基于樹莓派的智能家居語音控制系統

劉 華，田占生，馮宇飛

（天津農學院 工程技術學院，天津 300384）

0 引言

隨著科學技術的發展，人們生活水平的不斷提高，家居生活從過去的追求豪華裝修發展成為追求家居的智能化[1]。智能家居的出現讓人們更切身的體會到了科技技術給日常生活所帶來的便捷。遠程監控、環境自動控制、家電的遠程控制、網絡信息獲取、安全防范、家庭娛樂等都是智能家居帶給我們的體驗。然而智能家居因成本相對較高成為其在普通消費家庭中普及的劣勢。那么如何才能讓普通消費家庭也享受智能化生活呢？我們本次研究的智能家居系統能有效的降低成本，同時擴展了語音交互功能，實現語音控制和信息的語音獲取，從而使得智能家居更加普及。對設備的控制以ZigBee無線模塊網絡節點為基礎，通過節點間的數據傳輸處理實現了家庭自動化，同時也大大降低了生產成本[2]。

1 系統結構

系統以Android手機、麥克風和液晶顯示屏為人機交互終端，以樹莓派為核心控制，基于百度語音、圖靈機器人、Yeelink三大云平臺作為功能實現基礎，可進行語音交互的嵌入式智能家居控制。該系統具備手機、語音兩種控制模式實現對家具設備的控制。樹莓派clinux操作系統，在實時性方面表現良好，同時具有高穩定性，能穩定地與云平臺進行通信。系統通過麥克風采集用戶語音后將錄音文件傳給百度語義平臺，程序通過檢索百度語音合成的文本信息進而控制無線模塊發送相應的指令給終端設備。語音互動則由圖靈機器人和百度語音共同完成，yeelink負責傳感器的狀態顯示和手機端控制。圖1為基于樹莓派的智能家居語音控制系統的原理框圖。

圖1 系統結構框圖

2 智能控制系統硬件設計

2.1 主控制器模塊

本系統采用樹莓派3代控制板如圖2所示。新一代樹莓派3B型構建在最新博通2837 ARMv8 64位處理器上，與其上一代相比，速度更快，功能更強大。憑借其內置的無線和藍牙連接，它將成為支持物聯網的理想解決方案。它配有1.2GHz四核 Broadcom BCM2837 64位ARMv8處理器和四個USB2端口以及功能強大的40針擴展GPIO口，包括常用的串口、IIC、SPI等[3]。板載網線接口和HDMI高清接口更是為本系統系統了方便。通過SD卡槽可以燒錄相應的系統，在系統下進行編程和學習。

2.2 環境數據采集模塊

系統配置了溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器、噪聲傳感器、火焰傳感器、人體紅外、光照傳感器等多種環境智能傳感設備，并且還安裝了攝像頭模塊，可實時獲取家居圖像信息并傳到Yeelink遠端以及保存本地存儲器中。傳感器均具有聲音觸發提示功能以及觸發信息上傳功能，用戶通過聲音或者手機端查看家居環境變化。

圖2 傳感器與主控接口連接圖

2.3 語音采集模塊

為了使在實際家居環境中語音識別率高和識別范圍廣，我們除了將語音識別模塊換成調用百度語音平臺以外，我們使用了UHF無線話筒對聲音進行了多方位無線式采集，使得用戶語音指令在家中任何角落都可以被識別。UHF通常是指特高頻無線電波，特高頻是指頻率為300～3000MHz波長在1m～1dm的無線波，該波段的無線電波又分米波UHF，UHF無線發射器作為一種技術已經被廣泛應用于多種音頻領域，如無線話筒、對講機、無線發射器。

2.4 無線通信模塊

系統采用DL-20無線模塊串口模塊，該模塊為串口轉2.4G無線模塊，可以通過無線將兩個或多個串口連接起來。串口發入模塊的數據會被模塊使用無線發出。收到無線數據的模塊會將數據使用串口發出。在兩個設備上使用模塊就相當于將這兩個設備使用串口連接起來一樣。無線接收模塊連接Arduino Nano板，負責將接受的指令處理為設備需要的狀態，用來控制設備工作。該模塊功耗低，運行穩定，支持點對點和廣播兩種工作模式，最大傳輸距離達250米，滿足家庭內設備節點間的信號傳輸。圖3為樹莓派和Arduino Nano連接無線模塊原理圖。

圖3 樹莓派連接無線模塊原理圖

3 智能控制系統軟件設計

3.1 語音控制程序設計

為實現語音交互功能，系統通過Python程序接入了百度語音平臺和圖靈機器人平臺。百度語音平臺提供語音的轉換，將我們的語音轉換為文字進行程序檢索以及將設定的提示語轉換為語音播放給用戶。圖靈機器人負責語義解析，和百度語音結合后可以根據用戶的聊天內容從網絡（知識庫）抓取相應的信息進行回復，比如，當用戶問“天津農學院”，那么圖靈機器人在知識庫搜素天津農學院的簡介結合百度語音后通過語音回復給用戶。同時系統也使用了Yeelink云平臺進行傳感器的數據記錄以及利用其客戶端進行對家居設備的APP控制。通過這三大平臺可實現如下功能：

1）語音控制家居設備的工作狀態；

2）語音互動聊天、信息獲取；

3）手機端對家居環境的實時查看；

4）手機端對家居設備的狀態控制；

5）家居內傳感器被出發后進行聲音提示以及上傳到手機端。

圖4為系統軟件的工作流程圖。

圖4 系統軟件的工作流程圖

按照控制任務和功能性的不同可將控制系統的軟件詳細劃分為如圖5所示的功能模塊。

圖5 軟件功能模塊

3.2 Yeelink云平臺設置

本系統中Yeelink云主要負責的是各種傳感器的狀態監測以及利用其客戶端為用戶提供APP控制，在樹莓派系統下通過Python程序將各個傳感器接入，并實時上傳數據。包括我們的溫濕度以及圖像信息。圖6為Yeelink客戶端APP系統運行界面。

圖6 Yeelink客戶端APP系統運行界面

3.3 Arduino處理程序設計

Arduino Nano板作為我們控制設備信號處理器，主要負責將無線模塊接收到的指令進行分析和對家居設備的控制。該模塊具有成本低，程序簡單，穩定性強等特點。通過Arduino的串口連接系統的無線設備，通過Arduino豐富的I/O口控制繼電器進而達到控制我們家居設備的目的。圖7為Arduino Nano工作流程圖。

4 系統調試

下面是一些系統調試的過程圖片以及制作的系統模型圖。

圖7 Arduino Nano工作流程圖

圖8 系統模型搭建過程2

圖9 系統傳感器模擬

圖10 APP端系統圖像采集顯示

圖11 APP端顯示溫度曲線

圖12 系統整體模型

5 結論

基于樹莓派的智能家居語音控制系統，采用樹莓派3代結合百度語音平臺、圖靈機器人平臺以及Yeelink云進行綜合設計，基本完成了語音控制、語音互動、家居環境監測監控、APP控制等要求。經實驗證明該系統軟、硬件功能可靠，識別準確，響應及時。較好的實現了語音智能家居的控制[5]。