0 引 言

近年来，语音的智能化控制[1]已成为智能家居领域的研究热点，在语音识别技术方面也应用到各个领域，语音智能控制与智能家居的结合方面目前还处于起步阶段。现阶段智能家居的控制方式大部分还是传统的手机APP控制，没有真正体现出智能家居的实用性。本文提出一种便携式语音远程控制智能家居系统。系统结合语音系统和无线传感器网络，设计基于便携式语音的智能家居系统，该系统可以弥补传统智能家居人机交互单调的缺点，较好地满足当今控制领域智能化的特点，具有广泛的应用前景。

1 系统总体设计方案

基于LD3320[2]的便携式语音远程控制智能家居系统的设计如图1所示，首先由主控制模块采集语音信号，通过关键词匹配成功后，由主控制器决定发送信号给家庭网关，控制信号通过GPRS无线发射模块发送给家庭网关，网关通过ZigBee协调器发送给终端控制节点，实现对终端节点的控制。系统最终实验结果表明，系统具有识别率高、低成本、便携式、使用自由灵活的特点，能有效实现便携式语音远程控制智能家居系统。系统结合语音识别和无线传感网络技术，设计一款基于语音识别和无线传感器网络的语音远程控制智能家居系统。

  

图1 智能语音控制系统框架

2 系统硬件设计

网关系统控制核心选用SAMSUNG公司基于ARM11架构的S3C6410开发板，采用STC10L08XE作为语音识别模块的主控芯片，采用ICroute公司的LD3320作为语音识别芯片[3]，网关与语音识别模块之间的通信选用GPRS无线传输，网关与终端节点设备采用ZigBee传输。

2.1 语音硬件设计

语音前端硬件设计采用语音识别芯片LD3320，它是一种非特定人语音识别技术，不用外接RAM和Flash，也不需要提前录音以及训练，最终可达到语音识别、声音控制以及人机交互功能，对于关键词列表也可以任意修改，识别准确率高达95%[4]，控制芯片采用STC10L08XE作为语音控制系统的MCU，用于LD3320处理语音识别结果、预设关键词列表，系统框架如图2所示。

  

图2 语音系统框架

2.1.1 语音模块主控器

对周围的ZigBee网络进行扫描，当发现周围有ZigBee网络时申请加入该网络、将采集的数据发送到协调器、执行来自协调器的命令。图8为ZigBee终端流程。

网关服务程序框架，如图6所示。

(3)如果协调器允许节点入网，则发确认信息给节点，并分配网络短地址给节点；

通常情况下，非特定人语音识别技术只注重语音数据的特征，不能区分具体不同人的话语。同时最多辨别50个关键词，每条语音数据的长度为10个汉字以内或79个字节的标准普通话的汉语拼音，它们之间以空格符隔开，如“kai kong tiao”(开空调)。

2.2 GPRS无线传输

GPRS(通用无线分组业务)无线传输模块采用的是DF1008 GPRS DTU是一款基于GPRS网络的无线数据传输终端设备，可以实现无线、远程以及网络化的通信方式，提供全透明的数据通道。模块具有的特点是体积小、稳定性高、抗干扰强、组网灵活、安装简单、维护成本低等特点。

合理拱轴线为跨中对称的抛物线，在均布荷载作用下，可取一半进行受力分析，如图5所示。图5中，q为合理拱轴线在y轴方向上承载的均布推力，Fx为拱脚与拱顶的水平力，Fy为拱脚竖向力，f为拱高。

半晌，岩鹰终于认输，闭上嘴巴，扑棱着翅膀跳上了洞外的那株松树。它站在树枝上，也不离开，只一脸怨毒地盯着洞内的二人。

如果企业是侵权人的，企业应在接到权利人通知后及时核实是否侵权，并通过以下几方面寻找合理的抗辩事由：如不侵权抗辩，即被控侵权产品未落入专利的保护范围；二是自由公知技术抗辩，被控侵权产品使用了专利申请日前的技术；三是专利权无效抗辩，通过无效对方的专利权来达到不侵权的目的；四是先用权抗辩，主张在专利申请日前已经使用的；五是合法来源抗辩，仅适用于销售者；六是法定不侵权抗辩。

2.3 网关硬件设计

“可能你看到的是足炉！”彤彤自信地回应说，足炉比手炉大一些，常常是用锡或铜制成的金属壶。最常用的足炉叫“汤婆子”，又称“汤媪”“锡夫人”“脚婆”，使用方法跟现在的热水袋如出一辙，即将壶内注入热水，拧上盖子，包上厚布，放入被窝中焐脚。

等玉敏下了班，小虫就拉着玉敏到了姑妈家。姑父仍窝在沙发里，显得疲惫，无聊地吐着烟圈。在小虫他们没来之前，姑父一直在思考，想了几个假设：如果拒不承认收礼会如何，如果让玉敏撤诉会如何，如果赔钱给许沁会如何，这些假设最终都被一一否定了。为稳妥起见，还是还钻戒最安全了。

便携式语音设备将前端采集的语音数据经过识别转换成自定义的数据格式通过GPRS模块发送给家庭网关，家庭网关接收前端发送过来的数据包进行解析，然后通过串口发送给ZigBee协调器，最终将控制指令发送给终端ZigBee节点。家庭网关的总体设计包括MCU、ZigBee协调器、串口等。网关硬件PCB图设计如图3所示。

  

图3 网关硬件PCB

2.4 ZigBee无线网络

便携式语音的远程控制系统的协调器、终端ZigBee节点采用的芯片为TI公司研发的用于2.4 GHZ、IEEE802.15.4/ZigBee的片上系统解决方案CC2530芯片。

家庭网关与前端节点采用ZigBee无线传感网络进行组网，当前端节点上电后，ZigBee协调器将网关发来的控制和查询指令传送至ZigBee节点，并且ZigBee节点将家居设备的状态信息传递给网关，从而完成对前端节点的监控。图4为ZigBee电路连接图。

当今时代，信息技术的快速发展，使得互联网与旅游的融合速度越来越快，旅游电商企业关注点更注重多样化和多元化。消费者也从原来的被动接受消息变成了一个主动发送需求信号的个体。需求的多样化和个性化对于旅游电子商务提出了更大的挑战。

  

图4 ZigBee电路连接

3 软件设计方案

3.1 语音模块软件设计

该便携式语音模块可实现远程控制、语音识别、语音播放、网关交互等丰富的功能，系统处理数据过程中将语音数据和相关的配置信息封装成自定义的数据帧格式，然后数据存储在W25Q32DW外部存储器中。语音识别与语音播放是由驻极体麦克风将语音信息发送到语音识别芯片，完成后反馈识别结果，然后从外部存储器取出对应的语音数据，存入LD3320的存储器并播放语音。同时，主控制器将控制信息通过GPRS发送至网关，网关做出应答信息后，将反馈信息发送到便携式语音前端的主控制器，然后实现语音播放以及实时了解终端设备的状态。图5为智能语音控制系统的软件框架。

  

图5 语音软件框架

3.2 语音识别

LD3320中的W25Q32DW芯片用来存放语音数据，其中，一部分作为语音文件的存储，另一部分作为关键词的存储，LD3320初始化后需要将关键词从W25Q32DW取出写入LD3320。

在语音识别的过程中，都会产生一个中断，播放语音时也会产生中断，例如语音数据全部发送到LD3320或播放完毕需要写入新的数据。以上情况的中断需要一个引脚输出，那么主控制器就要分析和处理中断。

成功识别口令后，LD3320会得到几种结果，通过筛选几种结果选取唯一以及多数相同的为最终结果，主控制器就会从之前的关键词列表中提取相应的结果。在这里举一个例子，在关键词列表中第一个关键词是“kai kong tiao”，存放的对应的语音文件是播放“空调已打开”的声音(这里播放的声音是我们可以自己定义的声音或者去下载其它地方方言)，则识别的结果对应到关键词列表的第一个，代表识别到“kai kong tiao”。

3.3 网关软件设计

家庭网关的软件设计中主要应用两个服务，UDP服务和串口通信服务。其中，前端通过Socket发送语音数据包与家庭网关进行数据交互，家庭网关分析数据包指令是属于查询请求还是控制请求，家庭网关接收到请求之后分析数据包指令之后将请求发送到ZigBee协调器，ZigBee协调器转发到ZigBee终端节点。请求命令执行完毕之后，将请求命令的执行或查询的结果返回到便携式前端语音设备。

2.1.2 语音识别模块

在建立传输时，配置DTU的IP地址和端口号，通过串口将DTU与便携式语音模块相连。启动DTU后首先注册到移动运营商的网络，通过建立SOCKET请求包发送给移动运营商，最后将请求发送到Internet。服务器端接收到请求后建立连接，返回应答信息[7]。

  

图6 网关服务程序框架

3.4 ZigBee协调器

协调器在终端设备和家庭网关的通信中有重要作用。建立和维护网络、与网关的串口进行通信、与终端设备进行无线通信、设置外出调温模式以及控制终端节点上的电器设备。当与终端设备进行通信时，协调器需要对无线数据接收缓冲区监听，然后将从终端设备接收到的数据通过串口透明传输的方式转发给网关。当与网关串口通信时，协调器需要对串口数据接收缓冲区进行监听，然后将用户在客户端发送的命令通过ZigBee转发给终端设备。图7为ZigBee协调器工作流程。

在家庭网关上完成Bootloader移植，linux内核移植与编译，制作根文件系统并且搭建交叉编译环境，采用USB无线网卡与Internet实现互联，通过由S3C6410主控制器的串口连接到ZigBee协调器实现与家庭内部的ZigBee网络数据通信、数据响应，并处理和发送控制命令。

  

图7 ZigBee协调器工作流程

3.5 ZigBee终端节点

系统采用STC10L08XE芯片作为便携式语音前端系统的MCU，它的指令代码兼容传统8051单片机，SRAM为512 K，片内RAM为8 K；速度比传统的快8～12倍，具有EEPROM[5]功能，它是宏晶科技公司生产的机器周期为1T的单片机。

门一打开，汤翠的衣衫不整就呈现在哑巴眼里。实际上，汤翠何止是衣衫不整，基本上等于敞着怀。哑巴来之前，汤翠已经折腾得香汗淋漓，早把外衣解开了，里面只剩胸罩。外面的阳光毫无遮拦地照进来，汤翠才意识到自己的窘态。

3.6 网关与协调器交互的通信协议

系统描述当新的网络节点设备启动并入网后，协调器如何提供必要的信息给网关，网关需要存储这些必要的信息，并告知语音终端有新设备加入，系统结构框架如图9所示。

(1)初始化握手，智能网关发送“自检命令”给协调器，并等待协调器回应,若无回应，则30 s内重发3次，若都无回应，则协调器故障；

  

图8 ZigBee终端设备工作流程

  

图9 智能网关与协调器交互框架

(2)节点设备上电启动，并探测入网；

该模块采用语音识别ASR[6]技术，使用的是非特定人语音识别技术。它的原理是通过数学模型进行建模，将使用者的语音数据通过频谱转换为语音特征提取出来，然后通过关键词列表逐一匹配，通过概率匹配最优的结果。LD3320的上限可以匹配出4种结果，分别是最优匹配结果、候选结果1、候选结果2、候选结果3。通常情况下选取最优结果，但实际情况下需要将4种结果进行比对，最终选取出现次数最多的结果。

(4)协调器收到节点的基本配置信息或采集信息后，将收到的数据帧透明转发给智能网关；

为什么会选择做Pét-Nat？“本来就想要做点不一样的酒。其次在自然酒的世界里Pét-Nat很常见，也喝过很多。再则，上半年去了奥地利，红白混酿不仅不是禁忌，似乎完全都不叫问题。于是就做了这款贵人香和品丽珠的Pét-Nat。实际过程里有很多随性的部分，并没有很有计划性。但这样又未尝不可呢？”戴鸿靖说道。

(5)协调器可发控制命令给节点。

中国古典传说记载，在玉帝下旨挑选十二种动物设置属相时，犬用低调正直赢得众多赞赏，最终成功位列属相。从古至今，纵使再桀骜不驯锋芒显露，忠实低调也已成为它们身上为人称赞的烙印。

3.6.1 节点类型

无线模块组网的过程中，一个节点代表一个无线模块。无线模块都有唯一标识的8个字节的MAC地址[8]。而模块进行通信寻址时，可以使用2字节的逻辑短地址。便携式语音智能家居系统是由一个ZigBee协调器节点和多个ZigBee终端节点组成。ZigBee协调器节点与主控制器采用串口通信，ZigBee终端节点嵌入到每个终端设备里，其中包括ZigBee智能开关、ZigBee环境监测仪、ZigBee开窗器等。当所有节点上电后进行组网，ZigBee协调器广播之后就可以将终端节点设备加入进来，然后进行查询和控制节点。

3.6.2 串口帧格式

便携式语音智能家居系统的网关模块与ZigBee协调器采用串口通信，采用自定义的通信协议，数据帧是由5部分组成，分别是帧头、帧长、数据、校验和、帧尾。本系统将帧头定义为0x2A，帧尾定义为0x23，校验和占一个字节，将有效数据相加取余，帧长为数据的有效长度。

(6)环境重建指标。环境重建指标是绿色矿山建设中不可忽略的评价指标，环境重建指标中要求企业在矿山开采过程中制定合理的环境管理方案，以防企业再走先污染后治理的老路。根据相关规定，环境重建指标所占的费用应占到矿山企业年销售额的2%以上。

采用以下的帧格式，见表1。

 

表1 帧格式

  

HeaderPayLoadFCS(Check)Footer1Byte3～256Bytes1Byte1Byte

4 系统测试与实现

通过测试，本系统采用以下两种方式来触发便携式语音系统。一是直接触发模式，这种识别方式一直处于识别状态，但不适合在周围有杂声或有人说话的环境。另一种是口令触发模式，这种识别方式是根据操作者说出正确的口令才会做出响应。两种识别方式通过实验结果发现口令触发方式误识别率低，稳定性好。

通过对便携式语音前端的识别率做出相关实验，在0 m～10 m的范围内，每隔1 m对语音前端设备发出50次控制命令。最终通过实验得出，将麦克风灵敏度调整为18、麦克风增益调整为21，通过图10可以看出本系统的便携式语音前端的控制有效性[10]在0 m～5 m时语音识别率很高。

  

图10 语音识别率

便携式语音前端设备通过GPRS将指令发送给智能网关后，进行智能网关与终端设备的信号强度的通信测试。终端节点都是在室内的环境下进行的，这里测试的距离为15 m以内，分别以客厅、卧室、厨房等作为测试地点。图11 是信号强度的测试结果，其中10 m以上的测试为穿墙的测试结果。通过实际测试之后发现，在没有穿墙的情况下，智能网关与终端节点的信号强度非常稳定，在穿墙的情况下信号强度比较弱，但在室内的信号传输还是相对可靠的。

  

图11 信号强度测试结果

5 结束语

系统设计并实现了智能语音远程控制智能家居系统，功能较完善，人机语音交互，可实现语音识别，远程控制智能家居的所有终端节点。针对语音识别芯片解决了外部存储器数据修改困难的问题，并配合主控制器，使数据传输更加快捷、稳定和可靠，方便了操作者调试、修改和使用，提高了操作者的体验感，使用GPRS远程传输，解决了语音远程控制智能家居系统，区别于传统单一的控制方式。从测试和使用情况上看，该系统运行稳定，适合应用在智能家居以及相关行业中，具有广泛的应用价值和前景。

参考文献：

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