基于語音控制的智能家居交互系統

上海市嘉定區新城實驗中學 王米樂

一、設計背景和目標

隨著互聯網的發展，利用硬件設備將各種家居連接至管理平臺，進而實現對家居設備的統一管理、遠程監控逐漸成為趨勢。然而，傳統的智能家居控制方式無法滿足兒童和老人等特定人群的需求。

針對上述問題，我設計了一個通過語音控制的智能家居交互系統，實現各年齡段使用人群都能便捷控制智能家居設備，達到省時省力、輕松快捷的效果。

例如，傳統窗簾必須通過人工拉動，人們每天早、晚開關窗簾是一件很繁瑣的事。而傳統智能家居控制方式需要使用復雜的管理平臺進行操作，雖然窗簾不再需要人工拉動，但自動控制的便捷性不高，要求使用者具有較強的操作能力。而基于語音控制的智能電動窗簾就完全不用考慮這些問題，只要語音反饋“拉開窗簾”或“關閉窗簾”便可控制。

二、設計思路

本項目由智能語音系統、智能電視模塊、智能窗簾模塊、智能風扇模塊、智能電燈模塊、天氣預報模塊等組成，使用者通過智能語音系統與智能網關通信，控制各個智能模塊運行，最終達到滿足使用者需求的目的。該系統的整體設計框架如圖1 所示。

圖1 系統整體設計框架

三、設計過程

1.模型房間設計

首先在紙上設計草圖，然后在Lasercad中繪制作品的平面圖，如圖2；再利用激光切割機對模型房間的木板進行切割，如圖3。模型房間使用的是0.3 cm×45 cm×90 cm 木板，完成激光切割后使用膠槍進行粘接。

圖2 在Lasercad 中繪制作品平面圖

圖3 切割后的模型房間木板

2.控制系統設計

采用百度語音識別技術，用戶需要申請語音識別API 賬號，然后登錄賬號即可使用百度的語音識別功能。

3.設備管理設計

使用的軟件為Mind+，硬件為掌控板2.0開發板和掌控板IO 拓展板，利用Mind+軟件編制控制程序，編制程序界面如圖4 所示。

圖4 程序界面

所有智能模塊的硬件用杜邦線連接至掌控板及拓展板，利用百度的語音識別功能，通過語音控制相關的執行器如電機、風扇、燈帶的運行，實現智能家居的功能。

4.硬件控制設計

（1）智能電視模塊

提前在掌控板程序中添加需要展示的圖片，在Mind+中編寫語音控制電視的程序，當聽到語音開啟和關閉電視時，實現電視的自動開啟和關閉。掌控板和拓展板如圖5、圖6 所示。

圖5 掌控板

圖6 拓展板

（2）智能窗簾模塊

首先需要安裝齒條、齒輪和直流微型小電機（3～6 V），如圖7、圖8 所示，在Mind+中編寫語音控制窗簾的程序，當聽到語音開啟和關閉窗簾時，通過調節電機帶動齒輪轉動，從而實現智能窗簾的開關功能。

圖7 電機

圖8 齒條和齒輪

（3）智能風扇模塊

用模板電機和風扇葉（如圖9）組裝一個風扇模型，然后在Mind+中編寫語音控制風扇電機的程序，進而實現語音控制風扇的開關功能。

圖9 風扇葉

（4）智能電燈模塊

智能電燈模塊采用5 V USB LED 燈帶，如圖10 所示，在Mind+中編寫控制燈帶的程序，實現燈帶開啟，為居住環境營造氛圍。

圖10 燈帶

（5）天氣預報模塊

利用Mind+的天氣功能可以實時查詢天氣情況。

5.模型制作及功能測試

如圖11 所示，完成“基于語音控制的智能家居交互系統”模型的制作以及功能的測試。經測試，該系統穩定，達到了利用語音控制智能家居的目的。

圖11 基于語音控制的智能家居交互系統模型圖

四、創新點

1.采用百度語音識別技術，申請語音識別API，使用語音控制家居，更人性化，更方便、快捷。

2.電視、電燈、電扇、窗簾等家具的智能控制通過Mind+軟件程序被集成在同一個系統平臺內，穩定性更強，管理效率更高。

3.可利用Mind+的天氣功能實時查詢天氣情況，給生活帶來便利，同時添加了氛圍燈功能，可以提高人們居住的舒適度。

4.具有開放性，在此系統內可以拓展更多控制功能，冰箱、音響、空調等均可進入本系統，實現智能控制。

5.為未來更完備的智能家居系統提供了可供借鑒的雛形。

專家點評

王米樂同學的“基于語音控制的智能家居交互系統”項目是一項基于項目式學習的科創實踐作品。作為一名初中生，要真正驗證、完成這樣一個社會熱點項目非常難，但在老師或家長的帶領下，相信通過這個項目的學習與實踐，王米樂同學在信息技術應用等方面的技能會有一定程度的提高。

如果從發明創造方面來探討，通過在互聯網上搜索可知，約從2001年開始，就有相關的多項專利、研究生畢業論文等對這類項目做了較為深入的研究。因此，教師指導中小學生進行科技創新，想要獲得創新精神培養的實效，一定要從發明項目的選題開始，注重新穎性和可行性。不要盲目追求“高、大、上”，為了凸顯作品的“技術含量”而忽視學生的認知水平和身心發展的基本規律，忘了“教育含量”這個根本。