CN112043161A - 基于声音频谱特征识别的智能饮水机系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于声音频谱特征识别的智能饮水机系统及控制方法，涉及智能家居技术领域，本发明能够实时预测水位高度从而可达到任意水位高度且适应于不同容器的智能接水实时控制方案。智能饮水机系统包括语音识别模块、频率识别模块、微处理器以及开关控制模块。语音识别模块启动之后用于捕获语音指令，并识别语音指令获取指令信息发送至微处理器中。频率识别模块用于捕获当前容器接水过程的声音频率，并分析得到实时峰值频率，将实时峰值频率信息发送给微处理器。微处理器根据实时峰值频率信息预测水位高度，并将预测的水位高度与指令信息中包含的期望水位高度进行比较，从而生成控制信息发送给控制开关控制模块操纵饮水机的开关。

Description

基于声音频谱特征识别的智能饮水机系统及控制方法
技术领域
本发明涉及智能家居技术领域，具体涉及基于声音频谱特征识别的智能饮水机系统及控制方法。
背景技术
近年来，由于饮水机使用不当引起的饮用水浪费的情况层出不穷，原因是许多使用者在使用饮水机接水时，会因杯内装水太满而倒掉或使用完后不及时关闭阀门而所造成水资源的浪费。此外，现有的饮水机大多使用手动阀门接水，但我们在饮水机上接水时，有时手中会持有其他物品而不便开关，而且常常容易因为开水的意外溅出或者未及时关闭阀门导致开水的溢出导致烫伤的发生，给使用者造成了一定的安全隐患。因此，随着科学技术的发展、人们生活品质的提升以及对饮水机功能的要求不断提高，智能饮水机的研究是现在所迫切需要的。实现饮水机的自动控制，解放人们的双手，将会是饮水机未来的发展趋势。
现有致力于研究自动控制的智能饮水机大多只能针对某一种容器完成定高接水，但是无法预测接水过程中的水位高度从而无法实现任意期望高度的接水任务，此外也不具备泛化能力，即使用不同材质、形状、高度的接水容器时该方案不适用。因此本发明的研究内容是设计一种可以满足不同期望接水高度以及适应于不同接水容器的智能饮水机自动控制方案。
生活中接水时，随着杯内水位的上升，人耳可明显分辨出一个不断升高的音调的现象。虽然容器不同音调略有差异，但是总体音调升高的趋势是一致的。该现象是基于驻波与共振原理，当入射波与反射波为振幅相同、传播方向相反的两列相干波时，两列波形成驻波。接水时水面是振动波源，瓶口是反射界面，水面与瓶口的距离即空气柱长度为L，可得空气柱固有频率f：
Figure BDA0002608788260000021
式中v—声音在空气中的传播速度。
当驱动力频率等于空气柱固有频率f时，振幅增大，形成共振现象。随着接水水位上升，空气柱长度L减小，对应产生共振的声音基频率
Figure BDA0002608788260000022
增大，声音音调升高。故接水时声音音调的变化与水位高度存在一定关系，声音频率可作为水位高度的一种可识别特征。
“暖水瓶智能接水控制系统设计_刘昊霖”一文给出了一种通过使用单片机对暖水瓶接水的声音进行A/D采样，并对采样数据进行FFT运算，结合MATLAB仿真软件，探究出一种暖水瓶接水的声音与其频率和能量的关系，并判断瓶中的水位是否已满的方法。通过实验验证了暖水瓶接水时通过声音数据的采集、计算频谱和能量能够判断出水位已满，该方法有一定的实用价值。
但是该方案仅仅是针对暖水瓶一种盛水容器，并且利用的是接水声音与其频率和能量的关系进行水位已满判定，对于日常生活中常用的饮水机，一方面其盛水容器并不固定，另一方面每个用户所需水量不同，即期望水位高度也不同，该方案无法适用。
因此可基于声音频谱特征来实现不同容器不同的水位高度的智能接水实时控制。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了基于声音频谱特征识别的智能饮水机系统及控制方法，是一种能够实时预测水位高度从而可达到任意水位高度且适应于不同容器的智能接水实时控制方案。
为达到上述目的，本发明的技术方案为；基于声音频谱特征识别的智能饮水机系统，用于对饮水机进行控制，其特征在于，智能饮水机系统包括语音识别模块、频率识别模块、微处理器以及开关控制模块。
语音识别模块启动之后用于捕获语音指令，并识别语音指令获取指令信息发送至微处理器中。
频率识别模块用于捕获当前容器接水过程的声音频率，并分析得到实时峰值频率，将实时峰值频率信息发送给微处理器。
微处理器根据实时峰值频率信息预测水位高度，并将预测的水位高度与指令信息中包含的期望水位高度进行比较，从而生成控制信息发送给控制开关控制模块操纵饮水机的开关。
进一步地，语音识别模块在接收到语音唤醒关键词之后被唤醒启动。
进一步地，语音识别模块，识别语音指令获取指令信息，具体为：语音识别模块持续接收语音指令，并对语音指令进行识别，若识别结果包含期望水位高度信息，则将期望水位高度信息发送至微处理器中。微处理器接收期望水位高度信息，若此时饮水机开关处于关闭状态，则微处理器控制开关控制模块打开饮水机的开关，开始向当前容器中注水。
进一步地，微处理器接收实时峰值频率信息，选取预先存储的峰值频率信息与水位高度的对应关系计算实时水位高度，若实时水位高度达到期望水位高度，则微处理器控制开关控制模块关闭饮水机开关，否则微处理器无动作，继续保持饮水机开关打开。
进一步地，还包括容器感知模块；容器感知模块用于感知获取接水容器的特征信息，作为当前容器特征信息输入至微处理器。微处理器中预先存储至少一个峰值频率信息与水位高度的对应关系曲线；每个关系曲线均设置一个容器特征标签。微处理器在接收实时峰值频率信息与容器特征信息之后，根据当前容器特征信息找到容器特征标签的关系曲线，然后根据预先存储的峰值频率信息与水位高度的对应关系曲线计算实时水位高度。
进一步地，若微处理器中不存在与当前容器特征信息匹配的关系曲线，则取当前容器为新增容器，启动学习模块。用户使用新增容器重复设定次数的接水训练过程，学习模块通过频率识别模块获取每次接水训练过程中新增容器的接水声音频率的峰值频率以及对应接水高度信息，新建新增容器特征标签下的峰值频率信息与水位高度的对应关系曲线。
进一步地，系统还包括电源模块；电源模块用于为语音识别模块、频率识别模块、容器感知模块、学习模块、微处理器、开关控制模块、显示模块以及饮水机供电。
进一步地，系统还包括显示模块。显示模块用于在微处理器的控制下显示容器属性信息、实时水位高度和/或峰值频率信息与水位高度的对应关系曲线。
进一步地，系统还包括隔音外壳。隔音外壳采用隔音材质，将语音识别模块、频率识别模块、容器感知模块、学习模块、微处理器、开关控制模块、显示模块以及饮水机与外部噪音隔离。
本发明的另外一个实施例还提供了基于声音频率特征识别的智能饮水机控制方法，针对智能饮水机系统，采用如下方法进行控制：
S1、智能饮水机系统中各模块初始化。
S2、语音识别模块接收语音唤醒关键词，启动。
S3、语音识别模块接收语音指令，并进行识别，若识别结果包含期望水位高度信息，则将期望水位高度信息发送至微处理器中。
S4、微处理器接收到期望水位高度信息与当前容器特征信息后，若微处理器中存在与当前容器特征信息匹配的关系曲线，则执行S5。
若微处理器中不存在与当前容器特征信息匹配的关系曲线，则取当前容器为新增容器；获取新增容器接水过程的声音频率的峰值频率以及对应接水高度信息，新建新增容器特征标签下的峰值频率信息与水位高度的对应关系曲线，执行S5。
微处理器控制开关控制模块打开饮水机的开关，开始向当前容器中注水。
S5、频率识别模块捕获当前容器接水过程的声音频率，并分析得到实时峰值频率，将实时峰值频率信息发送给微处理器。
S6、微处理器接收实时峰值频率信息，根据与当前容器特征信息匹配的关系曲线计算水位高度作为预测的水位高度；微处理器将容器属性信息、预测水位高度和/或峰值频率信息与水位高度的对应关系曲线实时发送至显示模块中。
微处理器判断若预测的水位高度达到期望水位高度，则微处理器控制开关控制模块关闭饮水机开关，否则微处理器无动作，继续保持饮水机开关打开，返回S5直至饮水机开关关闭。
有益效果：
本发明能够根据语音识别得到的接水高度指令自动打开饮水机开关，开始出水；此后，实时地通过频率识别模块识别接水过程中声音频谱中的峰值频率，微处理器根据预先存储的峰值频率信息与水位高度的对应关系曲线，自动计算当前的接水高度即预测水位高度；当预测水位高度与期望接水高度一致时，判断实时水位已达到指令要求，执行机构动作自动关闭饮水机，注水停止，从而实现不同高度接水任务的自动开闭控制。微处理器中可以存储多种不同容器对应的峰值频率信息与水位高度的对应关系曲线，所有信息由前期学习模块获得；饮水机自动打开开关后，可识别不同的接水容器属性信息，以便于匹配存储的对应曲线关系进行实时水位高度的计算，从而可适用于不同的接水容器的接水任务因此该方案实现了对不同接水容器、达到不同期望水位高度的智能接水实时控制。
附图说明
图1为本发明提供的基于声音频谱特征识别的智能饮水机系统连接关系示意图。
图2为本发明实施例提供的基于声音频谱特征识别的智能饮水机上各硬件设备在饮水机上的布局图。
图3为本发明基于声音频谱特征识别的智能饮水机系统控制方法流程图。
其中：1-语音识别模块；2-频率识别模块；3-容器感知模块；4-学习模块；5-微处理器；6-电源模块；7-开关控制模块；8-显示模块。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了基于声音频谱特征识别的智能饮水机系统，用于对饮水机进行控制，智能饮水机系统包括语音识别模块1、频率识别模块2、微处理器5以及开关控制模块7。
语音识别模块1启动之后用于捕获语音指令，并识别语音指令获取指令信息发送至微处理器5中。
频率识别模块2用于捕获当前容器接水过程的声音频率，并分析得到实时峰值频率，将实时峰值频率信息发送给微处理器5。
微处理器5根据实时峰值频率信息计算实时水位高度即预测水位高度，与指令信息包含的期望水位高度进行比较，从而生成控制信息发送给控制开关控制模块7操纵饮水机的开关。
图1示出了本发明的一种实施例。如图1所示，除语音识别模块1、频率识别模块2、微处理器5以及开关控制模块7之外，本发明还可以包括容器感知模块3、学习模块4、电源模块6以及显示模块8。
本发明实施例中，语音识别模块1在接收到语音唤醒关键词之后被唤醒启动。语音识别模块的启动方式可以是多种，例如也可以设置实体按键，通过用户手动按下实体按键发送一个启动指令给语音识别模块。
语音识别模块1持续接收语音指令，并对语音指令进行识别，此处的语音指令应当包含期望水位高度信息，但是鉴于用户给出的语音指令可能包含其他噪声，因此要对识别结果进行进一步判定，即若识别结果包含期望水位高度信息，则将期望水位高度信息发送至微处理器5中；
微处理器5接收期望水位高度信息，若此时饮水机开关处于关闭状态，则微处理器5控制开关控制模块7打开饮水机的开关，开始向当前容器中注水。
考虑到每次接水使用的容器不同，而对应不同容器，其峰值频率和水位高度的对应关系也不同，因此本发明实施例中还增加了容器感知模块3。
具体地，针对接水容器的不同特征，例如材质、形状、颜色、纹理等特征；容器感知模块可以采用多种形式感知接水容器的特征信息，例如可以采用传感器感知接水容器的材质信息，可以采用摄像头作为容器感知模块，拍摄接水容器的照片，进行处理分析，得到接水容器的形状、颜色或纹理等特征。甚至容器感知模块也可以是接收外部输入的模块，用户可以直接将容器的特征信息通过手动按键或者智能输入的方式将容器的特征输入至容器感知模块，作为容器感知模块感知到的接水容器的特征信息。
注水开始时，容器感知模块3将识别的接水容器特征信息发送给微处理器5。
微处理器5根据当前容器特征信息找到容器特征标签的关系曲线，即预先存储的峰值频率信息与水位高度的对应关系曲线。
接水过程中，频率识别模块2一直捕获当前容器接水过程中的声音频率，并分析得到实时峰值频率，将实时峰值频率信息发送给微处理器5。
微处理器5接收实时峰值频率信息，根据当前容器的峰值频率信息与水位高度的对应关系曲线计算实时水位高度，即实现实时的水位高度预测。鉴于存在多种形式的接水容器，微处理器5中应当预先存储至少一个峰值频率信息与水位高度的对应关系曲线；每个关系曲线均设置一个容器特征标签。
微处理器5将容器属性信息、预测水位高度和/或峰值频率信息与水位高度的对应关系曲线发送至显示模块8，在接水过程中实时显示信息变化。本发明实施例中，显示模块可以是液晶显示屏。
当微处理器5计算的预测水位高度达到期望水位高度时，通过开关控制模块6关闭饮水机开关。
在本发明关于智能饮水机系统的技术方案中，还存在微处理器5中没有预存与当前容器特征信息匹配的关系曲线的情况。此时则要新增对应曲线，取当前容器为新增容器，启动学习模块4。其中学习模块4可以是设置在微处理器5中的一个功能模块，也可以是独立于微处理器5的一个功能模块。
学习模块4启动后，即启动了对新增容器的学习过程，该学习过程具体如下：
用户使用该新增容器重复设定次数的接水训练过程，本发明设定重复次数可以依据经验设定，实际中只要重复次数能够最终获得针对新增容器的拟合效果较好的关系曲线即可。其中学习模块可以通过显示模块为用户提示操作步骤，例如显示模块显示第一次接水过程结束，用户可以开始第二次接水过程，设定次数的接水过程结束之后，新增容器的关系曲线新建完成，显示模块显示“新建完成”，用户可以使用该新增容器进行智能接水。
学习模块4通过频率识别模块2获取每次接水训练过程中新增容器的接水声音频率的峰值频率以及对应接水高度信息，通过学习训练，新建新增容器特征标签下的峰值频率信息与水位高度的对应关系曲线。
学习模块4也可以通过其他方式启动，例如用户直接发语音指令启动学习模块，或者用户通过实体按钮或者触摸式显示屏输入学习模块的启动指令以启动学习模块。即本发明实施例提供的智能饮水机系统可以随时实现对新增容器的学习。
本发明实施例中还设置了电源模块6，电源模块6用于为其余所有模块的供电。
本发明实施例中还设置了隔音外壳9，该隔音外壳9采用隔音材质，将语音识别模块1、频率识别模块2、容器感知模块3、学习模块4、微处理器5、开关控制模块6、显示模块8以及饮水机与外部噪音隔离。
本发明实施例提供的基于声音频谱特征识别的智能饮水机上各硬件设备在饮水机上的布局图如图2所示。
本发明另外一个实施例还提供了基于声音频率特征识别的智能饮水机控制方法，如图3所示，针对上述任一实施例提供的智能饮水机系统，采用如下方法进行控制：
S1、智能饮水机系统中各模块初始化。
S2、语音识别模块接收语音唤醒关键词，启动。
S3、语音识别模块接收语音指令，并进行识别，若识别结果包含期望水位高度信息，则将期望水位高度信息发送至微处理器5中。
S4、微处理器5接收到期望水位高度信息与当前容器特征信息后，若微处理器5中存在与当前容器特征信息匹配的关系曲线，则执行S5。
若微处理器5中不存在与当前容器特征信息匹配的关系曲线，则取当前容器为新增容器；获取新增容器接水过程的声音频率的峰值频率以及对应接水高度信息，新建新增容器特征标签下的峰值频率信息与水位高度的对应关系曲线，执行S5。
微处理器5控制开关控制模块6打开饮水机的开关，开始向当前容器中注水。
S5、频率识别模块2捕获当前容器接水过程的声音频率，并分析得到实时峰值频率，将实时峰值频率信息发送给微处理器5。
S6、微处理器5接收实时峰值频率信息，根据与当前容器特征信息匹配的关系曲线计算水位高度得到预测水位高度；将容器属性信息、预测水位高度和/或峰值频率信息与水位高度的对应关系曲线实时发送至显示模块8。
微处理器5判断若预测水位高度达到期望水位高度，则微处理器控制开关控制模块6关闭饮水机开关，否则微处理器5无动作，继续保持饮水机开关打开，返回S5直至饮水机开关关闭。
综上所述，以上仅为本发明的设计思想与较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于声音频谱特征识别的智能饮水机系统，用于对饮水机进行控制，其特征在于，所述智能饮水机系统包括语音识别模块(1)、频率识别模块(2)、微处理器(5)以及开关控制模块(7)；
所述语音识别模块(1)启动之后用于捕获语音指令，并识别语音指令获取指令信息发送至微处理器(5)中；
所述频率识别模块(2)用于捕获当前容器接水过程的声音频率，并分析得到实时峰值频率，将实时峰值频率信息发送给所述微处理器(5)；
所述微处理器(5)根据实时峰值频率信息预测水位高度，并将预测的水位高度与所述指令信息中包含的期望水位高度进行比较，从而生成控制信息发送给控制开关控制模块(7)操纵所述饮水机的开关。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述语音识别模块(1)在接收到语音唤醒关键词之后被唤醒启动。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述语音识别模块(1)，识别语音指令获取指令信息，具体为：
所述语音识别模块(2)持续接收语音指令，并对所述语音指令进行识别，若识别结果包含期望水位高度信息，则将所述期望水位高度信息发送至所述微处理器(5)中；
所述微处理器(5)接收所述期望水位高度信息，若此时饮水机开关处于关闭状态，则所述微处理器(5)控制所述开关控制模块(7)打开所述饮水机的开关，开始向当前容器中注水。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微处理器(5)接收实时峰值频率信息，选取预先存储的峰值频率信息与水位高度的对应关系计算实时水位高度，若实时水位高度达到期望水位高度，则所述微处理器控制所述开关控制模块(6)关闭所述饮水机开关，否则所述微处理器(5)无动作，继续保持饮水机开关打开。
5.如权利要求1～4任一所述的系统，其特征在于，还包括容器感知模块(3)；
所述容器感知模块(3)用于感知获取接水容器的特征信息，作为当前容器特征信息输入至微处理器；
所述微处理器(5)中预先存储至少一个峰值频率信息与水位高度的对应关系曲线；每个关系曲线均设置一个容器特征标签；
所述微处理器(5)在接收实时峰值频率信息与容器特征信息之后，根据所述当前容器特征信息找到容器特征标签的关系曲线，然后根据预先存储的峰值频率信息与水位高度的对应关系曲线计算实时水位高度。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，若所述微处理器(5)中不存在与所述当前容器特征信息匹配的关系曲线，则取当前容器为新增容器，启动学习模块(4)；
用户使用所述新增容器重复设定次数的接水训练过程，所述学习模块(4)通过所述频率识别模块(2)获取每次接水训练过程中所述新增容器的接水声音频率的峰值频率以及对应接水高度信息，新建新增容器特征标签下的峰值频率信息与水位高度的对应关系曲线。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括电源模块(6)；
所述电源模块(6)用于为语音识别模块(1)、频率识别模块(2)、容器感知模块(3)、学习模块(4)、微处理器(5)、开关控制模块(7)、显示模块(8)以及饮水机供电。
8.如权利要求1～7任一所述的系统，其特征在于，所述系统还包括显示模块(8)；
所述显示模块(8)用于在所述微处理器(5)的控制下显示容器属性信息、实时水位高度和/或峰值频率信息与水位高度的对应关系曲线。
9.如权利要求1～6任一所述的系统，其特征在于，所述系统还包括隔音外壳(9)；
所述隔音外壳(9)采用隔音材质，将语音识别模块(1)、频率识别模块(2)、容器感知模块(3)、学习模块(4)、微处理器(5)、开关控制模块(6)、显示模块(8)以及饮水机与外部噪音隔离。
10.基于声音频率特征识别的智能饮水机控制方法，其特征在于，针对如权利要求6所述的智能饮水机系统，采用如下方法进行控制：
S1、所述智能饮水机系统中各模块初始化；
S2、所述语音识别模块接收语音唤醒关键词，启动；
S3、所述语音识别模块接收语音指令，并进行识别，若识别结果包含期望水位高度信息，则将所述期望水位高度信息发送至所述微处理器(5)中；
S4、所述微处理器(5)接收到所述期望水位高度信息与当前容器特征信息后，若所述微处理器(5)中存在与所述当前容器特征信息匹配的关系曲线，则执行S5；
若所述微处理器(5)中不存在与所述当前容器特征信息匹配的关系曲线，则取当前容器为新增容器；获取新增容器接水过程的声音频率的峰值频率以及对应接水高度信息，新建新增容器特征标签下的峰值频率信息与水位高度的对应关系曲线，执行S5；
所述微处理器(5)控制所述开关控制模块(6)打开所述饮水机的开关，开始向当前容器中注水；
S5、所述频率识别模块(2)捕获当前容器接水过程的声音频率，并分析得到实时峰值频率，将实时峰值频率信息发送给所述微处理器(5)；
S6、所述微处理器(5)接收实时峰值频率信息，根据与当前容器特征信息匹配的关系曲线计算水位高度作为预测的水位高度；所述微处理器(5)将容器属性信息、预测水位高度和/或峰值频率信息与水位高度的对应关系曲线实时发送至所述显示模块(8)中；
所述微处理器(5)判断若预测的水位高度达到期望水位高度，则所述微处理器控制所述开关控制模块(7)关闭所述饮水机开关，否则所述微处理器(5)无动作，继续保持饮水机开关打开，返回S5直至所述饮水机开关关闭。
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