基于語音交互的智能家居設計

王錦龍 陳婷婷 陳奕婷 易向東

摘 ?要：文章設計了基于語音交互的智能家居控制系統，系統以Arduino開發平臺為核心，結合語音識別模塊、語音合成模塊、氣體傳感器、溫濕度傳感器等元器件，從而實現室內環境氣體濃度的檢測、空氣中溫濕度的采集和語音控制家電系統的功能，以便提供給用戶更方便更高效更安全的家居生活。

關鍵詞：Arduino;智能家居;語音交互

中圖分類號：TN912.34 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）20-0042-02

Abstract： In this paper， an intelligent home control system based on voice interaction is designed， which takes Arduino development platform as the core， combined with speech recognition module， speech synthesis module， gas sensor， temperature and humidity sensor and other components， so as to realize functions such as the detection of indoor ambient gas concentration， the collection of temperature and humidity in the air， and the voice control of household appliance systems， thus providing users with a more convenient， more efficient and safer home life.

Keywords： Arduino; smart home; voice interaction

1 概述

現代生活中的家具電器數量急劇增多，傳統家居的機械化控制方式已經不能完全滿足現代生活的需求，伴著家居電器的使用越來越廣泛，一個智能化的控制系統，不僅能夠優化人們的生活方式，幫助人們有效安排時間，同時也能增強家居使用的安全性，該系統的市場發展有很大的潛力，根據讓科技更好的服務于人們的日常生活這一理念[1]，針對當下傳統家居控制方式落后及使用不方便等缺點，我們團隊進行了此次基于語音交互的智能家居控制系統的研究。

2 系統組成

硬件方案采用Arduino UNO R3模塊+LD3320語音識別模塊+SYN6288語音合成模塊+DHT11溫濕度傳感器+ MQ-2氣體傳感器+光敏電阻+LED燈+風扇+喇叭設計而成。系統結構框圖如圖1所示。

2.1 Arduino模塊

Arduino是一個開源性開發平臺，硬件部分由Atmel AVR單片機、I/O接口及相關電路組成，軟件部分則包括標準的程序編譯器和下載編譯器具有使用類似java和c語言的processing/writing開發環境[2]，可通過各種各樣的傳感器感知環境，并能通過馬達、燈光來反饋甚至影響環境，這些都可以滿足智能家居系統的設計需求。除此之外，Arduino還具有極高的實用性，其所有的軟件都可以免費下載，硬件在符合Availableopen-Source協議下也可根據自己的需要和要求進行修改，這給我們項目的順利實施提供了很大的便利。

2.2 語音識別模塊

LD3320是基于關鍵詞語列表識別技術的語音識別模塊，由語音識別處理器和一些外部電路組成，不需要接入額外的輔助芯片，展現了其在設計上注重節能和高效的特點。快速而穩定的優化算法，使其具有高準確度與強實用性的語音識別效果和非特定人語音識別技術，不需要用戶事先進行錄音訓練。識別關鍵詞的列表可動態編輯，只需要把識別的關鍵詞以字符串的形式傳送進芯片，即可以在下次識別中立即生效。LD3320還支持用戶自由編輯50條關鍵詞，在同一時刻，可以在50條關鍵詞語中進行識別，終端用戶可以根據場景需要，隨時編輯和更新這50條關鍵詞語的內容，操作簡單，方便上手。

2.3 語音合成模塊

SYN6288是一款性價比高、效果自然的中文語音合成芯片，通過異步串口傳輸，接收待合成的文本數據，實現文本到語音的轉換。在硬件上具有接口電路簡單，電路集成，低功耗的特點。在功能上，支持任意中文和英文字母的合成，合成效果清晰、自然、準確，同時具備很強的多音字和中文姓氏的處理能力，此外，SYN6288還可以執行合成、停止、暫停合成、繼續合成、改變波特率等多種控制命令。

2.4 溫濕度傳感器

DHT11是一種含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，由電阻式感濕和NTC測溫元件組成，可與高效能的單片機連接，實現對環境溫濕度的檢測。它采用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，可靠性高，穩定性強。每個DHT11傳感器都在極其精確的校驗室進行校準，使其具有較高的準確度，其測量精度保持在濕度±5RH、溫度±2℃之間;數據采用數字輸出，其傳輸方式采用單線制串行接口，使系統集成更加簡單便利;其封裝采用4引腳安裝，連接器件更加方便易上手。

2.5 氣體傳感器

MQ-2煙霧氣敏傳感器是一款適合多種應用的低成本氣體傳感器，具有探測范圍廣泛、靈敏度高、響應快、穩定性好、壽命長、驅動電路簡單等眾多優點。它的工作原理十分簡單：當氣體傳感器所處環境存在可燃氣體，傳感器中的電導率會隨著可燃氣體的濃度變化而隨之改變，通過簡單的電路就可將電導率的變化轉換為與之氣體相應濃度的輸出信號，結合繼電器和蜂鳴器的使用，可實現煙霧報警的功能。

3 系統程序設計

利用氣體傳感模塊對室內環境進行檢測，將采集量和設定的閥值進行比較，并將檢測結果反饋給Arduino中央控制系統[3]，若檢測到氣體濃度過高，控制系統則做出相應的反應機制即報警;若濃度適宜，此時可以進行語音輸入，通過語音識別模塊和語音合成模塊對Arduino中央控制系統發送命令，控制風扇、照明設備等電器的運轉，加上溫濕度傳感器模塊，我們也可以通過語音播報系統了解當時環境的溫濕度。

由于Arduino開元平臺預先在集成軟件IDE開發環境中提供了常用的庫文件，因此在使用其基本功能時只需在共享平臺Github上下載所需要的庫并調用即可[4]，并且Arduino IDE對于電腦系統的選擇不挑剔，Windows系統、Linux系統都可以安裝且能夠運行編程[5]，所以系統軟件采用Arduino IDE開發環境進行設計，程序設計語言類似C語言，編寫的程序流程圖如圖 2所示。

4 結束語

由Arduino、傳感器模塊、語音識別模塊、語音合成模塊等部件組成的一套智能家居系統經過試驗后運行效果穩定，達到了初期設定的語音控制電器的使用及對環境進行檢測并做出反應的目標，能夠優化人們的生活方式，幫助人們有效安排時間，增強家居生活的安全性，甚至為各種能源費用節約資金。適用于現代家居小區，更適合行動不便的老人家庭，具有巨大的推廣使用價值和開發潛力[6]。

參考文獻：

[1]趙洋洋，陳國維，郭震邦，等.一種基于Arduino的智能家居安防系統設計[J].中國科技信息，2020（05）：98-99.

[2]紀欣然.基于Arduino開發環境的智能尋光小車設計[J].現代電子技術，2012，35（15）：161-163.

[3]高航.基于Arduino的智能家居控制系統設計[J].科技創新與應用，2015（33）：61.

[4]袁本華，董錚.基于Arduino控制板的溫室大棚測溫系統設計[J].安徽農業科學，2012（8）：5049-5050.

[5]Ben G.B. Kitchener，Simon D. Dixon，Kieren O. Howarth，Anthony J. Parsons，John Wainwright，Mark D， Bateman，James R. Cooper，Graham K. Hargrave，Edward J. Long，Caspar J.M.Hewett. A low-cost bench-top research device for turbidity measurement by radially distributed illumination intensity sensing at multiple wavelengths[J]. HardwareX，2019，5.

[6]崔陽，張維華，白云峰.一種基于Arduino的智能家居控制系統[J].電子技術應用，2014（4）：123-125.