CN105866741A - 基于声源定位的家居控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于声源定位的家居控制装置及方法，其装置包括声音拾取模块，所述声音拾取模块包括分别设置在室内不同位置的多个拾音器阵列，每个拾音器阵列包括多个拾音器，拾音器配置为采集来自一声源的声音信号；设置模块，配置为在一房间内设立一坐标系，并根据所述坐标系对各所述拾音器阵列的位置进行标定；处理模块，其连接到每个所述拾音器阵列，并配置为根据各所述拾音器采集到的声音信号计算所述声源相对于每个拾音器阵列的方向，并根据所述方向在所述坐标系中对声源位置进行确定；本发明的装置及方法，对室内人员位置进行准确定位，并根据定位位置控制室内不同房间内家电设备或电子设备更换工作状态，提升用户的使用体验，应用范围广。

Description

基于声源定位的家居控制装置及方法

技术领域

本发明涉及室内声源定位领域，尤其指一种基于声源定位的家居控制装置及方法。

背景技术

目前，随着技术的进步，智能家居控制逐渐进入人们的生活，智能家居技术涉及到诸多领域及不同的技术，其中，如何对室内人员的位置进行准确定位并根据室内人员的位置对家居电器进行控制是一个重要的研究方向，已知，现有的定位技术有很多，包括如卫星定位，红外线定位等，但上述定位技术多用于室外定位，一旦进入室内，由于室内格局的不同，以及墙体、家具等的干涉，定位精度不能保证，因此也无法准确定位室内人员的准确位置，更无法准确控制室内家居电器的工作状态，因此，如何准确定位室内人员位置并根据此对室内家居电器进行控制成为了亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于声源定位的家居控制装置及方法，对室内人员的位置进行准确定位，以解决室内人员定位困难的问题，同时可根据定位的位置控制对应的家电设备或电子设备启动、停止或更换工作状态，提升用户的使用体验。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于声源定位的家居控制装置，包括：

声音拾取模块，所述声音拾取模块包括分别设置在室内不同位置的多个拾音器阵列，每个拾音器阵列包括多个拾音器，所述拾音器配置为采集来自一声源的声音信号；

设置模块，配置为在一房间内设立一坐标系，并根据所述坐标系对各所述拾音器阵列的位置进行标定；

处理模块，其连接到每个所述拾音器阵列，并配置为根据各所述拾音器采集到的声音信号计算所述声源相对于每个拾音器阵列的方向，并根据所述方向在所述坐标系中对声源位置进行确定。

优选的，至少一个所述拾音器阵列包括Y型定位的三个拾音器，或者至少一个所述拾音器阵列包括X型定位的四个拾音器。

优选的，所述处理模块配置为根据每个所述拾音器阵列采集的声音信号计算所述声源朝向该拾音器阵列的波达方向，并根据各所述拾音器阵列对应的波达方向的交汇位置确定所述声源在所述坐标系中的位置。

优选的，所述处理模块具体配置为通过对所述拾音器阵列中每个拾音器采集的声音信号进行采样和空时处理确定该拾音器阵列中各个拾音器采集的声音信号之间的相位差，来确定所述该拾音器阵列对应的所述波达方向。

优选的，还包括：

存储模块，其配置为对应地存储有多个声源位置和与其对应的预设操作指令；以及

执行模块，其配置为根据所述处理模块确定的声源位置从所述存储模块取得对应的预设操作指令并执行；

所述预设操作指令包括控制室内家用电器启停的操作指令和/或控制移动电子设备的操作指令。

一种基于声源定位的家居控制方法，包括以下步骤：

步骤一：在室内不同位置设置多个拾音器阵列，每个拾音器阵列包括多个拾音器；

步骤二：在室内设立一坐标系，并根据所述坐标系对各所述拾音器阵列的位置进行标定；

步骤三：各所述拾音器阵列中的拾音器采集来自一声源的声音信号；

步骤四：根据各所述拾音器采集到的声音信号计算所述声源相对于每个拾音器阵列的方向，并根据所述方向在所述坐标系中对声源位置进行确定。

优选的，至少一个所述拾音器阵列包括Y型定位的三个拾音器，或者至少一个所述拾音器阵列包括X型定位的四个拾音器。

优选的，所述步骤四还包括：根据每个所述拾音器阵列采集的声音信号计算所述声源朝向该拾音器阵列的波达方向，并根据各所述拾音器阵列对应的波达方向的交汇位置确定所述声源在所述坐标系中的位置。

优选的，所述步骤四还包括：

通过对所述拾音器阵列中每个拾音器采集的声音信号进行采样和空时处理确定该拾音器阵列中各个拾音器采集的声音信号之间的相位差，来确定所述该拾音器阵列对应的所述波达方向。

优选的，还包括：

步骤五：预设并存储与多个声源位置对应的预设操作指令；

步骤六：根据所确定的声源位置取得与其对应的预设操作指令并执行，所述预设操作指令包括控制室内家用电器启停的操作指令和/或控制移动电子设备的操作指。

本发明相对于现有技术的有益效果在于：

本发明提供的基于声源定位的家居控制装置及方法，通过多个拾音器阵列对室内人员声音进行采样机处理，以对室内人员的位置进行准确定位，从而根据定位的位置控制室内不同房间内的家电设备或电子设备启动、停止或更换工作状态，提升用户的使用体验，应用范围广。

附图说明

图1为本发明的控制装置的一种实施例组成框图；

图2为本发明的控制装置的一种实施例结构示意图；

图3为本发明的控制装置的另一种实施例组成框图；

图4为本发明的控制方法的一种实施例流程框图；

图5为本发明的控制方法的另一种实施例流程框图；

图6为本发明的控制装置中的拾音器阵列中各拾音器的定位方式示意图；

图7为本发明的控制装置中的拾音器阵列中各拾音器的另一定位方式示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示装置结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

参照图1-图3所示，本实施例提供一种基于声源定位的家居控制装置,包括声音拾取模块10，设置模块20，处理模块30。

其中，所述声音拾取模块10包括分别设置在室内不同位置的多个拾音器阵列101，每个拾音器阵列101包括多个拾音器102，所述拾音器102配置为采集来自一声源M的声音信号；具体的，组成所述声音拾取模块10的各拾音器102分别与所述处理模块30连接以将采集到的声音信号输入至所述处理模块30。

所述设置模块20配置为在室内设立一坐标系(x,y)，并根据所述坐标系(x,y)对各所述拾音器阵列101的位置进行标定；具体的，所述设置模块20可根据室内的格局建立所述坐标系(x,y)，如在室内的一适当房间中建立所述坐标系(x,y)，然后测算每个所述拾音器阵列101在所述坐标系(x,y)中的坐标点，具体通过测算每个所述拾音器阵列101与所述坐标系(x,y)的X轴与Y轴的垂直距离，以得到每个所述拾音器阵列101在所述坐标系(x,y)中的坐标点。所述设置模块20将测算得到的每个所述拾音器阵列101在所述坐标系(x,y)中的坐标点数据输入至所述处理模块30以供所述处理模块30将其代入对应函数以确定声源M的位置。

进一步的，所述在室内设立的坐标系(x,y)，根据室内房间的格局划分区域，如根据室内房间位置及大小进行区域划分，从而分别确定所述拾音器阵列101位于哪个房间及位于哪个房间的什么位置。

需要说明的是，划分区域的方式可根据室内房间的格局的不同而变化，不仅限于上述实施例所列举的方式。

所述处理模块30连接到每个所述拾音器阵列101，其配置为根据各所述拾音器102采集到的声音信号计算所述声源M与每个拾音器阵列101的方向和距离，以此在所述坐标系(x,y)中对声源M的位置进行确定。

具体的，当室内的某一声源发出声音信号时，各所述拾音器阵列101采集声音信号并将采集到的数据输入至所述处理模块30，通过所述处理模块30计算以确定所述声源在室内的位置，所确定的位置具体为声源在室内某一房间的位置，通过确定声源在室内某一房间的位置，进而对该房间内的家居电器及电子设备进行智能控制，调整电器及电子设备的工作方式或者控制其启动、停止。

参照图6-图7所示，具体的，至少一个所述拾音器阵列101包括Y型定位的三个拾音器，或者至少一个所述拾音器阵列101包括X型定位的四个拾音器，具体的，所述拾音器102可设置在房间墙壁上的电源插座处，拾音器102的连接线路则可设置在墙体内，以增强美观度与整洁性，提高隐蔽性。

具体的，所述处理模块30配置为根据每个所述拾音器阵列101采集的声音信号计算所述声源M朝向该拾音器阵列101的波达方向F1、F2、F3，并根据各所述拾音器阵列101对应的波达方向F1、F2、F3的交汇位置确定所述声源M在所述坐标系(x,y)中的位置。

具体的，所述处理模块30具体配置为通过对所述拾音器阵列101中每个拾音器102采集的声音信号进行采样和空时处理确定该拾音器阵列101中各个拾音器102采集的声音信号之间的相位差，来确定所述声源与所述拾音器阵列101对应的所述波达方向F1、F2、F3，从而确定所述声源M在所述坐标系(x,y)中的位置。

本实施例中，由于声源M发出的声音信号到达每个拾音器阵列101中的各个拾音器102的时刻不同，因而不同位置的拾音器阵列101中的拾音器102采集到的声音信号会有不同的相位差，因此，对每个拾音器102采集的声音信号进行多次采样及空时处理，以计算出所述声源M距离各拾音器阵列101的波达方向F1、F2、F3，根据F1，F2，F3以及各拾音器阵列101在所述坐标系(x,y)中的位置坐标，可计算出声源M在房间中的坐标(A，B)，参照图2所示，从各拾音器阵列101在所述坐标系(x,y)的位置发出的箭头F1，F2，F3代表各拾音器阵列101与所述声源M之间的波达方向，三个箭头指向的交汇点即为所述声源M在所述坐标系(x，y)中的坐标(A，B)。

具体的，本发明可通过例如MUSIC算法计算所述声源M与各拾音器阵列101的波达方向F1、F2、F3，具体步骤如下：

根据各拾音器阵列101中各拾音器102接收的数据x_i(n)估计协方差矩阵

由各拾音器阵列101输出信号的采样值求协方差矩阵R的估计设阵列输出信号向量表示为X(n)＝[x₁(n),x₂(n),…,x_M(n)]^T，每次采样为一个快拍，设一次估计所用的快拍数为L，则共有L个数据向量X(n)，n＝1,2,…,L，于是：

$\hat{R}=\frac{1}{L}\underset{n=1}{\overset{L}{\Σ}}X\left(n\right)X^H\left(n\right)$

(2)对进行特征值分解，获得特征值λ_i和特征向量v_i(i＝1,2,…,M)；

(3)按照某种准则确定矩阵最小特征值的数目n_E，设这n_E个最小特征值分别为λ_K+1,λ_K+2,…,λ_M，则

${\mathrm{\σ}}^2=\frac{1}{n_E}({\mathrm{\λ}}_{K+1}+{\mathrm{\λ}}_{K+2}+...+{\mathrm{\λ}}_M)$

与之对应的特征向量为v_K+1,v_K+2,…,v_M,利用这些特征向量构造噪声特征向量矩阵E_N＝[v_K+1,v_K+2,…,v_M]；

(4)按照式(16)计算空间谱P_MUSIC(θ)，进行谱峰搜索，它的D个极大值所对应的θ就是信号源的方向：

$P_{MUSIC}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{a^H\left(\mathrm{\θ}\right)E_N{E}_N^{H}a\left(\mathrm{\θ}\right)}$

通过上述算法来确定所述声源与所述拾音器阵列101对应的所述波达方向F1、F2、F3，从而计算出声源M在房间中的坐标(A，B)。

优选的，本发明的基于声源定位的家居控制装置，还包括存储模块40，其配置为对应地存储有多个声源M位置和与其对应的预设操作指令；以及执行模块50，其配置为根据所述处理模块30确定的声源位置从所述存储模块40取得对应的预设操作指令并执行。

具体的，所述预设操作指令包括控制室内家用电器启停的操作指令和/或控制移动电子设备的操作指令。

需要说明的是，本发明的基于声源定位的家居控制装置所确定的声源M具体可以为室内人员的声源信息，该信息可预先输入并存储，并包括一识别机制，用于识别室内人员的身份，从而判断对室内家用电器采用何种操作指令。

具体的识别方法为通过将所述拾音器阵列101采集的音频信息与一预设音频信息进行对比，所述预设音频信息为一口令，具体可为某一字、词组或句子，在进行识别时，室内人员需要将此口令说出并被所述拾音器阵列101采集以用于同所述预设音频信息进行对比，具体在此不一一赘述。

本发明的基于声源定位的家居控制装置可应用于多个领域，如智能照明系统，能够探测人员活动范围和时间，优化照明控制，非人工干预。电器控制系统，能够识别室内人员，调整空调送风口温度，调整室内温度。家庭背景音乐，能够识别室内人员，自动推送喜好的歌曲音乐清单。家庭影院，能够识别室内人员，自动推送喜好的影视清单，并且对未成年人保护。防盗报警，能够识别出非法闯人员，自动报警求助。电锁门禁，能够探测人员出门活动，门禁自动上锁。运动健康检查，能够探测室内人员声音信息变化，提供健康预警服务。

进一步的，还可包括一学习机制，即所述拾音器阵列101对室内人员的音频信号进行采样的同时，记录该音频信号用于后期的对比及识别，以避免由于各种原因造成的口令识别不成功导致的问题。

本发明进一步提供一种基于声源定位的家居控制方法，包括以下步骤：

步骤一S1：在室内不同位置设置多个拾音器阵列，每个拾音器阵列包括多个拾音器；

步骤二S2：在室内设立一坐标系，并根据所述坐标系对各所述拾音器阵列的位置进行标定；

步骤三S3：各所述拾音器阵列中的拾音器采集来自一声源的声音信号；

步骤四S4：根据各所述拾音器采集到的声音信号计算所述声源相对于每个拾音器阵列的方向，并通过所述方向在所述坐标系中对声源位置进行确定。

具体的，上述步骤中，至少一个所述拾音器阵列包括Y型定位的三个拾音器，或者至少一个所述拾音器阵列包括X型定位的四个拾音器，如图6-7所示。

优选的，所述步骤四还包括：根据每个所述拾音器阵列采集的声音信号计算所述声源朝向该拾音器阵列的波达方向，并根据各所述拾音器阵列对应的波达方向的交汇位置确定所述声源在所述坐标系中的位置。

优选的，所述步骤四还包括：通过对所述拾音器阵列中每个拾音器采集的声音信号进行采样和空时处理确定该拾音器阵列中各个拾音器采集的声音信号之间的相位差，来确定所述该拾音器阵列对应的所述波达方向。

优选的，本发明的基于声源定位的家居控制方法，还包括：

步骤五S5：预设并存储与多个声源位置对应的预设操作指令；

步骤六S6：根据所确定的声源位置取得与其对应的预设操作指令并执行。

具体的，所述预设操作指令包括控制室内家用电器启停的操作指令和/或控制移动电子设备的操作指令。

通过上述方法，本发明得以确定室内人员在室内的位置，具体精确到在室内某一房间的某一位置，从而控制室内不同房间内的家用电器及电子设备的工作，以提供更好的用户体验。

本领域技术人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块及方法步骤，能够以硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。

这些功能究竟以硬件、软件方式或二者的结合来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中，也可通过网络传输至云端通过超算计算机等设备执行，以降低用户自身的花费。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于声源定位的家居控制装置,其特征在于,包括：

声音拾取模块，所述声音拾取模块包括分别设置在室内不同位置的多个拾音器阵列，每个拾音器阵列包括多个拾音器，所述拾音器配置为采集来自一声源的声音信号；

设置模块，配置为在一房间内设立一坐标系，并根据所述坐标系对各所述拾音器阵列的位置进行标定；

处理模块，其连接到每个所述拾音器阵列，并配置为根据各所述拾音器采集到的声音信号计算所述声源相对于每个拾音器阵列的方向，并根据所述方向在所述坐标系中对声源位置进行确定。

2.根据权利要求1所述的基于声源定位的家居控制装置，其特征在于，至少一个所述拾音器阵列包括Y型定位的三个拾音器，或者至少一个所述拾音器阵列包括X型定位的四个拾音器。

3.根据权利要求1所述的基于声源定位的家居控制装置，其特征在于，所述处理模块配置为根据每个所述拾音器阵列采集的声音信号计算所述声源朝向该拾音器阵列的波达方向，并根据各所述拾音器阵列对应的波达方向的交汇位置确定所述声源在所述坐标系中的位置。

4.根据权利要求3所述的基于声源定位的家居控制装置，其特征在于，所述处理模块具体配置为通过对所述拾音器阵列中每个拾音器采集的声音信号进行采样和空时处理确定该拾音器阵列中各个拾音器采集的声音信号之间的相位差，来确定所述该拾音器阵列对应的所述波达方向。

5.根据权利要求1至4中任一所述的基于声源定位的家居控制装置，其特征在于，还包括：

存储模块，其配置为对应地存储有多个声源位置和与其对应的预设操作指令；以及

执行模块，其配置为根据所述处理模块确定的声源位置从所述存储模块取得对应的预设操作指令并执行；

所述预设操作指令包括控制室内家用电器启停的操作指令和/或控制移动电子设备的操作指令。

6.一种基于声源定位的家居控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在室内不同位置设置多个拾音器阵列，每个拾音器阵列包括多个拾音器；

步骤二：在室内设立一坐标系，并根据所述坐标系对各所述拾音器阵列的位置进行标定；

步骤三：各所述拾音器阵列中的拾音器采集来自一声源的声音信号；

步骤四：根据各所述拾音器采集到的声音信号计算所述声源相对于每个拾音器阵列的方向，并根据所述方向在所述坐标系中对声源位置进行确定。

7.根据权利要求6所述的基于声源定位的家居控制方法，其特征在于，至少一个所述拾音器阵列包括Y型定位的三个拾音器，或者至少一个所述拾音器阵列包括X型定位的四个拾音器。

8.根据权利要求6所述的基于声源定位的家居控制方法，其特征在于，所述步骤四还包括：根据每个所述拾音器阵列采集的声音信号计算所述声源朝向该拾音器阵列的波达方向，并根据各所述拾音器阵列对应的波达方向的交汇位置确定所述声源在所述坐标系中的位置。

9.根据权利要求8所述的基于声源定位的家居控制方法，其特征在于，所述步骤四还包括：

通过对所述拾音器阵列中每个拾音器采集的声音信号进行采样和空时处理确定该拾音器阵列中各个拾音器采集的声音信号之间的相位差，来确定所述该拾音器阵列对应的所述波达方向。

10.根据权利要求6至9中任一所述的基于声源定位的家居控制方法，其特征在于，还包括：

步骤五：预设并存储与多个声源位置对应的预设操作指令；

步骤六：根据所确定的声源位置取得与其对应的预设操作指令并执行，所述预设操作指令包括控制室内家用电器启停的操作指令和/或控制移动电子设备的操作指令。