基于云平臺的物聯網智能家居語音終端控制器系統

張世亮 劉成剛 廖文梯

摘? 要：本文以無線通信電路、語音識別電路、控制電路、LED電路、OLED電路、電機驅動電路和電源電路設計了基于“云平臺”的物聯網智能家居語音終端控制器系統。本設計選用STM32F103RCT6作為主機和樹莓派作為物聯網終端達到控制以下幾種功能的目的：首先，麥克風接收語音信號通過樹莓派進行語音識別，并通過ZigBee連接到STM32f1。然后，STM32F1使用紅外與對應的家居通信并做出相應的動作。在軟件上，本設計包括了主程序、OLED、LED和電機控制程序、語音識別程序、無線通信程序。模擬系統的設計原理和方法對實際家居控制系統的設計具有指導作用。

關鍵詞：語音識別;智能家居控制;STM32F103RCT6;樹莓派;ZigBee

中圖分類號：TN912.34? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 前言

隨著智能家居市場的發展，國外的IT巨頭們已先后以智能家居產品與語音相結合的方式進入智能家居領域：谷歌收購NEST布局智能家居，不斷強化Google Now的語音入口;蘋果HomeKit智能家居平臺與Siri也不斷加強融合;市場上流行的Echo智能音箱使用了亞馬遜的Alexa語音技術。

在國內，語音巨頭科大訊飛也在2014年8月宣布進軍智能家居市場，并于2015年3月攜手京東成立合資公司——北京靈隆科技，推出了其生產第一個產品DingDong智能音箱，除了具備音箱的基本功能，還可以作為語音助手，更是智能硬件的控制中樞。除此之外，百度、騰訊等都在打造自己的語音團隊。

隨著對語音交互領域投入的增加，語音核心技術正逐步成熟。語音技術正不斷進入智能家居領域滲透，市場前景廣闊。

1 系統總體框架

由STM32控制電路、LED電路、OLED控制電路和電機驅動電路、電源電路組成硬件系統。

本項目采用目前創客中較為流行的開源硬件樹莓派為作為物聯網終端主控設備，通過終端主控設備采集語音指令信號，將語音的解意功能通過Wi-Fi技術連接進入互聯網的語音云平臺中，利用語音云平臺進行語意的解讀，將解讀完的語音信息回傳給終端主控設備，并由終端主控設備和各個終端設備接收器通過無線技術組網完成主控設備對終端設備（例如，窗簾、空調、電視、電燈等）的控制。

2 系統硬件電路設計

2.1 主機

采用STM32F103RCT6單片機作為系統控制器，STM32F1-

03RCT6是由ST生產的一款STM32F103系列的微處理器。STM32最高頻率可達72MHz，它0等待的存儲器訪問、基于哈佛結構并帶有3級流水線特性和其高效的處理效率保證能夠實時高效的處理水表取數和上傳數據。STM32自帶64k字節Flash，它具有多種低功耗模式：等待、活躍停機、停機模式，外設的時鐘可單獨關閉。在停機模式下，STM32的功耗僅僅4.5uA左右，完全能夠滿足智能控制的供電要求，這實現并保證了整個系統的低功耗特性。

本設計中用到的接口如下所示：

主機部分：

紅外部分： PA9：RX接收部分

PA10：TX 發送部分

ZigBee部分： PA2：RX讀部分

PA3：TX寫部分

分機部分：

LED部分： PA5：模擬智能家居燈;

直流電機部分： PA8：直流電機的IN1

PA9：直流電機的IN2

OLED部分： GND：OLED的接地端

3v3：OLED的VCC

PA7：OLED的讀寫口

PA6：OLED的復位

PA5：OLED的d0

PA4：OLED的d1

GND：OLED的片選CS

2.2 語音識別電路模塊

本設計中使用樹莓派來實現語音識別功能，其功能包括語音的采集、識別及處理。語音信號直接由麥克風模塊進行采集，識別由python編寫的調用程序，通過百度AI的語音識別功能進行，并將識別后的信息回傳到樹莓派中，在其程序內部進行語句指令的判斷。然后在程序中通過對回傳的信息的分析，選擇出相對應的通信指令。

利用樹莓派作為語音控制部分是因為其系統穩定性更好，語音識別準確度高;語音指令可以通過修改程序代碼來改變。

2.3 無線通信

在無線通信方案中，主要有Wi-Fi、藍牙、ZigBee和無線射頻技術（nRF24l01）4種。在基于物聯網的智能家居系統中，與終端設備相連的無線接收器要符合組網便捷、功耗低的特點，所以主控設備和終端接收設備在組網時應采用ZigBee技術。

ZigBee是IEEE 802.15.4協議的代名詞。根據這個協議規定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。優勢有以下幾點：

（1）自動組網，網絡容量大。

（2）網絡延時短。

（3）模塊功耗低，通信速率低。

（4）傳輸距離可擴展。

（5）成本低。

（6）可靠性好，安全性高。

2.4 電機、OLED、LED電路模塊

主控設備和終端設備接收器之間采用ZigBee技術組網，多機通信協議的設計要完成對終端設備的識別及控制，如圖1所示。

圖1 電機、OLED、LED電路模塊

3 系統軟件設計

系統的軟件設計包括的模塊有：光電信號檢測模塊、單片機處理模塊、通信模塊、語音模塊。光電信號檢測模塊：通過紅外將主機控制信號傳送到各分機里。單片機處理模塊：單片機對傳送過來的通信信號進行數據預設的處理，將語音模塊的數字信號轉化成相對應的模擬信號，再通過光電模塊傳送給各個分機。通信模塊：通過語音模塊將控制命令轉化成相應的數字信號，并發送到單片機中，進行預設判斷。語音模塊：控制語句通過網絡進行語音識別并反饋到模塊中，并在模塊的預設命令中找到相應的通信命令，通過通信模塊發送到單片機中。

軟件設計還包括OLED的文字設計、百度AI的調用設計以及圖靈機器人的調用等。

結語

隨著電子技術、物聯網、云服務、云計算等技術的發展，語音識別有著廣泛的應用。開發基于“云平臺”的物聯網智能家居語音終端控制器系統使我們的生活更加便捷，更加的人性化、安全、享受舒服的環境。在論文即將完成之際，我們的心情無法平靜，開始進入課題到論文的順利完成，可敬的老師、同學給了我們很多幫助，在這里請接受我們真摯的謝意！

參考文獻

[1]禹琳琳.語音識別技術及應用綜述[J].現代電子技術，2013（13）：43-45.

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[3]周英.關于語音識別技術發展趨勢的分析[J].工程技術，2012（19）：141-142.

指導老師：劉海斌。