基于Arduino的語音識別系統設計

摘要：為了探索基于Arduino平臺的智能硬件設計方法，本文設計了一套基于Arduino的語音識別系統。首先，本文搭建了硬件平臺，核心模塊為Arduino和一款語音識別芯片LD3320。然后，利用Arduino的軟件編程環境實現了本文的軟件算法。實驗結果表明，本系統能實現智能語音識別的功能，可推廣到其他智能平臺。

關鍵詞： Arduino；語音識別； LD3320

隨著科技的不斷進步，人們的生活水平也大大的提高，智能家電開始逐步實現。在智能家電的時代，我們想開燈，想打開電視，想看哪個臺，哪個節目等等，無需去找開關，遙控器，只需要大聲地說出我們的想法，就能如我所愿。現在移動終端的使用大大方便了我們的生活，我們設想，將所有家電（電扇，電視，冰箱，空調，微波爐，電飯煲，洗衣機），以及門、燈等都可以安裝上一些相應的傳感器，在移動終端（如手機，平板）上安裝一個自己開發的APP，然后通過語音識別技術就可以控制這些電器，實現更智能、更方便的家居生活。因此，基于這些設想，本文設計了一套基于Arduino+LD3320語音識別系統，用戶可以通過語音控制LED燈的打開與熄滅，也可以控制流水燈以及全彩燈等的熄滅。本系統簡便流暢，可以推廣到其他智能交互系統中。

1 語音識別原理

語音識別的研究可以追溯到1952年，當時世界上的第一個語音識別系統是可識別到10個英語數字的 Audry 系統。后來，隨著語音識別技術的發展，在提高小詞匯量的語音識別系統的性能之后，研究人員們開始有更大目標，將研究方向轉到了非特定人、大詞匯量的語音識別系統上，其中最具突破性意義的是CMU大學研發的SPHINX系統，它成功解決了非特定人、大詞匯量以及連續語音的三大難題，曾被一致定義為語音識別技術發展中的奠基石。

上述語音識別系統的關鍵就是語音識別技術，而語音識別技術可以定義為讓機器通過識別和理解，把人類的語音信號轉變為相應的文本信號的技術。本文所采用的LD3320芯片利用了這些語音識別技術，并將非特定人的語音信號轉換為了文本信號。

2 系統軟件及硬件設計

2.1 系統硬件平臺搭建

本文所設計的基于Arduino 的語音識別系統，是一個以Arduino為處理器平臺的并依托語音識別技術對輸入作出響應的智能系統。系統主要包括以下幾部分：以Arduino為核心的處理器模塊，以LD3320為核心的語音識別模塊以及各種接口部件。平臺組織結構如圖1所示。系統的工程流程如下：首先用戶通過麥克風將語音信號輸入到語音識別模塊中，語音識別模塊將語音信號轉換為特定的信號，然后在Arduino的控制下，將識別出的信號轉換為指令輸出，然后控制LED燈的開啟與熄滅。

2.2 Arduino開發板

Arduino是2005 年1 月由意大利米蘭交互設計學院的兩位教師David Cuartielles 和Massimo Banzi聯合開發的開源硬件平臺。本文采用的產品型號為Arduino UNO R3，該款開發板提供了豐富的硬件接口資源，包括0～13共計14個數字輸入/輸出口以及A0～A5共計6個模擬輸入接口。因此，用戶可以根據需要很方便的進行二次開發。

2.3 語音識別模塊

本文采用安然之家智能工作室開發的LPICR V1.4 免編程（IO 版）非特定人語音識別模塊，該語音模塊以LD3320位核心，當麥克風采集到語音信號時，LD3320發送低電平請求中斷，然后MCU執行相應的識別流程序。語音識別模塊的引腳定義如下圖3所示。

在語音識別系統實現之前，首先需要將待識別語句燒寫到語音識別模塊中。語音識別模塊與電腦連接進行命令的輸入過程比較簡單，可以用如下圖3以及圖4進行說明，其分別是語音識別模塊與電腦連接的示意圖和實物圖。

2.4 系統軟件設計實現

接下來是系統的軟件設計部分，Arduino采用類似于Java和C語言的Processing/Wiring 開發環境。測試開燈關燈命令的時候，只需要利用digitalWrite函數把相應的引腳拉高或者拉低，然后就可以實現LED的打開和熄滅。而測試流水燈時，只需要按一定的延遲拉高或者拉低相應的引腳。語音識別芯片識別到的結果會轉換為十六進制信號，Arduino會利用這些識別的結果做出相應的操作。

3 實驗結果

搭建完硬件平臺以后，然后將編寫的聲控程序編譯、燒寫至開發板。接下來對系統進行聲控測試。首先，對系統的麥克風正確說出“開燈”、“關燈”、“打開流水燈”等預先設置的命令，系統識別出了預先設置的命令，然后，面包板上的LED燈也做出了相應的反應。多次測試發現系統的識別率在90%以上，說明系統是可靠的，并且也是比較穩定的。

最終的測試結果表明，該系統在無噪或低噪環境下運行良好，識別精度非常高，能實現語音控制LED燈的開與關的要求。

4 結語

本文主要對基于Arduino的語音識別系統的設計及實現進行了闡述。系統的設計工作主要包括了硬件平臺的搭建及軟件的實現。測試結果表明，本系統能夠通過語音識別芯片實現開燈關燈等操作，說明本系統是可靠的，智能的，并且也是有效的。此外，由于本系統具有體積小、功耗低、通用性強等優勢，因此，可推廣到各種智能應用領域，如智能家居、智能家電、智能交通等。

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作者簡介：鄭斯琦（2001），女，四川省成都市第七中學高新校區高2016級級9班。積極參加20162017年度兩期“成都七中創客集合”活動，開展了C、C++等編程語言的研究性學習，初步學習了MFC、Arduino。