基于語音控制的智能家居交互系統(tǒng)

上海市嘉定區(qū)新城實(shí)驗(yàn)中學(xué) 王米樂

一、設(shè)計(jì)背景和目標(biāo)

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，利用硬件設(shè)備將各種家居連接至管理平臺(tái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的統(tǒng)一管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控逐漸成為趨勢(shì)。然而，傳統(tǒng)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(duì)上述問題，我設(shè)計(jì)了一個(gè)通過語音控制的智能家居交互系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各年齡段使用人群都能便捷控制智能家居設(shè)備，達(dá)到省時(shí)省力、輕松快捷的效果。

例如，傳統(tǒng)窗簾必須通過人工拉動(dòng)，人們每天早、晚開關(guān)窗簾是一件很繁瑣的事。而傳統(tǒng)智能家居控制方式需要使用復(fù)雜的管理平臺(tái)進(jìn)行操作，雖然窗簾不再需要人工拉動(dòng)，但自動(dòng)控制的便捷性不高，要求使用者具有較強(qiáng)的操作能力。而基于語音控制的智能電動(dòng)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(guān)閉窗簾”便可控制。

二、設(shè)計(jì)思路

本項(xiàng)目由智能語音系統(tǒng)、智能電視模塊、智能窗簾模塊、智能風(fēng)扇模塊、智能電燈模塊、天氣預(yù)報(bào)模塊等組成，使用者通過智能語音系統(tǒng)與智能網(wǎng)關(guān)通信，控制各個(gè)智能模塊運(yùn)行，最終達(dá)到滿足使用者需求的目的。該系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架

三、設(shè)計(jì)過程

1.模型房間設(shè)計(jì)

首先在紙上設(shè)計(jì)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(jī)對(duì)模型房間的木板進(jìn)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(jìn)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(tǒng)設(shè)計(jì)

采用百度語音識(shí)別技術(shù)，用戶需要申請(qǐng)語音識(shí)別API 賬號(hào)，然后登錄賬號(hào)即可使用百度的語音識(shí)別功能。

3.設(shè)備管理設(shè)計(jì)

使用的軟件為Mind+，硬件為掌控板2.0開發(fā)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(shí)別功能，通過語音控制相關(guān)的執(zhí)行器如電機(jī)、風(fēng)扇、燈帶的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)智能家居的功能。

4.硬件控制設(shè)計(jì)

（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(dāng)聽到語音開啟和關(guān)閉電視時(shí)，實(shí)現(xiàn)電視的自動(dòng)開啟和關(guān)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(jī)（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(dāng)聽到語音開啟和關(guān)閉窗簾時(shí)，通過調(diào)節(jié)電機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)智能窗簾的開關(guān)功能。

圖7 電機(jī)

圖8 齒條和齒輪

（3）智能風(fēng)扇模塊

用模板電機(jī)和風(fēng)扇葉（如圖9）組裝一個(gè)風(fēng)扇模型，然后在Mind+中編寫語音控制風(fēng)扇電機(jī)的程序，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)語音控制風(fēng)扇的開關(guān)功能。

圖9 風(fēng)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(shí)現(xiàn)燈帶開啟，為居住環(huán)境營造氛圍。

圖10 燈帶

（5）天氣預(yù)報(bào)模塊

利用Mind+的天氣功能可以實(shí)時(shí)查詢天氣情況。

5.模型制作及功能測(cè)試

如圖11 所示，完成“基于語音控制的智能家居交互系統(tǒng)”模型的制作以及功能的測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)穩(wěn)定，達(dá)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(tǒng)模型圖

四、創(chuàng)新點(diǎn)

1.采用百度語音識(shí)別技術(shù)，申請(qǐng)語音識(shí)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(gè)系統(tǒng)平臺(tái)內(nèi)，穩(wěn)定性更強(qiáng)，管理效率更高。

3.可利用Mind+的天氣功能實(shí)時(shí)查詢天氣情況，給生活帶來便利，同時(shí)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(tǒng)內(nèi)可以拓展更多控制功能，冰箱、音響、空調(diào)等均可進(jìn)入本系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能控制。

5.為未來更完備的智能家居系統(tǒng)提供了可供借鑒的雛形。

專家點(diǎn)評(píng)

王米樂同學(xué)的“基于語音控制的智能家居交互系統(tǒng)”項(xiàng)目是一項(xiàng)基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的科創(chuàng)實(shí)踐作品。作為一名初中生，要真正驗(yàn)證、完成這樣一個(gè)社會(huì)熱點(diǎn)項(xiàng)目非常難，但在老師或家長的帶領(lǐng)下，相信通過這個(gè)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)與實(shí)踐，王米樂同學(xué)在信息技術(shù)應(yīng)用等方面的技能會(huì)有一定程度的提高。

如果從發(fā)明創(chuàng)造方面來探討，通過在互聯(lián)網(wǎng)上搜索可知，約從2001年開始，就有相關(guān)的多項(xiàng)專利、研究生畢業(yè)論文等對(duì)這類項(xiàng)目做了較為深入的研究。因此，教師指導(dǎo)中小學(xué)生進(jìn)行科技創(chuàng)新，想要獲得創(chuàng)新精神培養(yǎng)的實(shí)效，一定要從發(fā)明項(xiàng)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(shù)含量”而忽視學(xué)生的認(rèn)知水平和身心發(fā)展的基本規(guī)律，忘了“教育含量”這個(gè)根本。