CN106707788B - 一种智能家居语音控制识别系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种智能家居语音控制识别系统，其特征在于，包括至少一个主控装置及至少一个入网产品，入网产品与一个主控装置进行自组网，形成包含距离信息的网络拓扑结构。本发明的另一个技术方案是提供了一种基于上述的智能家居语音控制系统的智能家居语音控制识别方法。本发明能够根据设备安装位置信息来优化语音识别算法，使智能家居系统在其应用场合中，实现“随说随控”，有效改善用户体验。
Description
技术领域
本发明涉及智能家居系统控制领域，主要应用于语音控制系统的用户声纹识别及控制信号判定。
背景技术
目前智能家居产品都具有基本的控制信号识别能力，但在语音控制方面就语音识别精度及远程控制的技术上却较为落后，造成用户只有通过近距离控制设备，无法做到在室内“随说随控”，导致用户体验不佳。
专利CN2016105091951提供了一种智能家居的厨房解决方案，实施案例仅可以对厨房内部的系统实施控制，由于未考虑参考采样设备所在的相对位置数据产生的对识别率产生的优化作用，在多个设备同时采样时会由于多个设备的采样重叠，后台数据分析阶段势必无法对人发出的指令做出正确判断(声音混叠)。相对的，产品也仅能对厨房内设备做出响应，不能对整个房间非厨用设备做出响应，有较大的局限性。专利CN2014103967469结合了现有组网设备之间的互相通信，但需要随身携带声音采集设备，造成用户使用不方便。
发明内容
本发明的目的是实现智能家居的“随说随控”，有效改善用户体验。
为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种智能家居语音控制识别系统，其特征在于，包括至少一个主控装置及至少一个入网产品，入网产品与一个主控装置进行自组网，形成包含距离信息的网络拓扑结构，其中：
主控装置包括用于捕捉用户发出的语音的拾音器或麦克风；
用于对拾音器或麦克风捕捉到的语音信号进行去噪、压缩的声音去噪压缩模块；
中央处理器，用于获取主控装置的声音去噪压缩模块的语音信息及各入网产品传输的语音数据，预估发出语音控制指令的用户的位置信息，根据位置信息对获得的语音信号进行多设备音频数据对齐，拟合，获取语音指令；
人机交互模块，用于预先录入用户的语音指令；
控制/采集分析单元，用于根据中央处理器获得语音指令控制对应的家居设备，或采集环境数据；
无线传输模块，用于在网络拓扑结构的各设备之间传输数据；
入网产品包括用于捕捉用户发出的语音的拾音器或麦克风；
用于对拾音器或麦克风捕捉到的语音信号进行去噪、压缩的声音去噪压缩模块；
处理运算模块，用于采集自身声音去噪压缩模块输出的语音信息，收集当前入网产品的入网产品数据，对语音信息按照预估计方法进行空间位置补偿，加快声音识别效率并有效初阶去噪，通过无线传输模块将数据上传至主控装置，并通过无线传输模块接收主控装置反馈的控制指令；
控制/采集分析单元，用于获得的控制指令控制对应的家居设备，或采集环境数据；
无线传输模块，用于在网络拓扑结构的各设备之间传输数据。
本发明的另一个技术方案是提供了一种基于上述的智能家居语音控制系统的智能家居语音控制识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、用户通过人机交互模块在主控装置中录入指定的控制指令语音信息；
第二步、入网产品与一个主控装置进行自组网，在自组网过程中，主控装置根据入网产品间及入网产品与主控装置间的信号衰减情况得到各个入网产品的相对位置信息，从而形成包含距离信息的网络拓扑结构；
第三步、用户在任意位置发出包含控制指令的语音信号，入网产品或主控装置的拾音器或麦克风捕捉到该语音信号后，通过声音去噪压缩模块对语音信号进行初阶(基础)去噪、压缩，保留语音信号中的人声段数据流形成语音信息，由当前入网产品的处理运算模块形成语音数据，通过无线传输模块发送给主控装置；
第四步、主控装置汇总各入网产品上传的语音数据及自身语音信息后，根据网络拓扑结构中各个入网产品的相对位置信息以及各语音数据中包含的音量信息预估发出语音信号的用户的位置，得到发声人位置信息；
第五步、主控装置根据发声人位置信息对多个语音数据进行多设备音频数据对齐，剔除回声，从而得到有效指令段；
第六步、主控装置的中央处理器将有效指令段与预先录入的控制指令语音信息进行声纹比对，从而获得控制指令，根据控制指令对应的家居设备，中央处理器或将控制指令发送给当前主控装置的控制/采集分析单元，由控制/采集分析单元根据控制指令控制对应的家居设备，或将控制指令通过无线传输模块发送给对应的入网产品，由入网产品的控制/采集分析单元根据控制指令控制对应的家居设备。
优选地，在所述第三步中，由当前入网产品的处理运算模块在语音信息上打上时间戳后形成语音数据；
在所述第四步中，主控装置将自身的语音信息打上时间戳后形成语音数据；
在所述第五步中，主控装置将语音数据汇总后，根据时间戳显示的时间先后顺序进行排序，选取位于最前的3～5个语音数据，对选取的语音数据进行多设备音频数据对齐后，进行拟合，对拟合后的信号进行去噪补偿，从而剔除回声，得到有效指令段。
优选地，所述第四步中，发声人位置信息的获取方法为：
通过各语音数据计算传输各语音数据的各个入网产品与发出语音信号的用户之间的位置差，根据位置差及各个入网产品的相对位置信息得到发声人位置信息，其中，设当前第i个入网产品与发出语音信号的用户之间的位置差为di，则根据Lfs＝32.44+20lg di+20lg f计算得到di，式中，Lfs为语音信号在空气中的传输损耗，f为第i个入网产品接收到的语音信号的频率，根据di的值与声音在空气中的传播速度反推因第i个入网产品所处位置导致的时间差进行时间戳补偿与数据对齐。
本发明能够根据设备安装位置信息来优化语音识别算法，使智能家居系统在其应用场合中，实现“随说随控”，有效改善用户体验。
附图说明
图1为本发明的硬件模块图；
图2为入网产品运行流程图；
图3为主控设备运行流程图；
图4为位置差计算示意图；
图5A为设备一于0:00:00.00开始采集的数据；
图5B为设备二于0:00:00.00开始采集的数据；
图5C为拟合后的信号示意图；
图5D为信号去噪示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
本发明提供的一种智能家居语音控制识别系统的最小组成构件要素包括至少一个主控装置和至少一个具有采集音频功能并带有其他智能家居类产品采集、执行功能的入网产品。
主控装置及入网产品的硬件构成均可以参考图1。对于入网产品而言，其包含拾音器或者麦克风、声音去噪压缩模块、无线传输模块、处理运算模块、电源处理单元、控制或采集分析类单元等。而主控装置的硬件构成与入网产品大致相同，但为了提高处理性能，需要将处理运算模块更换为中央处理器，并且，主控装置又由于其需要与用户有更多的交互功能，因此，需要增加适当的人机交互单元。
上述各个硬件模块的功能介绍如下：
电源处理单元，完成将安装位置的交流电转化为内部包含并不仅限于拾音器或麦克风、声音去噪压缩模块、无线传输模块、中央处理器或处理运算模块、控制或采集分析类单元等在内的模块供电。
拾音器或麦克风，采集音频数据。
声音去噪压缩模块，对信号进行基础去噪处理并压缩数据。
无线传输模块，包括并不仅限于WIFI、蓝牙、Zigbee等无线传输方式，用于主控装置与入网产品间及入网产品之间的位置定位与数据收发。
处理运算模块，用于采集自身声音去噪压缩模块输出的语音信息，收集当前入网产品的入网产品数据，对语音信息按照预估计方法进行空间位置补偿，加快声音识别效率并有效去噪，通过无线传输模块将数据上传至主控装置，并通过无线传输模块接收主控装置反馈的控制指令。
中央处理器，用于获取主控装置的声音去噪压缩模块的语音信息及各入网产品传输的语音数据，预估发出语音控制指令的用户的位置信息，根据位置信息对获得的语音信号进行多设备音频数据对齐，获取语音指令。
控制或采集分析类单元，包含并不仅包含控制类单元(设备开关逻辑控制、设备调光等)、空间采集分析类单元(人体位置感应、空间温湿度环境记录等)。
结合图2，入网产品的运行流程包括以下步骤：
步骤1、电源上电后，入网产品开始工作；
步骤2、初始化，各入网产品与一个主控装置通过无线传输模块进行互相组网通信，在组网获取到一个主控装置后上传自己与附近设备间的信号衰减信息，分析自己与附近产品的拓扑关系，并始终允许组网重构拓扑图，主控装置根据信号衰减信息得到各个入网产品的相对位置信息，从而形成包含距离信息的网络拓扑结构；
入网产品的空间采集类设备采集数据，控制类设备按照默认控制策略对相应的家居设备执行操作；
步骤3、若用户在任意位置发出包含控制指令的语音信号，入网产品的拾音器或麦克风捕捉到该语音信号后，通过声音去噪压缩模块对语音信号进行初阶(基础)去噪、压缩，保留语音信号中的人声段数据流形成语音信息，由当前入网产品的处理运算模块对语音信息加上时间戳后形成语音数据，通过无线传输模块发送给主控装置；
步骤4、接收主控器下发的控制指令，根据控制指令控制相应的家居设备后，等待下一个控制循环。
结合图3，主控装置的运行流程包括以下步骤：
步骤1、电源上电后，主控装置开始工作；
步骤2、主控装置的无线传输模块开始工作，始终收集入网产品位置数据，确认网络拓扑关系；
步骤3、若主控装置处于指令录入阶段，则用户通过人机交互模块在主控装置中录入指定的控制指令语音信息；
若主控装置处于指令识别阶段，若主控装置的拾音器或麦克风捕捉到用户发出的语音信号，则通过声音去噪压缩模块对语音信号进行初阶(基础)去噪、压缩，保留语音信号中的人声段数据流形成语音信息，由主控装置的中央处理器对语音信息加上时间戳后形成语音数据，中央处理器同时汇总来自各入网产品的语音数据，中央处理器将语音数据汇总后，根据时间戳显示的时间先后顺序进行排序，选取位于最前的3～5个语音数据；
步骤4根据网络拓扑结构中各个入网产品的相对位置信息以及各语音数据中包含的音量信息预估发出语音信号的用户的位置，得到发声人位置信息，再根据发声人位置信息对选取的语音数据进行多设备音频数据对齐后，进行拟合，对拟合后的信号进行去噪补偿，从而剔除回声，得到有效指令段；
步骤5、主控装置的中央处理器将有效指令段与预先录入的控制指令语音信息进行声纹比对，从而获得控制指令，根据控制指令对应的家居设备，中央处理器或将控制指令发送给当前主控装置的控制/采集分析单元，由控制/采集分析单元根据控制指令控制对应的家居设备，或将控制指令通过无线传输模块发送给对应的入网产品，由入网产品的控制/采集分析单元根据控制指令控制对应的家居设备。
结合图4，上述步骤中，获取发声人位置信息的原理为：
假设传输空间较为理想，简化声音传输都在一个楼层内各个不同居室内接收。不考虑房间内间隔产生的衰减，信号的直线传播的衰减距离与设备安装位置的关系即可作为定位数据参考值。
根据已知的物理关系通信距离与发射功率、接收灵敏度和工作频率有关，则根据式(1)可以计算得到当前入网产品与发出语音信号的用户之间的位置差d：
Lfs＝32.44+20lg d+20lg f (1)
式(1)中，Lfs为语音信号在空气中的传输损耗，f为当前入网产品接收到的语音信号的频率。
由于在组网时已经获得了各个入网产品的相对位置信息，结合位置差d，就可以得到发声人位置信息。其中d的值又可与声音在空气中的传播速度反推因各个设备所处位置采样时的时间差，进行时间戳补偿与数据对齐。
本发明中，根据发声人位置信息进行拟合去噪的原理可以参考图5A至图5D，假设得到设备一的语音数据如图5A所示，得到设备二的语音数据如图5B所示，则根据发声人位置信息将图5A的数据与图5B的数据对齐，对齐后，将两个数据进行拟合，如图5D所示，左框为右框的原始声源，当入网产品足够多每一次采样都会对后一次的可能回声数据进行加权，直至最后隐没在背景中，即设备越多回声去噪越明显，利用上述原理对拟合后的信号进行去噪补偿，从而剔除回声，得到有效指令段。
本发明的主控装置或入网产品自启动组网后，采集音频数据并最终分析数据下发控制或数据采集指令的一个循环作为最小的系统运行状态实施案例。该案例可扩展至办公场所及地铁通道等大空间的室内控制环境，达到受控用户对入网产品的远程控制。
Claims (3)
1.一种基于智能家居语音控制系统的智能家居语音控制识别方法，所述智能家居语音控制系统包括至少一个主控装置及至少一个入网产品，入网产品与一个主控装置进行自组网，形成包含距离信息的网络拓扑结构，其中：
主控装置包括用于捕捉用户发出的语音的拾音器或麦克风；
用于对拾音器或麦克风捕捉到的语音信号进行去噪、压缩的声音去噪压缩模块；
中央处理器，用于获取主控装置的声音去噪压缩模块的语音信息及各入网产品传输的语音数据，预估发出语音控制指令的用户的位置信息，根据位置信息对获得的语音信号进行多设备音频数据对齐，获取语音指令；
人机交互模块，用于预先录入用户的语音指令；
控制/采集分析单元，用于根据中央处理器获得语音指令控制对应的家居设备，或采集环境数据；
无线传输模块，用于在网络拓扑结构的各设备之间传输数据；
入网产品包括用于捕捉用户发出的语音的拾音器或麦克风；
用于对拾音器或麦克风捕捉到的语音信号进行去噪、压缩的声音去噪压缩模块；
处理运算模块，用于采集自身声音去噪压缩模块输出的语音信息，收集当前入网产品的入网产品数据，对语音信息按照预估计方法进行空间位置补偿，加快声音识别效率并有效去噪，通过无线传输模块将数据上传至主控装置，并通过无线传输模块接收主控装置反馈的控制指令；
控制/采集分析单元，用于获得的控制指令控制对应的家居设备，或采集环境数据；
无线传输模块，用于在网络拓扑结构的各设备之间传输数据，其特征在于，所述智能家居语音控制识别方法包括以下步骤：
第一步、用户通过人机交互模块在主控装置中录入指定的控制指令语音信息；
第二步、入网产品与一个主控装置进行自组网，在自组网过程中，主控装置根据入网产品间及入网产品与主控装置间的信号衰减情况得到各个入网产品的相对位置信息，从而形成包含距离信息的网络拓扑结构；
第三步、用户在任意位置发出包含控制指令的语音信号，入网产品或主控装置的拾音器或麦克风捕捉到该语音信号后，通过声音去噪压缩模块对语音信号进行初阶去噪、压缩，保留语音信号中的人声段数据流形成语音信息，由当前入网产品的处理运算模块形成语音数据，通过无线传输模块发送给主控装置；
第四步、主控装置汇总各入网产品上传的语音数据及自身语音信息后，根据网络拓扑结构中各个入网产品的相对位置信息以及各语音数据中包含的音量信息预估发出语音信号的用户的位置，得到发声人位置信息；
第五步、主控装置根据发声人位置信息对多个语音数据进行多设备音频数据对齐，剔除回声，从而得到有效指令段；
第六步、主控装置的中央处理器将有效指令段与预先录入的控制指令语音信息进行声纹比对，从而获得控制指令，根据控制指令对应的家居设备，中央处理器或将控制指令发送给当前主控装置的控制/采集分析单元，由控制/采集分析单元根据控制指令控制对应的家居设备，或将控制指令通过无线传输模块发送给对应的入网产品，由入网产品的控制/采集分析单元根据控制指令控制对应的家居设备。
2.如权利要求1所述的一种智能家居语音控制识别方法，其特征在于，在所述第三步中，由当前入网产品的处理运算模块在语音信息上打上时间戳后形成语音数据；
在所述第四步中，主控装置将自身的语音信息打上时间戳后形成语音数据；
在所述第五步中，主控装置将语音数据汇总后，根据时间戳显示的时间先后顺序进行排序，选取位于最前的3～5个语音数据，对选取的语音数据进行多设备音频数据对齐后，进行拟合，对拟合后的信号进行去噪补偿，从而剔除回声，得到有效指令段。
3.如权利要求2所述的一种智能家居语音控制识别方法，其特征在于，所述第四步中，发声人位置信息的获取方法为：
通过各语音数据计算传输各语音数据的各个入网产品与发出语音信号的用户之间的位置差，根据位置差及各个入网产品的相对位置信息得到发声人位置信息，其中，设当前第i个入网产品与发出语音信号的用户之间的位置差为di，则根据Lfs＝32.44+20lgdi+20lgf计算得到di，式中，Lfs为语音信号在空气中的传输损耗，f为第i个入网产品接收到的语音信号的频率，根据di的值与声音在空气中的传播速度反推因第i个入网产品所处位置导致的时间差进行时间戳补偿与数据对齐。
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