基于語音識別技術的智能家居控制系統的設計

胡宇翔 陳嘉馨 鐘海輝

摘 要：在科技不斷飛速發展的時代背景下，傳統家居必然會走上智能化和科技化的道路[1]。傳統的家居設備需要通過人工一一進行開啟或者關閉工作，而現代家居設備數量越來越多，種類也越加繁多，當用戶回到家中時，勞累的身體還需要對這些家居設備一一進行操作，加重了身體的負擔，傳統的模式已經不能夠滿足人們的需求，在這樣的背景下，智能家居的產生很好的解決了這個問題[2]。那么如何通過方便快捷的辦法控制智能家居便擺在我們面前，基于語音識別技術的不斷進步和提高，使用語音識別技術，利用MIT語音服務器完成對語音信號的特征提取和識別過程，控制智能家居，這便是本文設計的一個方案。

關鍵詞：智能家居;語音識別;控制系統

1 語音信號方案

1.1 語音信號預處理

對語音信號進行預處理指的是通過各種手段對原始的語音信號加工處理，由于在家居環境中，主人說話的聲音比較小，因此有時候會在軟件設計時加入語音增強模塊，防止因為噪聲過大而掩蓋了原始的真實語音信號。其次還需要對語音信號進行預加重處理，這是因為當語音信號的頻率超過800赫茲時，信號會出現嚴重的衰減，為了使得信號不失真，就必須對語音信號進行預加重處理，使得信號在高頻率部分變得平坦，便于后來的頻譜分析。因為語音信號會因為聲調生澀等的不同而發生變化，為了解決這個問題，還需要對語音信號進行加窗分幀，使信號盡量保持平穩的狀態，方便進行頻譜分析。

1.2 語音信號特征提取

語音信號的特征提取在語音識別技術中是一個關鍵點，通過對特征的提取能夠有效的識別人物信息。對于大部分語音信號一般都處于低頻帶，但是仍舊有部分語音信號處于高頻帶，后者很容易受到噪聲的干擾，因此需要采取一定的手段對高頻信號進行濾除，增加語音信號的抗噪能力。常用的語音信號特征提取方法是梅爾頻率倒譜系數分析法，本文也將采取這種方法對語音信號進行了特征提取。

1.3 模式匹配及識別算法

語音識別的另外一個模塊是進行模式匹配，模式匹配的目的是將人的語音信息和語言庫中的文字信息進行匹配，從而將翻譯過來的文字信息傳入到主控芯片控制目標完成某項功能。現代常用的模式匹配方法是HMM算法，本人也將采取這種算法完成對語音信號的模式匹配和識別。

2 系統設計與分析

2.1 語音控制模塊設計

首先需要明確本文語音模塊完成的功能，即需要在手機客戶端準確識別出語音指令，完成對家居設備的控制。基于此，本文設計采用MIT語音識別服務器完成這項功能，這個服務器能很好的識別中文語音信號。在采集完語音信號之后，該服務器需要對語音信號進行預處理，提取特征信息，建立語音模型。相較于其他語音服務器，MIT具有較高的識別準確率，能夠對英語、漢語和日語三種語音進行識別。

在設計之前，需要了解MIT語音信號的底層結構。MIT語音處理器在識別語音信號時可以分為三個層次，分別是音節、詞匯和語義。由于MIT語音處理器幾乎涵蓋了所有的中文音節信息，因此當人類在發出基本的音節乃至連詞變音時都能夠精準的識別，識別之后根據特定的算法翻譯成詞匯輸入到系統后臺中。接著下一步就是對詞匯的識別，對詞匯進行解析。解析完成之后，就會將解析得到的計算機語言傳遞到后臺由手機下達指令。

2.2 數據傳輸模塊設計

考慮到本文的設計環境中家居設備可以會發生移動，因此網絡拓撲關系可能有所變化，因此本文選擇AODV路由算法實現室內環境中的傳感器網絡搭建。該路由協議的特點是一事一辦，當路由建立完成之后，只要居家設備不發生移動，后續的指令傳達路徑便會按照原先的路由進行數據的傳輸。而如果當家居設備移動或者發生斷電情況后，那么網絡內就會重新建立起路由，時刻保持數據傳輸的暢通。

2.3 控制家居模塊設計

在本文的設計方案中，手機客戶端能夠與家居設備控制器進行網絡連接，而家居設備控制器能夠與每一個家居設備進行網絡連接。在同一個家庭無線網絡環境中，手機客戶端控制家居設備首先是將控制指令傳達給家居設備控制器，控制器的信號接收裝置在收到信息后對其進行解析，再將此命令向下傳達給家居設備，最終完成用戶想要實現的操作指令。該設計方案是基于手機客戶端與控制器之間的網絡為4G網絡搭建的，家居設備控制器與每一個家居設備之間仍舊是以無線網絡連接。在控制器上有安裝一個4G上網卡，手機客戶端控制家居設備首先是通過4G網絡將控制指令傳達給家居設備控制器，控制器的信號接收裝置在收到信息后對其進行解析，再將此命令向下傳達給家居設備，最終完成用戶想要實現的操作指令，這種方式一般用于遠程控制。同時，本設計的方案能夠實現的功能包括控制燈亮滅等等。

2.4 核心模塊軟件設計

本文的智能終端模塊也就是控制家具模塊主要是由手機端完成，并在手機端安裝好語音控制軟件，由于一個家庭環境中往往包括多個家居設備，因此手機端需要控制多個節點。為了解決這個問題，首先將數據包傳遞給家居環境中的主控中心，控制中心將數據標分解之后，再根據指令傳遞給特定的家居設備，從而完成對家居設備的控制。在這個數據包中包含三個內容，首先是節點地址，其次是家電類型，最后是需要傳達的控制命令，即手機客戶端翻譯出來的語音信息。

3 結語

本方案是基于語音識別技術的智能家居控制系統，通過客戶端的語音信息，完成對智能家居的控制，讓家居設備更加智能化，利用MIT語音服務器完成對語音信號的特征提取和識別過程，并且該服務器內有自動的高頻噪聲濾波器，防止聲音信號發生失真現象。其次Zigbee模塊完成了數據傳輸的功能，能夠在網絡拓撲較為穩定的家居環境中實現對數據的傳輸，消耗的功率降低，成本也較低。

參考文獻：

[1]牛可，張珣.智能家居語音識別通用語音AI云平臺的設計與實現[J].2019.

[2]凌賢鵬，李綻蕾.基于智能語音的智能家居系統設計[J].2019.

作者簡介：胡宇翔（1996-），男，浙江東陽人，本科，研究方向：信息與計算科學。