CN101452290A - 基于语音识别和无线传感网的智能家电控制系统 - Google Patents

Abstract

基于语音识别技术和无线传感网的智能家电控制系统，其特征是所述系统组成包括语音识别模块和基于Zigbee网络的无线传输模块；语音识别模块具有与PC机相连的无线音频输入设备和语音识别单元，通过音频输入设备接收使用者音频输入数据；在语音识别单元中对使用者的音频输入数据进行处理，并将其转换成相应的控制指令；无线传输模块采用Zigbee通讯协议，包括串口通信电路、网络协调器、各子节点及工作状态转换电路；来自使用者的控制指令经串口通信电路的数据处理，用于控制各子节点相应工作状态；网络中各子节点的数据信息在PC机中显示。本发明工作安全可靠、安装便利、使用简单方便、系统功耗低，实现了家电控制的智能化。

Description

基于语音识别和无线传感网的智能家电控制系统

技术领域

本发明涉及家电控制系统，更具体地说是一种智能家电控制系统。

背景技术

当前，对于家用电器的常规控制方式主要是通过手工操作实现，使用者通过安装在不同位置的开关来控制家电的通与断。但是，对于一些行动不便的老人和瘫痪病人以及一些不方便手工操作的特定场合，这种控制方式就存在着使用不方便甚至无法使用的情况。另一方面，家用电器的常规控制方式需要为不同功能的开关单独布线，复杂的布线方式和大量开关的使用都是易导致事故发生的主要因素，从而增加了家庭安全隐患。

随着语音识别技术的不断成熟，语音识别正逐步成为信息技术中人机接口的关键技术，语音识别能使人们摆脱传统的控制方式，通过识别器把语音信号转变为相应的控制命令。语音技术的应用已经成为一个具有竞争性的新兴高技术产业。同时，无线传感器网络作为一种以数据为中心的自组织新型网络，具有自组织和自调整等特点。Zigbee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其PHY层和MAC层协议基于IEEE802.15.4协议标准，该标准把低能耗、低成本作为重要目标，从而使得无线传感技术应用越来越广泛。

虽然语音识别技术与无线传感技术在现实生活中各自具有无可比拟的优势，然而，迄今为止，将两种技术结合起来并服务于人们生活的智能家电控制系统尚无能够达到实用程度的相关报导。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种工作安全可靠、使用简单方便的基于语音识别技术和无线传感网的智能家电控制系统，实现家电控制的控制智能化。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于语音识别技术和无线传感网的智能家电控制系统的结构特点是系统组成包括语音识别模块、基于Zigbee网络的无线传输模块；

所述语音识别模块具有与PC机相连的无线音频输入设备和语音识别单元，通过音频输入设备接收使用者的音频输入数据；在所述语音识别单元中通过动态时间规整的方法，对使用者的音频输入数据进行处理，并将其转换成相应的控制指令；

所述无线传输模块采用Zigbee通讯协议，包括串口通信电路、网络协调器、各子节点及工作状态转换电路；来自使用者的控制指令经所述串口通信电路的数据处理，用于控制各子节点相应的工作状态；网络中各子节点的数据信息，通过串口通信电路在PC机中显示。

本发明基于语音识别技术和无线传感网的智能家电控制系统的结构特点也在于：

所述串口通信电路由MAX232及外围电路组成，PC机通过串口通信电路向网络协调器发送控制命令，串口通信电路接收网络信息及各子节点反馈的状态转换信息；

所述网络协调器由CC2430及外围电路组成，在PC机串口通信电路和与各子节点之间建立连接；

所述各子节点由CC2430及外围电路组成，接收自来网络协调器的控制命令，产生工作状态转换电路的控制信号；

所述工作状态转换电路是以继电器为执行器件，继电器触点串联设置在被控电器的电源回路中。

本发明控制方式按如下步骤进行：

通过音频输入设备接收使用者的音频输入数据；

通过语音识别单元对使用者的音频输入数据进行处理，将其转换成相应的控制指令；

组建Zigbee网络，并收集网络中的数据信息，通过串口将信息送至PC机显示；

通过Zigbee网络，使用控制指令控制相应电子设备工作状态。

与现有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明使用范围广

通过语音识别来控制无线传感网中各子节点工作状态，使得系统具有较强的灵活性。不仅适用于家庭生活中，在一些不便于手动控制的特殊场合下，比如矿井、营救手术、航天器、水下等条件苛刻或狭窄的环境中都可以使用。

2、本发明控制智能化

语音识别技术的使用，使得系统具有较高的智能化。当使用者说出命令词时，系统将自动对控制命令进行识别，并将识别结果发送出去，近而控制家电设备的工作状态，期间不再需要使用者再次干涉。

3、本发明安装便利

Zigbee技术是专门针对无线传感网络开发的一种短距离、低功耗和低速率的无线接入技术。本发明利用Zigbee通讯协议建起较为实用的智能家电控制系统，与传统的家电控制系统相比，系统减少了现场布线所带来的麻烦，提高了系统的使用灵活性。

4、本发明使用简单方便

语音识别技术与无线传感网的结合使用，使得操作者只需说出相应的控制命令即可实现对家电的控制，基本实现了“傻瓜式”操作。

5、本发明可扩展性强

本发明所使用的无线网络，有着健壮的网络体系，其节点个数可以根据使用者需要进行增加与删除。控制对象也可以扩展至各种电子设备，极大地提高了系统的扩展性。

6、本发明低功耗

通过选用CC2430芯片，其体积小、功能全，需要的外围设备极少，芯片工作时的电流损耗为27mA，在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。另外CC2430从休眠模式到主动模式的转换时间非常短暂，从而延长了电池的使用寿命。一般两节标准5号电池可持续工作6个月至两年。

附图说明

图1为本发明的系统基本组成框图。

图2为本发明的节点工作状态转换电路原理图。

图3为本发明的语音识别原理框图。

图4为本发明的无线传输模块的流程图。

图5为本发明的语音命令实时检测的消息程序流程图。

图6为本发明的动态时间规整的方法DTW程序流程图。

图7为本发明的串口通信硬件电路设计原理图。

图8为本发明的CC2430串行口通信程序流程图。

图9为本发明的串行口通信软件程序流程图，其中a为主线程流程图；b为监控线程流程图。

以下通过具体实施方式，结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参见图1，本发明系统组成包括语音识别模块及无线传输模块：

语音识别模块包括无线麦克风和语音识别程序两部，用来实现对使用者控制命令的识别，其中：

无线麦克风与PC机相连，用于实现对语音数据的采集；

语音识别程序通过动态时间规整的方法，实现对使用控制命令的识别并将命令识别结果输出。

无线传输模块采用Zigbee技术，包括串口通信电路、网络协调器、各子节点及工作状态转换电路，用来接收RS-232串口传输来的控制命令，将数据进行处理后，用来控制各子节点相应的工作状态：

串口通信电路主要由MAX232及相关外围电路组成，不仅完成由PC机向网络协调器发送控制命令，而且还接收网络信息及各子节点反馈回来的状态转换信息，以便操作者进行及时命令更新；

具体实施中，无线全向式麦克风将语音信号送到PC机，PC机通过语音识别程序对该语音进行识别，识别的结果通过RS-232串口向网络协调器发送该指令。协调器接收到该指令后进行分析、判断，把不同的命令代码发送至相应的子节点来实现对家电的控制，近而实现智能声控家庭设备的要求。其中无线传输模块主要负责接收命令字符，并发送给各子节点，它主要由一个网络协调器和多个子节点组成。系统首先由网络协调器建立网络并给各子节点分配网络地址；当有语音命令时，PC将控制命令通过串行总线RS-232传递给网络协调器，网络协调器根据要求将命令发送给相应的子节点；子节点则根据接收到的命令来控制相应的电器。语音识别模块对麦克风所采集到的语音信号进行识别，它包含了主线程和语音识别线程，主线程完成系统初始化、录音参数设置和开启录音设备等；语音识别线程的主要任务是识别用户语音命令，并将识别结果通过RS-232串口送至网络协调器。

参见图2，工作状态转换电路主要由三极管T1，T2、继电器K1、二极管D1等相关电路组成，其目的是实现对外部受控对象工作状态的控制。其中三极管T1的基极接CC2430的P1.2口，三极管T2的发射极接到继电器线圈的一端，线圈的另一端接到+5V电源上；继电器线圈两端并接一个二极管IN4148，用于吸收释放继电器线圈断电时产生的反向电动势，防止反向电势击穿三极管T2及干扰其它电路；发光二极管LED组成一个继电器状态指示电路，当继电器吸合的时候，LED点亮，以实时显示继电器工作状态。

当CC2430的P1.2口输出低电平时，三极管T21、T2导通，+5V电源加到继电器线圈两端，继电器吸合，同时状态指示灯点亮，继电器常开触点吸合，220V电源接入电路，受控对象处于工作状态。当CC2430的P1.2口输出高电平时，三极管T21、T2截止，继电器线圈两端没有电位差，继电器衔铁释放，同时状态指示灯熄灭，断电器的常开触点释放，220V电源断开，受控对象停止工作。

参见图3，本实施例中的语音识别部分主要由三部分构成，包括预处理、特征值提取与识别。

其中，预处理主要用来对语音信号进行端点检测，预滤波，预加重，模数转换和去除一定的噪声等，由于语音信号属于短时平稳信号，一般认为在10-30ms内语音信号特性基本保持不变或者变化很缓慢，所以系统需要对原始的语音信号进行分帧与加窗处理，以实现将连续的语音信号转化为多段短时平稳信号；特征值提取目的是从语音波形文件中提取出随时间变化的语音特征序列，系统采用了线性预测倒谱参数(LPCC)作为其特征参数，为了提取LPCC参数，算法使用传统的自相关法求取相关系数，在此基础上由Lenvison-Durbin递推算法求取线性预测系数(LPC)，最后对其进行倒谱运算。；识别部分是使用DTW算法将输入语音的特征矢量时间序列依次与模块库中的每个模块进行相似度的比较，将相似度最高者作为识别结果输出。

参见图4，说明了本实施例中无线传输模块的流程图，包括网络协调器流程图和子节点流程图。系统采用了CC2430芯片，在单个芯片上整合了ZigBee射频前端、内存和微控制器。

基于本实施例系统的方法主要包括以下步骤：

1、通过音频输入设备接收使用者的音频输入数据；

具体实施中，系统采用SENNHEISER EW512G2全向型领夹式无线话筒。在对语音进行去噪之后，采用了WINDOWS系统提供的WAVEINAPI函数实现语音的采集。录音参数设置要求与语料库一致，即单声道、采样率16KHz，位率16bits。开始录音后，当有任一缓存录满数据时，WINDOWS会自动抛出OnMM_WIM_DATA消息，响应消息，处理函数完成相关操作后，立刻再通过调用waveInAddBuffer函数将缓冲区重新添加到录音设备上，这样就可以保证连续的语音采集，而不会发生中断。

图6显示了语音命令实时检测的消息程序流程图。系统开始运行后，循环录音，不断会有录音消息OnMM_WIM_DATA出现，每次响应OnMM_WIM_DATA消息后，进入消息处理函数，计算幅度和，若是小于之前设定的阈值，则认为没有有效的语音命令输入；反之，则认为采集到语音命令，连续保存5个buffer中约为3秒长度的数据，保证语音命令完全被记录，并停止录音。将这些保存的数据以WAVE格式写入文件，以便进行识别用。

保存语音命令完毕后，用AfxBeginThread函数启动语音识别线程，并通过postMessage函数实现与主线程的通信，完成状态显示等功能。

2、通过自动语音识别程序对用户的音频输入数据进行处理，将其转换成相应的指令；

具体实施中，语音识别采用动态时间规整的方法实现，程序流程图参见图7所示。

3、组建Zigbee网络，配置串口，收集网络中的数据信息，并通过串口将信息送至PC机显示；

(1)Zigbee网络的组建

在网络协调器端，首先初始化CC2430及协议栈并打开中断。然后程序开始格式化网络并建立一个新的网络。如果有子节点RFD加入网络，网络协调器就会给该RFD分配网络地址。将串口通信参数设置成波特率57600、8位数据位、无校验位和一个停止位1后，在显示器上就能观察到网络协调器的物理地址、新建网络的ID号、频道号及已加入网络的不同子节点的物理地址等信息。当网络组建成功后，系统需要对串口信息及空中的ZigBee信号进行不间断地扫描，检测是否有控制命令从串口发送给网络协调器。若没有命令，网络协调器断续检测空中的ZigBee信号；一旦发现来自串口的控制命令后，协调器就根据要求将该命令发送给相应的目的节点，以驱动相应的控制电路。

在RFD节点上，程序同样首先初始化CC2430，之后初始化协议栈并发送加入网络信号，等待网络协调器给自己分配网络地址。如果加入网络成功，RFD就监听有无控制信号，如果有就做出相应处理。

(2)串口通信设计

串口通信不仅需要完成由PC机向网络协调器发送控制命令，而且还必须接收网络信息及各子节点反馈回来的状态转换信息，以便操作者进行及时命令更新。串口设计主要包括硬件设计与软件设计两部分。

a、硬件设计

硬件电路的主要作用是：发送数据时，RS-232串口数据经过MAX232将电平转换为TTL电平，再通过CC2430无线发送。接收数据则是发送数据的逆过程，CC2430先接收到数据信号，然后经MAX232将TTL电平转换为RS-232的标准电平，再通过RS-232向上位机输入数据。硬件电路设计原理图如图7所示，CC2430串行口通信流程图如图8所示。

b、软件设计

其流程图如图9所示。软件部分的主要功能是对串行端口进行实时监控，这就要求它是一个后台程序，在监控的同时可以在前台对各子节点进行工作状态的控制操作。所以在实现时即要避免反复读端口的效率低下的轮询方式，又不能因为来不及处理而将突然到达的监测数据丢失，因此，只有采取端口中断的异步方式才能实现高效、安全的监控过程。只要一有数据到达端口，马上抛出中断请求，中断处理函数便会及时启动以处理到来的数据，从而避免了轮询间隙丢时数据的可能。为实现上述要求，系统通过下列技术来解决所遇到的关键性问题：一是采用多线程来避免在进行文件操作等耗时操作时会引发阻塞现象的发生。同时为了防止多个线程同时对同一个变量进行操作引起时序上的差错，为了保持线程的同步，还采取了临界区加解锁的技术；二是对端口的数据读取方式采取中断响应模式；三是使用了定时器，以满足实时监控类程序的实时显示功能，以便及时的将所接收到的动态数据及时的反映给使用者。串口通信参数设置为：波特率57600Bps，无校验，8数据位，1个停止位。

3、通过Zigbee网络，使用控制指令控制相应电子设备工作状态。

具体实施中，各子节点接收到网络协调器发送的控制命令，在相应的控制端口输出不同的控制电平。具体电路如图2所示。

Claims (2)

1、基于语音识别技术和无线传感网的智能家电控制系统，其特征是所述系统组成包括语音识别模块、基于Zigbee网络的无线传输模块；

所述语音识别模块具有与PC机相连的无线音频输入设备和语音识别单元，通过音频输入设备接收使用者的音频输入数据；在所述语音识别单元中通过动态时间规整的方法，对使用者的音频输入数据进行处理，并将其转换成相应的控制指令；

所述无线传输模块采用Zigbee通讯协议，包括串口通信电路、网络协调器、各子节点及工作状态转换电路；来自使用者的控制指令经所述串口通信电路的数据处理，用于控制各子节点相应的工作状态；网络中各子节点的数据信息，通过串口通信电路在PC机中显示。

2、根据权利要求1所述的基于语音识别技术和无线传感网的智能家电控制系统，其特征是：

所述串口通信电路由MAX232及外围电路组成，PC机通过串口通信电路向网络协调器发送控制命令，串口通信电路接收网络信息及各子节点反馈的状态转换信息；

所述网络协调器由CC2430及外围电路组成，在PC机串口通信电路和与各子节点之间建立连接；

所述各子节点由CC2430及外围电路组成，接收自来网络协调器的控制命令，产生工作状态转换电路的控制信号；

所述工作状态转换电路是以继电器为执行器件，继电器触点串联设置在被控电器的电源回路中。

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