CN111768775A - 一种基于电力线的家庭分布式智能语音系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于物联网技术领域，具体涉及一种基于电力线的家庭分布式智能语音系统。本发明方案通过家庭无处不在的电力线和集中式的语音处理资源池搭建智慧语音系统，解决目前有线智慧语音控制系统需要布放昂贵光纤或同轴的音频线缆的问题，也解决无线智慧语音控制系统穿墙性能差的问题，且语音终端可以做到体积小、成本低。集中式的同步语音联合处理消除多个麦克风之间的干扰，增强语音的质量，使得智能语音控制系统的准确率更高。

Description

一种基于电力线的家庭分布式智能语音系统
技术领域
本发明属于物联网技术领域，具体涉及一种基于电力线的家庭分布式智能语音控制系统。
背景技术
智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、自动控制技术、音视频技术等将家居生活有关的设施集成，构建智慧家庭的物联网系统以及用户家庭日常事务的管理系统。
目前最常见的智能家居具有语音控制的功能，通常用智能音箱作为载体。一般智能音箱包括，语音采集系统、音频播放系统、智能控制系统三个部分。由于用户在各个房间内均需要进行语音控制，单个智能音箱已经不能满足用户的需求，需要提供一个分布式的智能语音控制系统。
一个典型的分布式语音控制系统如图所示，包含IoT智能中央控制系统、分布式语音采集终端、分布式音频播放终端、IoT智能终端。IoT智能中央控制系统通过WLAN通信模块与分布式语音采集终端、分布式音乐播放终端、IoT智能终端进行通信和控制管理。IoT智能中央控制系统通过分布式语音采集用户的语音信息，经过处理后，通过分布式音频播放系统响应用户，最后通过传输决策的控制指令发送给IoT智能终端进行执行。
目前IoT智能控制系统与分布式之间一般采用WiFi，BT等无线传输技术，但是由于穿墙，以及2.4GHz频段各种设备之间的干扰严重，使得IoT互联的稳定性较差，延时非常大，由于语音控制系统对连接的稳定性和延时非常敏感，从而导致用户使用的体验较差。另外，语音处理模块导致语音终端的成本较高、功耗较大。
发明内容
本发明通过家庭无处不在的电力线和集中式的语音处理资源池搭建智慧语音系统，旨在解决无线IoT系统在家庭网络中稳定性较差，信号干扰严重延时非常大，提出一种基于电力线的家庭分布式智能语音系统，该系统包括基于电力线的家庭分布式智能语音控制系统、一种IoT智能语音终端、一种IoT智能语音控制端、基于电力线的家庭分布式智能语音算法。
本发明的技术方案如下：基于电力线的家庭分布式智能语音控制系统，包括有IoT智能语音控制端和至少一个IoT智能语音终端，所述的IoT智能语音终端耦接至IoT智能语音控制端，所述的IoT智能语音终端包括第一模拟处理模块、语音采集模块，所述的IoT智能语音控制端包括控制决策模块、语音中央处理模块、第二模拟处理模块。
进一步的，所述的IoT智能语音终端偶联通过电力线接受于IoT智能语音控制端。
进一步的，所述的电力线为零线和地线。
进一步的，第一模拟处理模块包括上变频器，所述的第二模拟处理模块包括下变频器。本发明是这样实现的，本发明将语音采集模块采集的模拟语音信号，直接通过第一模模拟处理模块将语音采样信号的频段搬移到适合电力线传输的频段。然后通过电力线传输到IoT智能语音控制端，通过第二模拟处理模块将语音采样信号搬回语音频段，语音采样信号在经过电力线传输到智能语音控制端的语音中央处理模块之前，通过同步模块将多路语音信号保持帧同步；接着再将多路语音信号送到语音中央处理模块进行串行或者并行处理，串行的方案只需要一个语音处理模块，通过时分的处理多路语音信号，并行的方案是有多路语音处理模块可以同时处理，最后得到干净的语音识别结果提供给控制决策模块进行决策。
本发明通过电力线传输到IoT智能语音控制系统，现有电力线传输一般采用火线和零线差分传输技术，引入电气噪声较大，本发明建议采用零线和地线的差分技术在噪声相对干净的频段传输语音原始信号，避免在传输过程中引入新的噪声。
一种IoT智能语音终端，包括有模拟处理模块、语音采集模块，所述的语音采集模块为麦克风阵列，所述的模拟处理模块包括多路复用器，所述的麦克风阵列耦合至多路复用器，所述的多路复用器用于将复用后的信号发送给语音控制端。
进一步的，多路复用器采用时分复用或频分复用或码分复用。
一种IoT智能语音控制端，包括有模拟处理模块、语音中央处理模块、控制决策模块，所述的模拟处理模块耦合至语音中央处理模块，所述的语音中央处理模块耦合至控制决策模块，所述的模拟处理模块包括解复用器、模数转换器，所述的控制决策模块为AI语音识别与决策模块，所述的解复用器用于接受语音终端的信号，所述的解复用器耦合至模数转换器，所述的模数转换器耦合至语音中央处理模块。
本发明的有益效果如下：本发明方案通过家庭无处不在的电力线和集中式的语音处理资源池搭建智慧语音控制系统，解决目前有线智慧语音控制系统需要布放昂贵光纤或同轴的音频线缆的问题，也解决无线智慧语音控制系统穿墙性能差的问题，且语音终端可以做到体积小、成本低。集中式的同步语音联合处理消除多个麦克风之间的干扰，增强语音的质量，使得智能语音控制系统的准确率更高。
附图说明
图1为本发明系统的某些实施例的结构示意图。
图2为具体实施例一种基于电力线的家庭分布式智能语音控制系统的立体图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步说明。
如图1所示，基于电力线的家庭分布式智能语音控制系统，包括有IoT智能语音控制端和三个IoT智能语音终端，所述的IoT智能语音终端通过电力线耦接至IoT智能语音控制端，所述的IoT智能语音终端包括第一模拟处理模块、语音采集模块，所述的IoT智能语音控制端包括控制决策模块、语音中央处理模块、第二模拟处理模块。
如图1所示通过阵列麦克风采集一个或者多个房间的一路或者多路麦克风语音信号，首先通过上变频模块将一路或者多路20Hz～192KHz语音采样信号搬移到2～30MHz中不同中心频率的电力线频段，语音采用信号可以是16KHz、32KHz、48KHz、96KHz，192KHz的采样信号，根据需要可以配置智能语音终端的采样频率，采样频率越高还原语音信号的准确性更高，但是要求的电力线传输能力越高。为了避免多路语音采样信号的边带泄露相互干扰，不同中心频率相隔要足够远，在通过模拟合路器将多路语音信号合成一路2～30MHz模拟基带信号。然后通过电力线传输到IoT智能语音控制系统，现有电力线传输一般采用火线和零线差分传输技术，引入电气噪声较大，本发明建议采用零线和地线的差分技术在噪声相对干净的频段传输语音原始信号，避免在传输过程中引入新的噪声。
接着，通过模拟带通滤波器将一路模拟基带信号分离出多路模拟基带信号，再将基带信号下变频回语音采样信号20Hz～192KHz，最后将多路语音信号送入中央语音处理模块，最后送至控制决策模块。
如图2所示，在考虑到IoT智能语音终端受到不同声源影响的情况下，由于麦克风会接受到来自多个不同音源的语音信号，特别是两个音源靠近时很难分辨用户的指令。本发明实施例将同时采集的模拟语音信号，直接通过第一模拟处理模块将语音采样信号的频带搬移到适合电力线的传输频段。然后通过电力线传输到IoT智能语音控制系统，通过第二模拟处理模块将语音采样信号搬回语音频段，通过语音同步模块对多路语音信号进行同步后，再送到语音中央处理模块进行联合信号的处理，最后得到干净的增强的语音质量提供给控制决策模块进行决策。当采用全向麦克风，每个麦克风都可以接受到多个用户语音信号时，不同用户语音信号相互干扰，需要进行联合的语音信号抵消算法。假设一个M*N(M个声音源，N为接收麦克风阵列个数，一般M<N)的MIMO系统的公式如下所示：
Figure BDA0002547821410000041
其中XM为M个用户发声的音源，
Figure BDA0002547821410000042
YN为M个用户的声音经过空气传播被N个麦克风接收，再经过了电力线(PLC)传输到智能语音控制中心的接收语音信号，但还未经过智能语音控制中心处理的信号：
Figure BDA0002547821410000051
HN×M为语音信号在空间中多径传输的信道衰减矩阵：
Figure BDA0002547821410000052
举例HN1，表示第N个麦克风接收到第1个用户语音信号的空间信道衰减，以此类推。
HPLC为电力线(PLC)在N个频段上传输的信道衰减矩阵，N个麦克风接收信号分别经过电力线的信道传输到语音控制中心：
Figure BDA0002547821410000053
Figure BDA0002547821410000054
是高斯白噪声，
Figure BDA0002547821410000055
为平均信噪比。
那么经过智能语音控制中心的算法求解后，可以近似还原出M个用户的语音信号
Figure BDA0002547821410000056
Figure BDA0002547821410000057
其中
Figure BDA00025478214100000510
分别是HN×M，HPLC的共轭转置矩阵，
Figure BDA0002547821410000058
是被智能语音控制中心进行消除干扰噪声后还原的M个用户语音信号。
当采用定向麦克风，即M＝1是，仅接受某一个方向的用户语音数据时，进行波束成型进行增强，经过智能语音控制中心的算法还原的某个用户语音信号为：
Figure BDA0002547821410000059
本发明的有益效果如下：本发明方案通过家庭无处不在的电力线和集中式的语音处理资源池搭建智慧语音控制系统，解决目前有线智慧语音控制系统需要布放昂贵光纤或同轴的音频线缆的问题，也解决无线智慧语音控制系统穿墙性能差的问题，且语音终端可以做到体积小、成本低。集中式的同步语音联合处理消除多个麦克风之间的干扰，增强语音的质量，使得智能语音控制系统的准确率更高。

Claims (9)

1.一种基于电力线的家庭分布式智能语音控制系统，其特征在于：包括有IoT智能语音控制端和至少一个IoT智能语音终端，所述的IoT智能语音终端与IoT智能语音控制端耦接；
所述的IoT智能语音终端包括第一模拟处理模块、语音采集模块，所述的语音采集模块耦接至第一模拟处理模块。所述的IoT智能语音控制端包括控制决策模块、语音中央处理模块、第二模拟处理模块，所述的第二模拟处理模块耦接至语音中央处理模块，所述的语音中央处理模块耦接至控制决策模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于电力线的家庭分布式智能语音控制系统，其特征在于：所述的IoT智能语音终端通过电力线与IoT智能语音控制端耦接。
3.根据权利要求2所述的一种基于电力线的家庭分布式智能语音控制系统，其特征在于：所述的电力线为零线和地线。
4.根据权利要求2所述的一种基于电力线的家庭分布式智能语音控制系统，其特征在于：所述的第一模拟处理模块包括复用器，所述的第二模拟处理模块包括解复用器。
5.根据权利要求2所述的一种基于电力线的家庭分布式智能语音控制系统，其特征在于：所述的复用器为上变频器，所述的解复用器为下变频器。
6.一种IoT智能语音终端，包括有模拟处理模块、语音采集模块，其特征在于：所述的语音采集模块为麦克风阵列，所述的模拟处理模块包括多路复用器，所述的麦克风阵列耦合至多路复用器，所述的多路复用器用于将复用后的信号发送给语音控制端。
7.根据权利要求6所述的一种IoT智能语音终端，其特征在于：多路复用器采用时分复用或频分复用或码分复用。
8.一种IoT智能语音控制端，包括有模拟处理模块、语音中央处理模块、控制决策模块，所述的模拟处理模块耦合至语音中央处理模块，所述的语音中央处理模块耦合至控制决策模块，其特征在于：所述的模拟处理模块包括解复用器、模数转换器，所述的控制决策模块为AI语音识别与决策模块，所述的解复用器用于接受语音终端的信号，所述的解复用器耦合至模数转换器，所述的模数转换器耦合至语音中央处理模块。
9.一种基于电力线的家庭分布式智能语音算法，其特征在于：基于电力线的家庭分布式智能语音控制系统中有N个IoT智能语音终端，并在语音采集模块中设置有麦克风阵列，且IoT智能语音终端与IoT智能语音控制端用电力线耦接，智能语音控制中心的算法求解后，可以近似还原出M个用户的语音信号
Figure FDA0002547821400000021
Figure FDA0002547821400000022
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