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智能家居系统语音遥控器的设计与实现

发布于：2015-07-29 22:07:29 来自：电气工程/智能家居 [复制转发]

引言

随着智能机器人技术的迅速发展和世界各国老龄化问题的加剧,智能机器人越来越多地进入家庭服务行业。为了实现室内近距离对基于家庭服务机器人和ZigBee技术的智能家居系统的控制,为其设计了基于ZigBee无线通信技术的语音遥控器。该遥控器通过ZigBee和语音识别技术的应用,

不仅可以用于控制家庭机器人的前进、后退等,还可以用于控制具有ZigBee无线通信模块的家电设备,具有一定的通用性。

1 ZigBee技术

Zigbee是一种无线标准，其主要技术特点是：低功耗、低速据率、低复杂度、低成本、网络容量大，另外,还具有高可靠性、良好的安全性和兼容性[2]。

ZigBee定义了两种类型的设备:全功能设备FFD(Full Functional Device)和简化功能设备RFD(Reduced Function Device)。从网络配置来讲，ZigBee网络有三种类型的节点：协调节点、路由节点和终端节点[3]。如图1所示，ZigBee主要支持三种拓扑结构：星形、树形和网格形。星形属于点对点的通信，适用于本文的网络类型。

2语音识别技术

语音识别技术，也被称为自动语音识别Automatic Speech Recognition(ASR)，其目标是将人类的语音中的词汇内容转换为计算机可读的输入，例如按键、二进制编码或者字符序列。与说话人识别及确认不同，后者尝试识别或确认发出语音的说话人而非其中所包含的词汇内容。

LD3320芯片是一款“语音识别”专用芯片。该芯片集成了语音识别处理器和一些外部电路，包括AD、DA转换器、麦克风接口、声音输出接口等。该芯片不需要外接任何的辅助芯片例如Flash、RAM等，直接集成在现有的产品中即可以实现语音识别/声控/人机对话功能，使用十分方便；并且，识别的关键词语列表是可以任意动态编辑的[4]。

3语音遥控器的设计

本文采用由TI公司推出的集成了ZigBee收发器CC2420、增强型8051内核的CC2430无线收发芯片和LD3320语音识别芯片来实现语音遥控器。

CC2430芯片采用0.18μm CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。CC2430具备多种休眠模式和转换到主动模式时间超短的特性，特别适合那些要求长电池寿命的应用[5]。CC2430芯片的主要特点如下：

（1）高性能和低功耗的8051微控制器核。集成符合IEEE802.15.4标准的2.4 GHz的RF无线电收发机；优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。

（2）在休眠模式时仅0.9μA的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统；在待机模式时少于0.6μA的流耗，外部的中断能唤醒系统。

（3）硬件支持CSMA/CA功能;较宽的电压范围（2.0～3.6 V）。数字化的RSSI/LQI支持和强大的DMA功能；具有电池监测和温度感测功能；集成了14位模数转换的ADC。

（4）集成了14位模数转换的ADC；集成AES安全协处理器。

（5）带有2路USART，以及1个符合IEEE 802.15.4规范的MAC计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器。

CC2430和LD3320均可以采用两节AA电池供电，十分适合应用于遥控器等便捷性要求较高的手持设备。遥控器的设计框图如图2所示。

CC2430与LD3320之间采用的是软件模拟SPI的方式进行通信，同时，遥控器还充分利用CC2430的I/O资源，添加了具有前进、左转、右转、后退和停止等功能的按键，为用户控制家庭服务机器人提供另外一种选择。CC2430与LD3320之间的具体引脚连接见程序清单1中的定义。

程序清单1：

sbit SCS=P0^0;//芯片片选信号

sbit SDCK=P0^1;//SPI时钟信号

sbit SDI=P0^2;//SPI数据输入

sbit SDO=P0^3;//SPI数据输出

sbit SPIS=P2^1;//SPI模式设置：低有效。

sbit RSTB=P2^2;//LD3320软件复位引脚。

sbit IRQ=P0^6;//识别结果中断信号输出

4遥控器软件设计

遥控器的软件设计主要包括CC2430的无线数据通信和LD3320的语音识别芯片的语音识别程序。其中，CC2430的程序设计主要是ZigBee的入网和数据的无线发射；LD3320语音芯片的程序设计主要包括通用寄存器和语音识别寄存器的初始化、识别关键字的写入和寄存器的读写等。一次完整的语音控制流程如图3所示。

5语音遥控功能的验证

完成设计后的语音遥控器如图4所示，图5展示的是语音遥控器控制的家庭服务机器人（智能家居系统的嵌入式网关，带有ZigBee协调器，由深圳中科智酷机器人有限公司设计研发）。在给遥控器和家庭服务机器人上电，并等ZigBee模块建网、入网成功后，就可以开始使用遥控器对家庭服务机器人或者带有ZigBee模块的家电设备进行语音遥控。在本课题中，加入了“前进、后退、左转、右转、停止和开灯、关灯、开空调、关空调、升温、降温”共11条识别关键字，分别对应1~11总共11个识别编码。随机选取11个识别关键字进行50次语音遥控测试，总共有38次得到正确的执行结果，准确率76%。

6结语

本文结合ZigBee和语音识别技术，完成了智能家居系统语音遥控器的设计与实现。实现了室内近距离对家庭服务机器人和家电设备的遥控。测试结果表明，利用ZigBee和语音识别技术设计语音遥控器的方案可行，但控制准确率较低。分析主要有以下两方面的原因：（1）在语音识别过程中噪音较大，导致无法正确识别；（2）在语音芯片正确识别后，ZigBee无线在发送指令失败。在后续的工作中，可以进一步完善识别程序，如利用加入“呜、啊”等噪声背景关键字，提高识别芯片的识别成功率；加大ZigBee模块的发射功率，并在发送数据后由接收模块返回是否正确接收的指令，如果没有正确发送、接收，再次发送指令。