基于Arduino 的AI 語(yǔ)音識(shí)別智能音箱設(shè)計(jì)

陳麗媚 張學(xué)娜 易向東*

（ 廣東第二師范學(xué)院，廣東 廣州510303）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能時(shí)代的到來，給我們的生活帶來了極大的便捷，智能家居逐漸走進(jìn)我們的生活中，而智能音箱更是被叫為“ 智能家居的入口”。 智能音箱的語(yǔ)音平臺(tái)很大一方面帶動(dòng)了智能家居走向消費(fèi)者市場(chǎng)，伴隨著智能音箱的持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)，全球智能家居設(shè)備出貨量也迎來了高速增長(zhǎng)。[1]為此，本小組基于高質(zhì)量低成本的理念設(shè)計(jì)一款基于Arduino 的AI 語(yǔ)音識(shí)別智能音箱。

1 系統(tǒng)軟件以及硬件設(shè)計(jì)

1.1 軟件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的AI 語(yǔ)音識(shí)別智能音箱， 是一個(gè)以Arduino 軟件為處理器搭建的對(duì)藍(lán)牙音箱作出響應(yīng)的智能系統(tǒng)和以串口通信助手接收數(shù)據(jù)作出響應(yīng)而設(shè)計(jì)的。 系統(tǒng)軟件程序由初始化程序、語(yǔ)音播放程序、語(yǔ)音識(shí)別程序以及藍(lán)牙程序這幾個(gè)部分組成。

圖1 軟件工作流程圖

1.2 硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 LD3320 語(yǔ)音識(shí)別模塊

LD3320 作為一款基于非特定人語(yǔ)音識(shí)別(SI-ASR) 技術(shù)的語(yǔ)音識(shí)別/聲控芯片, 集成了一系列與其功能相關(guān)的外部電路,包括ADC、DAC、麥克風(fēng)剪口、聲音輸出接口等, 使得LD3320 能夠在沒有任何外接輔助Flash、RAM 芯片的情況下直線語(yǔ)音識(shí)別/聲控/人機(jī)對(duì)話等功能。[2]

本設(shè)計(jì)中，運(yùn)用LD3320 語(yǔ)音識(shí)別模塊，識(shí)別指令，隨后根據(jù)指令做出相應(yīng)的反應(yīng)， 為了清晰的看到LD3320 接收指令的狀態(tài)， 在LD3320 模塊的外圍設(shè)備有一個(gè)指示燈， 上電之后呼叫“ 小愛”，指示燈亮起，當(dāng)二級(jí)指令說出之后，指示燈滅，隨后音箱根據(jù)二級(jí)指令做出相應(yīng)反應(yīng)。

圖2 LD3320 語(yǔ)音識(shí)別模塊

圖3 上電之后指示燈亮

1.2.2 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊，是一種集成藍(lán)牙功能的PCBA 板，主要用于短距離無線通訊， 按功能分為藍(lán)牙數(shù)據(jù)模塊和藍(lán)牙語(yǔ)音模塊。 藍(lán)牙模塊是指集成藍(lán)牙功能的芯片基本電路集合， 用于無線網(wǎng)絡(luò)通訊，大致可分為三大類型：數(shù)據(jù)傳輸模塊、藍(lán)牙音頻模塊、藍(lán)牙音頻+數(shù)據(jù)二合一模塊等等。 一般模塊具有半成品的屬性，是在芯片的基礎(chǔ)上進(jìn)行過加工，以使后續(xù)應(yīng)用更為簡(jiǎn)單。[3]

本設(shè)計(jì)中手機(jī)APP 鍵盤輸入數(shù)據(jù)發(fā)送到藍(lán)牙模塊中，藍(lán)牙模塊再將數(shù)據(jù)發(fā)送給arduino 單片機(jī)中， 隨即單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的指令。

圖4 藍(lán)牙模塊

圖5 藍(lán)牙界面

1.2.3 dfplayer 播放器模塊

dfplayer 播放器模塊是一款小巧且價(jià)格低廉的音樂播放器模塊。 本設(shè)計(jì)中采用的dfplayer 播放器模塊與語(yǔ)音模式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音播放音樂的功能。 當(dāng)在語(yǔ)音模式下通過一級(jí)指令喚醒音箱，指示燈亮，二級(jí)指令對(duì)音箱說“ 播放音樂”的時(shí)候，指示燈滅，此時(shí)dfplayer 播放TF 卡根目錄下的第一首歌，當(dāng)喊出“ 上一曲”或者“ 下一曲”時(shí)，將會(huì)播放正在播放曲目的相應(yīng)上一曲或者下一曲。

2 實(shí)驗(yàn)過程

搭建完硬件平臺(tái)之后，將代碼編譯，燒寫然后通過串口下載至開發(fā)板后，進(jìn)行測(cè)試。 首先在安靜的環(huán)境中對(duì)音箱說“ 小愛”，等待識(shí)別模塊響應(yīng)后， 左上角指示燈亮后， 對(duì)音箱說“ 播放音樂”，等待識(shí)別模塊響應(yīng)后，左上角指示燈滅后，隨即音箱開始唱歌，但是這時(shí)候再喊“ 下一曲”的指令就會(huì)發(fā)現(xiàn)音箱沒有反應(yīng)，于是本小組猜想會(huì)不會(huì)是由于在放歌，導(dǎo)致環(huán)境變得嘈雜而指令無法被音箱識(shí)別到，為了驗(yàn)證該猜想，本小組做了以下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)一： 在唱歌的時(shí)候湊近LD3320 模塊大聲地喊“ 下一曲”，發(fā)現(xiàn)音箱終于作出反應(yīng)，播放下一首音樂。

實(shí)驗(yàn)二： 先把電源斷開掉， 然后在一個(gè)嘈雜地環(huán)境中通過“ 放歌”指令喚醒音箱，最終發(fā)現(xiàn)要喊的很大聲，音箱才對(duì)指令作出反應(yīng)。

經(jīng)過多次測(cè)試，驗(yàn)證猜想正確。 其次，在語(yǔ)音控制指令無法正確讀取到的時(shí)候， 發(fā)現(xiàn)裝置通過藍(lán)牙模式與音箱進(jìn)行連接后，在手機(jī)進(jìn)行操作發(fā)現(xiàn)可以得到理想的效果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)物檢測(cè)的過程中， 發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的音箱對(duì)指令的識(shí)別度很高，但也會(huì)出現(xiàn)無法識(shí)別的指令現(xiàn)象，造成的原因有：

3.1 發(fā)出指令的環(huán)境過于嘈雜，導(dǎo)致LD3320 模塊無法正確讀取指令從而不被讀取。

3.2 發(fā)音不準(zhǔn)確， 由于地方方言原因?qū)е掳l(fā)音不準(zhǔn)而不被LD3320 正確識(shí)別到，從而不被讀取。

4 結(jié)論

本文主要對(duì)基于Arduino 的AI 語(yǔ)音識(shí)別智能音箱設(shè)計(jì)的硬件搭建和軟件設(shè)計(jì)方面作出了闡述。 同時(shí)也作出了實(shí)物并且經(jīng)過驗(yàn)證，確保了方案的可靠性以及可行性。 測(cè)試結(jié)果表明，本裝置可以通過語(yǔ)音識(shí)別指令實(shí)現(xiàn)功能，除此之外還可以通過藍(lán)牙模式用手機(jī)與裝置進(jìn)行連接， 用戶可在手機(jī)上對(duì)裝置進(jìn)行操作。 經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明， 該音箱裝置的功能可以滿足用戶對(duì)音箱的基本需求，表明該裝置是有效的。 同時(shí)，該裝置還實(shí)現(xiàn)了本小組最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)：高質(zhì)量，低成本。