CN106054648A - 一种超声波移动定位与非特定人声语音识别结合的智能家居控制系统 - Google Patents

一种超声波移动定位与非特定人声语音识别结合的智能家居控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超声波移动定位与非特定人声语音识别结合的智能家居控制系统，包括无线通讯模块、分离式超声波传感器、温度传感器、控制器、非特定人声语音识别模块和电器。本发明的有益效果是：使用分离式的超声波模块对移动目标测距并根据实时温度信息对测距公式进行校正，可以较好地满足在智能家居控制中的需要；实现了实时监控目标位置并反馈给系统，并以此作为控制信息，建立平面模型，主动地对家居电器进行控制为用户提供实时智能的服务；利用非特定人声语音识别原理，将用户的主动语音控制与系统自主的智能控制相结合，提升系统的智能化体验；使用NRF24L01无线模块实现了一对多的准实时通讯，满足了系统对于实时性的要求。

Description

一种超声波移动定位与非特定人声语音识别结合的智能家居 控制系统
技术领域
本发明涉及一种超声波移动定位与非特定人声语音识别结合的智能家居控制系统。
背景技术
随着计算机技术、网络技术、控制技术及人工智能等的飞跃发展，智能化社会已成为新世纪的发展趋势。在此之下，智能家居也随之迅猛发展起来。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，同时能够提供信息交互，智能控制功能，使得人们能够实时查看家居信息和控制家居的相关设备，使得家居生活更加安全、舒适。
目前各种各样的智能家居实现方案众多，其大多是基于物联网来实现智能家电的互联，再通过智能终端来实现统一控制，这种方式确实大大提升了日常生活的便捷性，但是这种方案还是只能让各个被控对象被动地接受控制，不能主动地为用户提供实时，准确，舒适的服务。
与本发明相关的现有技术一——分离式超声波测距
现有技术一的技术方案
此技术使用超声波发射器发出超声波，超声波不经反射直接被接收器接受，通过转换得到从发射到接受的时间差，根据此时间差Δt和声音在空气中的传播速度就可以计算出发射器到接收器的距离S＝V*Δt。再根据两次三角形定位法求出主体的位置坐标。另外还可以使用红外线作为时标，即主体向接受点发送红外线，接收点在接收到红外线后开始计时，这样可以提升计时的准确性。
现有技术一的缺点
超声波在空气中传播的速度受温度影响较大；使用红外线作为时标，发射与接收端之间的角度过大时不能很好地实现同步功能；红外线的接收容易受到环境中相近波段光线的影响。
与本发明相关的现有技术二——非特定人声语音识别
现有技术二的技术方案
此技术是使用ICRoute的LD3320芯片来实现的，LD3320是一颗基于非特定人语音识别(SI-ASR，Speaker Independent Automatic Speech Recognition)技术的语音识别/声控芯片。设计外围电路，通过MCU对芯片的各寄存器的操作，以中断或查询的方式，对待识别的中文短语进行频谱分析并与词库对比，得出正确的结果并转换成串口信号。
现有技术二的缺点
语音的输入容易受到环境中的噪音影响；中文中存在大量同音近音词语，容易误识别。
与本发明相关的现有技术三——无线传输模块NRF24L01
现有技术三的技术方案
NRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片，输出功率、频道选择协议、通讯地址、传输速率和数据包长度的设置可以通过SPI接口进行设置。几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。
试想一下，在将来，当你下班回家，无需做其他事情，只要对着你的智能终端(手机，手表等)说出：“我回来了”就可以启动属于你的智能家居系统，它会实时追踪你的位置，并且根据你的位置为你打开相应地方的灯，根据温度湿度等条件打开风扇并控制风扇以合适的风力直接吹向你，等等这些过程中都不需要你来发送任何指令或者手动调节，当然你也可以通过智能终端来加以控制。
本发明正是基于这一美好的设想，以嵌入式芯片，飞思卡尔公司MK60DN512VLL10(以下简称K60)为核心，以STC89C52单片机作为从芯片，使用NRF24L01无线模块来通讯，设计了一种智能家居系统。通过提取室内环境的位置特征，建立室内环境的平面模型，即建立一个平面的直角坐标系，将各位置特征转换成坐标信息，再将模型坐标信息输入系统备用。然后利用分离式的超声波测距技术，对移动的目标进行多点的实时测距，再将测得的距离信息利用算法计算出目标的实时坐标值，这样，根据所建立平面模型，目标位置，环境信息，以及输入的语音控制信号，就可以利用无线模块对各种家用电器进行实时的，人性化的控制，提升用户的体验。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：基于上述问题，本发明提供一种超声波移动定位与非特定人声语音识别结合的智能家居控制系统，根据所建立平面模型，目标位置，环境信息，以及输入的语音控制信号，就可以利用无线模块对各种家用电器进行实时的，人性化的控制，提升用户的体验。
本发明解决其技术问题所采用的一个技术方案是：一种超声波移动定位与非特定人声语音识别结合的智能家居控制系统，包括无线通讯模块、分离式超声波传感器、温度传感器、控制器、非特定人声语音识别模块和电器，其中，
无线通讯模块：提取室内环境的位置特征，建立室内环境的平面模型，将各位置特征转换成模型坐标信息；
分离式超声波传感器：利用分离式的超声波测距技术，对移动的目标进行多点的实时测距，再将测得的距离信息利用算法计算出目标的实时坐标值；
温度传感器：采集目标的温度信息；
控制器：模型坐标信息输入控制器，实时坐标值和温度信息反馈给控制器，控制器将实时坐标值和温度信息转换成目标在模型坐标中的实时位置信息，并实时控制电器的运行；
非特定人声语音识别模块：采集用户的语音指令，采用中断的方式，经过频谱分析提取特征值，与事先输入的词库对比并进行值分析，输出识别码，控制器对识别的结果采取相应的操作。
进一步地，控制器以一片嵌入式芯片MK60DN512VLL10为核心，若干片STC89C52单片机为从芯片。
进一步地，无线通讯模块为NRF24L01无线模块。
进一步地，温度传感器为DS18B20。
进一步地，非特定人声语音识别模块采取两级指令的形式；根据模块中LD3320的识别特性，添加合适的相似关键词；设置多条指令对应同一条识别码。
本发明的有益效果是：(1)使用分离式的超声波模块对移动目标测距并根据实时温度信息对测距公式进行校正，最终测距的误差控制在了1cm左右，可以较好地满足在智能家居控制中的需要；(2)实现了实时监控目标位置并反馈给系统，并以此作为控制信息，建立平面模型，主动地对家居电器进行控制为用户提供实时智能的服务，做到了“灯随人动”，“风随人动”的效果，并且根据这一原理还可以继续进行拓展，对其他可控对象进行智能控制(空调，自动门等等)，具有良好的可拓展性；(3)利用非特定人声语音识别原理，将用户的主动语音控制与系统自主的智能控制相结合，提升系统的智能化体验；(4)使用NRF24L01无线模块实现了一对多的准实时通讯，满足了系统对于实时性的要求，较好的实现了主机与个从机之间的集散型无线控制。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是本发明的家居户型的平面建模示意图；
其中：1.分离式超声波传感器，2.风扇，3.目标对象，4.LED灯；
图2是风扇与目标夹角计算示意图；
图3是三角形定位法示意图；
图4是空间中确定平面坐标示意图；
图5是语音识别流程图；
图6是智能家居控制系统的程序流程图。
具体实施方式
现在结合具体实施例对本发明作进一步说明，以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。
一、硬件部分
硬件部分的控制核心主要由1片K60(主)、若干片STC89C52(从)组成，外围有分离式超声波测距模块、NRF24L01无线通讯模块、温度传感器DS18B20、非特定人声语音识别模块、电源电路、驱动电路以及被控制的器件继电器、风扇、LED灯组成。
(1)根据用户提供户型图，在室内各区域放置一块STC89C52作为本区域的控制核心，且每块芯片配备有一个NRF24L01模块以便与主芯片通讯，再在合适位置放置好主芯片K60；
(2)在室内各个区域关键地点放置分离式超声波传感器的接收端，一个区域需要放置3个，一般统一放置在区域的三个上墙角，如图1示，其信号输出端接到K60的一个IO口，在移动端设置两个分离式超声波的发射端(设置两个是为了增大发射角)；
(3)在各区域放置温度传感器DS18B20，其输出端接到各区域单片机的一个IO口；
(4)在合适区域(比如客厅)固定位置放置一个风扇，风扇的转向以及转速由K60输出的PWM波控制；
(5)将各区域的LED灯或其他被控器件通过继电器连接到各89C52单片机上；
(6)设计简单的电源电路，并通过继电器为上述器件供电，以达到软件控制的目的。
二、软件部分
软件部分主要是根据采集到的传感器信息以及事先人工输入系统的信息，通过C语言编程，对各输入信号进行加工处理，利用算法得到有用的信息并通过无线通讯模块对控制对象加以控制的过程。
(1)根据用户提供的实际户型图建立平面坐标系，标出其中关键点的坐标，并输入到程序中备用，图1为一个简单的示意图(单位为cm)；
(2)按照户型图中各功能区域在坐标系中确定各区域的区间，并设置标志位，比如设横纵坐标分别为为x和y，那么当0＜x＜400,0＜y＜500时是在客厅，410＜x＜1000,0＜y＜500时是在卧室，以此类推可以得到各个区域的坐标范围，其中应考虑到了墙的厚度并予以补偿；
(3)由非特定人声语音识别模块采集用户的语音指令，采用中断的方式，经过频谱分析提取特征值，与事先输入的词库对比并进行值分析，会根据相似度得到几个候选结果的得分，其中得分最高的就是最可能正确的答案，并输出识别码，对识别的结果采取相应的操作，并将其IO口与继电器的输入相连作控制用，这样就可以基本实现对整个系统的智能中文语音控制；
(4)判断(3)中接收到的指令，若识别到“启动系统”的指令，则从(5)开始执行后续程序，否则继续等待指令输入；
(5)由采集到的实时的分离式超声波测距模块信号以及DS18B20采集到的温度信息，通过算法剔除粗大误差，滤波，修正后根据超声波测距原理转换成距离信息，再用两次三角形定位法将距离信息转换成目标在坐标系中的实时位置信息；
(6)把目标所在实时位置坐标与(2)中划分好的区域坐标范围做比较，并将相应标志位置位，说明目标此时所在区域。若此时得到“开灯”的语音指令，系统将会打开目标所在区域的LED灯，而其他区域的LED灯则会保持关闭状态。当目标从一个区域移动到另一个区域时，相应的各区域LED灯也随着目标移动合适地亮灭，这样就做到了“灯随人动”的效果；
(7)若得到“开风扇”指令，并且目标此时位置位于图1中的客厅，则根据风扇所在位置(假设为[x1,y1])与目标位置(假设为[x,y])，按照公式计算出风扇与目标的夹角θ，并以θ作为偏差(error)，采用离散的位置式PID(一般只采取PD控制就可以满足要求)，其基本表达式为：
u ( k ) = K p e ( k ) + K i Σ j = 0 k e ( j ) + K d [ e ( k ) - e ( k - 1 ) ]
式中：
T为采样时间,Ti为积分时间,Td为微分时间
这样，计算出占空比并输出来控制风扇舵机转向，使风向能够始终对准目标，做到了“风随人动”。同时，根据实时温度以及设定值同样采取位置式PID对转速加以控制。若目标离开风扇所在区域，程序将控制风扇停止动作，当目标重新回来则风扇也重新开始动作，以达到省电的目的；
(8)除了完成上述电灯以及风扇的智能控制外，还可以实现其他控制效果，比如通过坐标计算来控制门在有人接近时自动打开，实现自动门；根据温度信息设置温控系统和烟雾报警系统等等，具有很好的可拓展性；
(9)程序按照此流程以一定时间周期性地运行，期间程序既能自主控制整个系统，也随时接收来自目标的语音控制指令，且其具有最高的优先级，这样自动控制与语音控制相结合，大大提升了系统的智能化程度以及用户的实际体验。
三、智能家居控制系统的程序流程图见图6，具体操作过程如下：
(1)分离式超声波测距并定位
首先根据该模块的用户手册可以知道，发射红外线作为时标的同时，发送模块按照50Hz的频率发送声波，接收模块正常接收到信号时，会输出50Hz的脉冲，脉冲宽度表示超声波在空气中传播的时间Δt，这样可以通过K60的输入捕捉功能以及定时器，以中断方式读取脉冲宽度间接地得到Δt。考虑到超声波在空气中的传播速度受温度影响较大，必须进行补偿，在胡延苏等人的超声波测距误差分析及校正研究一文中提出在工业测量中，一般采用下式计算声速，即：
V＝331.4+0.61*T
式中T为检测到的环境温度。
另外，经过实际测试，测量的距离与实际距离之间存在一个大致固定的误差，这里考虑的误差主要是软硬件上延时带来的绝对误差，考虑到超声波测距的精度及系统精度要求，得到一个修正后的距离公式：
S＝(331.4+0.61*T)*Δt+4
这样就可以计算出目标与超声波接收端的距离，精度大约在1cm，一路超声波测距部分代码如下：
然后，根据测得的目标到区域内两个点的距离，又这两点与目标的相对方向是确定的，就可以根据三角形定位的原理计算得到目标的一项坐标值(x或者y)，有三角形定位示意图如图3示，其中，x2+y2＝L1 2，x2+(AB-y)2＝L2 2。
根据这一原理，考虑到智能终端的高度可能是变化的，就需要使用两个三角形定位来实现在空间中确定二位坐标(x,y)，示意图如图4示。
这样就可以得到平面位置坐标的公式：
在ΔOAB中求得，
在ΔOBC中求得，
这样就可以唯一确定目标的平面二位坐标(x,y)。
考虑到实际中人移动的连续性，在程序中采取记录多点之前时刻的目标位置，计算连续几点之间斜率作为目标移动方向的参考，再以此设置阈值限制下次测量时目标的位置，这样能够很大程度上剔除了种种原因出现的粗大误差。当然，为了防止程序陷入死循环，还设置了看门狗，当目标位置长时间不发生变化时，跳过上述程序，直接刷新一次位置。
当目标由一个区域进入另外一个区域时，要完成对接收不同区域接收模块数据的转换，这实际上也很好解决，本发明采取的方案是，记录实际室内连接各区域门位置，当目标由区域A接近(到达)一道门时，启动对另一区域B的接收模块的数据采集，关闭区域A的数据采集，反之同样可行，只要设置好临界坐标值就能达到较好的效果。
最后，根据实际测试的结果，得到了几点能够提升测距可靠性的方法：
a.在发送端(手持端)以一定角度放置两到三个发送模块，这样能都大大加大超声波的发射角度，杜绝死角的存在。
b.各个发送模块之间要以不透光的材料隔开，防止红外线之间的干扰。
(2)非特定人声语音识别以及提高识别率的方法
首先通过MCU将关键词语列表以拼音串的形式写入到LD3320，上电工作后，LD3320对通过Mic输入的词语(关键词语列表)进行频谱分析，提取声音特征，然后对提取的声音特征和关键词语列表特征(内置模板)作匹配，找出得分最高的关键词语，并将识别结果发送给MCU，其流程图见图5。
程序中，输入待识别指令的中文拼音以及识别码，当模块接收到音频信号时，进入到中断处理函数进行识别，读取内部寄存器返回识别码，根据返回的识别码执行相应的操作。
为了提升语音识别的识别率，做了以下努力：
a.采取两级指令的形式，即必须先说出特定的一级指令(如“智能家居”)才能继续识别具体的动作指令(如“开灯”)，这样大大提升了语音输入的抗干扰能力。
b.根据LD3320的识别特性，添加合适的“相似关键词”，比如要识别的是“启动系统”这一指令，那么可以设置关键词“系统”，当识别到这一相似关键词时不执行任何操作，这样就吸收了错误的识别，降低了误识别率。
c.设置多条指令对应同一条识别码，这样在说出几条意思相同的指令时能执行同一个操作，提升了用户的体验。
设置关键字及识别码部分代码如下：
uint8code pCode[DATE_A]＝{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16}；
通过以上努力，本非特定人声语音识别模块的识别率达到了90％以上。
(3)NRF24L01的一对多通讯
NRF24L01具有体积小，数据传输速率高，采用4线SPI通讯协议，适合与各种单片机连接，编程简单等特点，且具有126个通讯通道，6个数据通道，能够满足本发明对多点通讯的需要。本发明中设置了一个主机，若干个从机，即要实现一对多的通讯。要实现2个NRF24L01通讯需要使4个条件相同：发射接收数据宽度相同(最大为32个字节)；发射接收地址相同(5个8位的地址)；发射接收频道相同(0～125)；发射接收速率相同。而一对多通讯一般有两种方式，一种是修改为不同的频道，一种是修改为不同的地址，也可以修改为不同的频道+不同的地址，本发明选择修改为不同频道。在程序中设置从机的频道分别为0，10，20以此类推(这样不设置连续频道的目的是为了防止出现干扰)，主机的频道则需要根据实时通讯的对象而动态地变化，也就是说一对多其实不是同时通讯的而是采用轮询的方式，但是考虑到完成一次通讯只需要几毫秒且系统对于实时性的要求不是特别高，这种方法还是可以达到较为理想的效果的。部分初始化代码如下：
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种超声波移动定位与非特定人声语音识别结合的智能家居控制系统，其特征是：包括无线通讯模块、分离式超声波传感器、温度传感器、控制器、非特定人声语音识别模块和电器，其中，
无线通讯模块：提取室内环境的位置特征，建立室内环境的平面模型，将各位置特征转换成模型坐标信息；
分离式超声波传感器：利用分离式的超声波测距技术，对移动的目标进行多点的实时测距，再将测得的距离信息利用算法计算出目标的实时坐标值；
温度传感器：采集目标的温度信息；
控制器：模型坐标信息输入控制器，实时坐标值和温度信息反馈给控制器，控制器将实时坐标值和温度信息转换成目标在模型坐标中的实时位置信息，并实时控制电器的运行；
非特定人声语音识别模块：采集用户的语音指令，采用中断的方式，经过频谱分析提取特征值，与事先输入的词库对比并进行值分析，输出识别码，控制器对识别的结果采取相应的操作。
2.根据权利要求1所述的一种超声波移动定位与非特定人声语音识别结合的智能家居控制系统，其特征是：所述的控制器以一片嵌入式芯片MK60DN512VLL10为核心，若干片STC89C52单片机为从芯片。
3.根据权利要求1所述的一种超声波移动定位与非特定人声语音识别结合的智能家居控制系统，其特征是：所述的无线通讯模块为NRF24L01无线模块。
4.根据权利要求1所述的一种超声波移动定位与非特定人声语音识别结合的智能家居控制系统，其特征是：所述的温度传感器为DS18B20。
5.根据权利要求1所述的一种超声波移动定位与非特定人声语音识别结合的智能家居控制系统，其特征是：所述的非特定人声语音识别模块采取两级指令的形式；根据模块中LD3320的识别特性，添加合适的相似关键词；设置多条指令对应同一条识别码。
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