modern electronic technology, communication technology and automation technology.People can control their turn on or off by voice commands.Speech recognition technology is an indispensable technology in intelligent household.Include signal processing, pattern recognition and artificial intelligence.Intelligent household is a new and intelligent system, this design simulates the working process of intelligent household.The techniques used in this design include speech recognition technology and voice reporting.With STC11 single-chip microcomputer as the core of the whole design at the same time, with lights and relay to simulate the use of household appliances, using voice commands to control the opening and closing of the lamp and relay the appropriate response to receive commands at the same time, to achieve a better user experience.Smart home makes people have a convenient and comfortable living environment, at the same time make peoples standard of living have certain increase.To some extent, it makes peoples life more convenient.Key words：Smart home;Speech recognition;speech目录摘要.IAbstract.1 绪论.11.1 课题研究背景.11.2 设计的目的和意义.12 系统总体方案设计.32.1 控制器方案论证.32.2 系统的整体构架. 33 系统硬件设计.53.1 电源电路模块 .53.2 单片机最小系统模块. 63.3 LED电路模块.73.4 LD3320语音识别模块.83.5 语音播放模块.113.6 继电器模块.124 系统软件设.144.1 开发软件介绍.144.2 整体程序流程图.144.3 程序介绍.154.3.1 开发板测试程序.154.3.2 单片机初始化.154.3.3 延时函数.164.3.4 语音识别码定义.164.3.5 指令执行动作函数.175 系统联合调试.195.1 语音识别模块上位机调试.195.2 语音控制LED调试.205.3继电器模块调试.205.4 语音播放模块调试.21结论.22致谢.23参考文献.241 绪论1.1 课题研究背景在二十世纪七十年代，具有人工模式识别的家具就出现了。此类技术首先在美国使用，其智能化使用在了利用计算机控制程序实现自动化用电设备。此外，还可以实现邮件和语音等用途。在二十世纪末，家庭的智能化就涌现出来了。此类技术应用于各行各业，其中智能家居方面应用最明显。由于其高性能，便捷性高，大大优化了人们的生活。随着经济一体化，发达国家的此类技术也在进一步成熟。随着科技的进步，越来越多的家庭都将家庭智能化系统作为理想的住房模型。X-10和8X这些是目前流行广受关注的智能家具系统。每一个控制系统都有着它的优点和不足，这是每一个设计都不可避免的。8X系统采用提前总和模式控制的形式，这个系统在其应用性上有着较高的表现，符合我们广大中国人的生活方式，但是它的灵敏度较差。X-10控制系统比较一体化，在具体的使用过程当中，它有着较为简洁的特点。在家庭中，这套系统虽然不需要额外布线连接，但是需要钻孔，这就造成了家具的损伤，所以难度比较的大。因此上述两种系统并没有被国内市场所引用。在中国，智能家居的兴起是在二十一世纪初。一线城市是最早集成这种智能家具模型的。1998年实施国家住宅小区智能化技术示范工程，使人们的智能化生活上升到了新的台阶。 现如今，在中国的一些主要城市，相当一部分的家庭使用了智能化。 各大企业家也推出了本身的智能产品，如清华同方电子家庭数字家庭，海尔的e家族。这一类的技术主要是基于功能模块的开发，在国外的技术较成熟。 显然，与发达国家来相对比，中国对智能家居的钻研开始相对较晚，到现在还没有成熟的准则。而现在国内主要的软件和硬件机构正在积极发展更符合智能家电市场， 解决当前智能产品实用性差等缺点。1.2 设计的目的和意义中国是世界上人口最多的国家，如今社会发展迅速，人们对于高科技工艺极力追求。人们对于智能型的生活方式要求越来越高，所以智能家具在中国的潜力是庞大的。但，现存于市场上的智能产品性能较为单一，在一些体验方面，并不能结合人们的要求。基于此，这就使得人们开发实用的智能产品，设计出能够满足人们生活的智能家庭系统。让人们在家用语言即可控制家里面的用电器，使得生活更加的便捷迅速，也更能使人们进入快节奏的生活，同时提高人们的生活质量。语音识别作为一种新技术必将在人们的生活中发挥着重要的作用，它会改变人们的生活方式，让人们的生活有着一种全新的体验，在良好的体验中也势必会改变人们的对生活方式的一种全新的认知，将大大的提高智能语音识别产品在国内的影响力，拓宽其国内市场。2 系统总体方案设计2.1 控制器方案论证在建立系统方案的具体模型的时候，我们要对系统所要实现的具体功能进行分析，最为重要的是确定好控制器的型号。这是这个系统设计的核心，对于智能家庭模型来说，控制芯片的选择主要有以下几种：.选取PLC控制。其是一中专门应用于工业环境的处理器。若采用PLC，那么模型建立方便，工作量小，易于维修。但是高成本造价使得PLC很难应用于生活智能家具。.选取工控计算机。工控机是一种计算机，主要用于现场的自动控制。可以与PC兼容使用，人机交互方便。对恶劣环境适应性强。但是价格方面非常昂贵，对使用者的要求也高。.选取单片机。单片机操作性强，易于操作。价格低廉，易于接受，普遍适合于嵌入式应用。单片机操作起来容易，程序可移植性强，编程较为灵活，外部电路可扩展性强，可以对系统做更广的外围设计，设计起开简单方便。单片所用于的场合较多，体积较小，更加使用与智能家庭控制系统的设计。在智能的家庭系统中，低成本和可操作性是最为关键的，基于此情况选择使用单片机作为本方案的控制核心。2.2 系统的整体构架单片机STC11L08XE是本次系统设计中最主要的核心，在整个系统中起着最为主要的作用，它主要控制着语音识别芯片，语音识别芯片将识别的结果通过串口发送到单片机中、单片机控制LED和继电器开启与关闭，同时语音播放模块进行指令的回馈。这些被控的电路目标需要按照用户对于智能家庭所需要实现的功能来进行相应的设计工作，将用户需求分为几个模块进行设计，使设计思路更加清晰，接下来是该系统中最为主要的几个模块电路，其整体构架如下图：STC11L08XE限流电阻状态指示灯语音模块语音播报模块播报指令及音乐时钟电路复位电路家庭电灯继电器热水器选中音乐指示灯图2-1系统结构框图单片机加上时钟电路和复位电路，接入电源让其工作，单片机引脚信号经限流电阻连接状态指示灯，来指示其状态。语音模块接收到的指令发送到单片机中，单片机经过处理后发送相应的指令来控制家庭电灯、和热水器的开启和关闭，同时语音播放模块进行指令的回应，该系统还可以选择娱乐模式，即当发出播放音乐后，语音播放模块会进行播放预先存入的的音乐。3 系统硬件设计语音识别智能家庭控制系统的硬件设计较为重要，这关乎每个模块是否能够正常的工作及整体设计的成功与否，系统的整体硬件设计主要可分为电源电路、单片机控制电路、LED电路、继电器电路、语音识别电路、语音播放电路几大模块。下面开始对各个部分电路的情况作介绍。3.1 电源电路模块图3-1 电源模块典型接法电源模块在整个系统中的作用极为重要，是保证整个系统正常工作的前提和基础，本设计中采用AMS1117稳压芯片将5V的电压转换为3.3V的输出电压，为单片机及语言识别芯片进行供电，保证芯片达到一个额定的稳定电压。下面进行稳压模块电路图进行讲解：VD3的作用是防止输入的电源造成反接，避免芯片烧坏；C3和C4是输出滤波电容，作用是抑制自激振荡，如果不接这两个电容，通常线性稳压器的输出会是个振荡波形，无法达到电压的一个稳定的输出。C1和C2是输入电容，对于交流电压整流输入，它们的第一个作用是把单向脉动电压转换成直流电压，在本图中输入已经是+5V直流电源了，它们的作用就是防止断电后出现电压倒置，因此通常输入电容的容量应该大于输出电容。另外在外界环境电磁干扰较大的情况下，这些电容还有抑制干扰的作用，使得电源保持一个较为稳定的状态，保证对整个系统的正常供电，使各个模块可以正常的工作。3.2 单片机最小系统模块图3-2 单片机最小系统设计主要使用STC11L08XE单片机作为控制系统的中心，STC11L08XE单片机是一种具有高运行速度、低运行功耗、超强抗干扰的全新一代8051单片机。以下是对这种单片机作详细介绍。它具有以下优点：指令代码是完全兼容8051的指令代码格式，但其速度是8051的8-12倍，处理速度更加迅速，它内部集成了高可靠的复位电路，这种集成的复位电路主要的作用是用来针对高速的通信、对于智能化的控制、和用于干扰比较强的场合。一旦单片机受干扰后工作异常，其复位电路会自动复位，保证整个系统的正常工作。该单片机内部存储空间充足，其空间完全满足该项目的要求。因为芯片可电擦除，所以可以对芯片进行多次的程序下载，使用次数多，节省开发成本。单片机芯片价格较为低廉，产品设计成本较低，而且其体积小巧，方便设计和安装，同时其编程语句可以移植，帮助用户更为方便的进行编程。该单片机的外形及其引脚排列如图3-3所示。图3-3 单片机的外形及其引脚排列3.3 LED电路模块图3-4 LED电路模块在本设计中用LED灯来模拟家用电灯，三只LED灯采用共阳接法，其阴极与单片机的IO口相连，当IO口为低电平时灯打开，当IO口为高电平时灯被关闭。LED灯的压降为1.7V2.2V，额定电流约为10mA,VCC的电压为3.3V，因此需要加一个100欧姆的限流电阻。保证其正常稳定的工作。客厅灯与单片机的P2.3引脚相连，当单片机给引脚一个低电平时LED导通客厅灯被点亮，当单片机的P2.3引脚有一个高电平信号时LED截止，客厅灯被关闭，卧室灯和浴室灯的控制原理和其相同。3.4 LD3320语音识别模块图3-5 LD3320语音识别模块3.3.1 LD3320芯片介绍LD3320芯片是一款可以进行非特定语音识别的专用芯片，由ICRoute这个公司进行设计生产。这个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。本芯片在设计上注重节能与高效，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对非特定语音的识别、声音指令的控制、人机对话等功能。并且，识别的关键词语列表是可以任意动态编辑的。方便开发者设计不同的使用场景。频谱分析特征选择语音识别关键词列表应答词语MCUMic+图3-6 语音识别流程LD3320语音识别模块的流程如图3-4所示，首先这个芯片对输入进去的语音来进行声音频谱的分析，然后将分析结果与编程的关键词列表中的词进行对比，然后将对比结果最为相近的关键词作为芯片的识别结果，输出到单片机中，由单片机对识别结果做出相应的指令动作。LD 3320这个芯片是一款“语音识别”的专用芯片，这芯片里面集成了可以对识别结果进行处理的处理器，和一些芯片的外部的电路，使用起来简单方便。3.3.2 LD3320功能介绍芯片通过IC Route这个公司研究的特有的快速而且较为稳定的优化的算法，可以较为准确的来完成非特定人所发出的语音。通过这项技术人们就不需要事先的进行语音训练和声音的录入，使用起来极为的方便，在普通话标准的情况下，芯片的识别准确率可以达到95%以上。语音识别中每一个识别句可以是单个的汉字，也可以是一个词语或者是简单的句子，该芯片在识别中一次最多可以设置五十项的识别语句，在语句的长度上也有着一定的要求，识别语句的长度不超过10个汉字或者79个字节的拼音串。另外一点，这个芯片的识别句所识别的内容可以进行动态的编辑和修改。由于这个芯片内部集成了一些外围电路和处理器，所以在使用芯片时不需要额外的添加任何辅助的Flash芯片，RAM芯片和AD芯片，就可以实现对语音的识别功能。这个语音识别芯片还具有休眠状态，设置休眠状态后可以降低功耗，而且可以方便地激活，使休眠和唤醒直接能够实现较为便捷的切换。工作供电为3. 3V，如果用于便携式系统，使用3节AA电池就可以满足对语音识别芯片的供电需要。3.3.3 LD3320引脚说明表3-1 LD3320引脚说明3.5 语音播放模块图3-7 语音播放模块语音播放模块供电电压为5V，触发端口为9个，其触发方式有两种，一种为直接触发，另一种为编码触发。模块具有9个直接触发端口，即A1-A9。这9个触发端口对应9个音频文件，触发是给触发端口一个低电平就可以触发音频文件，例如A1端口，向A1端口发送一个低电平信号即可触发播放第一个音频文件。编码触发方式可以触发31个音频文件，将A10端口接地使用编码模式，这样在模块上电后就进入了编码模式，模块的A1-A5为编码口，编码的方式是按照二进制的方式进行编码，编码举例如下表：表3-2 语音播报编码举例3.6 继电器模块图3-8 继电器模块由于单片机的工作电压为3.3V，无法承担220V的电压，假如用单片机来控制家用电器，则需要使用继电器，来达到用小电压来控制大电压的目的。该模块的第一引脚接5V电压，第二引脚接地，完成给继电器模块供电。第三引脚与单片机的P2.6引脚相连，由单片机发出信号来控制继电器的吸合与断开。该继电器允许的最大负载为交流250V/10A，直流30V/10A。第三引脚的触发电流为5mA，单片机引脚电流完全可以满足这一条件要求。继电器的输出端NO为继电器常开接口，继电器吸合前悬空，吸合后与COM相通。COM引脚为继电器的公共接口引脚。NC引脚为继电器的常闭接口，继电器吸合前与COM短接，吸合后继电器悬空。在接线方面将第四引脚NO和热水器的L端分别接到家庭用电220V，COM端与热水器的N端相连即可。4 系统软件设计4.1 开发软件介绍本设计用到的开发软件是Keil Vision4，它引入极为灵活的窗口管理系统，使开发人员能够提供视觉表面对窗口位置的完全控制的任何地方。新的用户界面可以更好地利用屏幕空间和更有效地组织多个窗口，提供一个整洁，高效的环境来开发应用程序。现在的版本能够支持更多种类最新的芯片，并且该软件给用户添加了一些其他新功能，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发者可以编辑汇编语言程序或者C语音的程序文件。然后对C文件进行编译就可以在文件保存目录中生成.obj目标文件。若要将程序下载到单片机里需要生成.hex文件，生成.hex文件的方法是点击界面中Target Option按钮，然后在选项卡中生成标准的hex 文件选项的前面打上勾，关闭选项卡后再点击编译就可以生成.hex文件，生成的.hex文件可以下载至单片机中。使单片机按照程序指令进行工作。下载程序所用到的软件为STCISP,在软件中选择设计所使用的单片机型号，选择好对应正确的COM口，波特率值保持默认状态，点击打开程序文件选择生成的.hex文件，选择好文件后点击下载/编程，然后给单片机进行一次冷启动，程序就可下载至单片机中。4.2 整体程序流程图开始语音识别播放音乐音乐1LED1 亮打开客厅灯关闭客厅灯打开卧室灯关闭卧室灯打开浴室灯关闭浴室灯打开热水器关闭热水器LED1 灭LED2 亮LED2 灭LED3 亮LED3 灭继电器闭合继电器断开音乐2音乐3音乐4音乐5系统初始化图4-1 整体程序流程图4.3 程序介绍4.3.1开发板测试程序开发板测试程序主要用于测试开发板是否正常工作，程序进入时对LED指示灯进行取反，然后延时200毫秒再对LED做取反操作，此步骤进行三次可以使LED灯达到闪烁三次的效果。当开发板上电时，若开发板上的LED灯闪烁三次，则表示开发板能够工作正常。4.3.2单片机初始化单片机的初始化程序，对P1-P4的IO口进行初始化，P1端口设置为推挽输出功能，即可以提高IO口驱动能力，能够驱动继电器模块工作。设置MD管脚为低之后，开始并行模式读写。IE0为高，打开中断允许控制寄存器0,；EX0为高，允许外部中断0；EA为高，打开总中断。4.3.3延时函数根据时钟周期来计算出执行一条语句所需要的时间，让单片机来执行空语句来达到延时的效果，这里所编写的延时程序只是大概的延时时间，并不是单片机精确的延时时间，若要达到精确的计时可以选用定时器来计时，在这种延时要求并不高的情况下，选用这种延时函数完全可以达到预想的要求，程序中数值是经验值，可用软件调试运行来进行数值的调节。4.3.4语音识别码定义识别码需要提前定义，否则语音识别芯片无法识别语音指令。4.3.5指令执行动作函数语音执行函数主要是用于语音指令识别成功后让单片机发出何种指令，做出相应的动作指令，本程序是当语音识别芯片识别出开关灯、热水器开关和播放音乐后，单片机发出对每个指令做出相应的指令动作，对IO口电平进行操作，从而实现对灯打开和关闭、热水器的打开和关闭以及对语音播放模块进行编码操作。5 系统联合调试5.1 语音识别模块上位机调试图5-1 上位机调试将程序下载到单片机中，接通上电源，给系统供上电，指示灯闪烁三次，表示开发板工作正常，打开上位机调试软件，将串口号改为相对应的COM口，这里为COM4口，将波特率调节到9600，数据位改成8位，其余默认。点击“打开串口”，这时单片机可以与上位机进行通信。对开发板发出语音指令，语音识别模块识别语音指令后，发送到上位机，此时上位机就显示出相应的指令，说明软件调试结果正常。5.2 语音控制LED调试图5-2 LED灯调试当对语音识别模块说出“打开客厅灯”，右下角白色灯点亮，当对语音识别模块说出“打开浴室灯”，左上角蓝色灯点亮，表示语音识别模块及LED电路工作正常。5.3 继电器模块调试图5-3 继电器模块调试继电器的DC+端接+5V电源，DC-端接地，给IN端口一个低电平后继电器动作并发出“咔哒”的吸合声音，表明继电器的工作正常，可以在其输出端接入家庭220V用电，来控制家庭用电器。5.4 语音播放模块调试图5-4 语音播放模块调试语音播放模块供电电压为+5V，首先给模块加上5V电源让其达到工作状态，模块指示灯亮起，将语音播放模块上的A1-A5引脚用杜邦线与单片机的P1.1-P1.5引脚相连接。将模块上的A10引脚与地用短接帽短接，此时语音播放模块进入编码方式。通过单片机对编码引脚的控制，就可以达到播报指定音频文件的目的，将模块上面的音频输出口接入有源音箱，进行声音的播放。结论为期几个月的毕业设计结束了，在这段时间，我得到了许多。当写完这篇毕业论文时，释然感油然而生。这此经历极大磨练了我的意志，从初期选题到中期的资料收集，是我大学四年从未有过的体验。这段时光不仅使我大学生活完善，而且使我将理论与实践紧紧结合到了一起。语音识别控制系统具有很强的实用性，在未来的科技生活中必然会用到。在这几个月期间，我在知网查阅了很多关于语音识别的资料，从中获得了许多知识。了解了芯片的引脚控制作用和外围电路设计过程，并且选择了几种语音识别的方案。最终选择了以单片机为核心的控制方案。在这套系统中主要实现了利用非特定语音来控制家庭中的各种用电器的开启与关闭，在日常的生活中可以为我们节约大量的时间，让我们的生活变得更加便捷，主要用到了STC11L08XE这种型号的芯片，语音识别芯片主要用到了LD3320这种芯片，外加LED电路及继电器电路来模拟家庭中的用电器。经过这段时间的学习和设计，我增长了很多的知识，对电子产品的设计有了更为深刻的了解，为以后的学习和工作增加了宝贵的经验。致谢毕业设计进入完结阶段，感觉自己收获颇多。从题目的选定、模块电路的选择、外围电路设计，以及论文的编写和完善，这一系列过程使我明白了本课题的意义。大学四年生活将要结束，心情五味陈杂。大学四年是我成长性的四年，期间所经历的我将铭记在心。首先要感谢我的指导老师，在题目选定阶段，指导老师给予了很多鼓励，当时我感到非常迷茫，之前并没有接触过语音识别方面，是我的导师一直给我讲解，才使得我有了继续的勇气。设计过程中，每到遇见不懂的地方，老师都能耐心解答。同时，也要向学院领导表示感谢。实验组的老师给了我很好的实践环境，使我慢慢走向单片机的世界，积累我的精神财富。当然我还要感谢一直帮助我的同学，每到我在原理图上遇到困难时，他总是跟我一起分析，摸索。踏踏实实帮助我完成，毫无怨言。这种友情我会铭记在心，激励我不断前行。最后我还要感谢所有答辩老师，正是他们教导工作，我才得以完成课题。怀着对他们的感谢，还有父母的感恩，我相信我的未来更加美好！参考文献1 阎石. 数字电子技术基础M. 北京：高等教育出版社,2006.54-65.2 李刚，林凌, 姜苇. 51系列单片机系统设计与应用技巧M.北京：北京航空航天大学，2004.3 彭为. 单片机典型系统设计基础M，北京：电子工业出本社，2006.65-70.窗体底端1. 基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究2. 基于单片机的嵌入式Web服务器的研究 3. 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