薛家峰

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了ZiBee、wifi、藍(lán)牙等技術(shù)在日常生活中的廣泛應(yīng)用，并出現(xiàn)了基于無(wú)線通信技術(shù)的智能家居應(yīng)用，即物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用。論文主要探討了如何采用ARM Cortex-M3為內(nèi)核的STM32處理器作為微處理器，由NRF24L01構(gòu)成無(wú)線通信，融入藍(lán)牙、RFID射頻技術(shù)構(gòu)建具有語(yǔ)音識(shí)別功能和人機(jī)交互功能的智能家居系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)家居設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、人機(jī)交互，解決傳統(tǒng)智能家居僅停留在家居設(shè)備獨(dú)立子系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行水平上。

RFID技術(shù)智能家居物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人機(jī)交互語(yǔ)音識(shí)別

0引言

Internet of things簡(jiǎn)稱(chēng)IoT即物聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)是基于互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物品與物品間的連接，是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的擴(kuò)展，是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用后的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)在智能家居中的應(yīng)用就是要實(shí)現(xiàn)家居設(shè)備（如：電視機(jī)、冰箱、室內(nèi)溫度計(jì)、空調(diào)等）設(shè)備間的互聯(lián)，通過(guò)互聯(lián)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、遙控、定位、跟蹤以及管理功能，提高家居設(shè)備整體工作效率和協(xié)調(diào)性。本論文主要探討了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)智能家居設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的課題，課題圍繞智能家居設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化（物聯(lián)網(wǎng)）與人機(jī)界面（語(yǔ)音識(shí)別）進(jìn)行展開(kāi)分析。家居設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化主要通過(guò)不同種類(lèi)的通信方式（如Zigbee、紅外通信、藍(lán)牙等）實(shí)現(xiàn)傳感器與微控制器間和設(shè)備各個(gè)子系統(tǒng)間的互聯(lián)、互通、信息交互；智能家居交互界面指通過(guò)界面顯示、觸摸屏幕交互、語(yǔ)音交互等方式實(shí)現(xiàn)人機(jī)指令交互，目前人機(jī)交互界面技術(shù)目前主要討論的是語(yǔ)音交互界面（VII）。

1智能家居系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

在本課題中智能家居系統(tǒng)主要功能有：（1）通過(guò)語(yǔ)音控制實(shí)現(xiàn)人與智能家居設(shè)備間人機(jī)交互；（2）家居環(huán)境檢測(cè)，如發(fā)生異?；蛘哂腥岁J入等自動(dòng)告警功能；（3）安防門(mén)禁系統(tǒng)功能，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別主人和非主人。其系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

智能家居互聯(lián)系統(tǒng)中語(yǔ)音信號(hào)接收與識(shí)別部分由語(yǔ)言識(shí)別芯片（ASR）來(lái)完成，語(yǔ)音與指令匹配與校驗(yàn)由STM32微處理器完成，設(shè)備與設(shè)備間通過(guò)無(wú)線通信發(fā)射與接收器進(jìn)行指令數(shù)據(jù)交互，整個(gè)智能家居設(shè)備最終通過(guò)指令執(zhí)行實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制與響應(yīng)。

2無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)

2.1無(wú)線通信技術(shù)選擇

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接是通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行連接，在物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)中廣泛應(yīng)用的無(wú)線通信技術(shù)主要有紅外線通信技術(shù)、藍(lán)牙通信技術(shù)、RFID射頻識(shí)別技術(shù)、NRF24L01技術(shù)。在本智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)中根據(jù)設(shè)備類(lèi)型選擇不同的無(wú)線通信技術(shù)，例如紅外線通信技術(shù)用于具有紅外線控制家電設(shè)備中，設(shè)備遠(yuǎn)程控制則采用NRF24L01通信技術(shù)，藍(lán)牙則應(yīng)用于具有藍(lán)牙功能的所有設(shè)備中。

2.2無(wú)線通信單元設(shè)計(jì)

紅外線通信技術(shù)主要通過(guò)波段在940nm的紅外線進(jìn)行傳輸信息，進(jìn)行紅外線信號(hào)發(fā)送時(shí)發(fā)送端將信號(hào)碼數(shù)按照一定協(xié)議轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，并通過(guò)紅外線發(fā)射管發(fā)送信息，在智能家居中通過(guò)紅外線進(jìn)行控制設(shè)備的主要是電視機(jī)、空調(diào)、風(fēng)扇等，這些設(shè)備主要通過(guò)遙控器中紅外線信號(hào)進(jìn)行控制設(shè)備，紅外線設(shè)備在接收紅外線信號(hào)后通過(guò)接收器HS0038解碼為PWM脈沖，設(shè)備通過(guò)PWM脈沖信號(hào)進(jìn)行控制晶體管設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)控制和調(diào)節(jié)控制。

手機(jī)通信技術(shù)主要是指藍(lán)牙通信技術(shù)和GSM通信技術(shù)，目前移動(dòng)電話、電腦、相機(jī)等設(shè)備都具有藍(lán)牙功能，這部分設(shè)備控制則需要通過(guò)藍(lán)牙通信技術(shù)和GSM通信技術(shù)進(jìn)行信息交互。在本課題中對(duì)于這類(lèi)設(shè)備的控制主要通過(guò)HC-06藍(lán)牙通信模塊進(jìn)行控制。HC-06藍(lán)牙通信設(shè)備通過(guò)串口與微處理器連接實(shí)現(xiàn)通信。

NRF無(wú)線通信電路則主要用于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。例如數(shù)據(jù)傳輸需要穿墻功能，則紅外線、RFID是無(wú)法實(shí)現(xiàn)該功能，NRF通信模塊具有抗干擾、遠(yuǎn)程操作的功能。

RFID射頻無(wú)線通信技術(shù)是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)物體追蹤和數(shù)據(jù)交互，本課題中RFID選擇RC522作為射頻識(shí)別模塊。

3語(yǔ)音識(shí)別單元設(shè)計(jì)

語(yǔ)音識(shí)別單元通過(guò)語(yǔ)音直接控制家電，例如通過(guò)語(yǔ)音控制電視機(jī)開(kāi)關(guān)、調(diào)臺(tái)等。語(yǔ)音識(shí)別原理主要是對(duì)于語(yǔ)言信號(hào)進(jìn)行采集，采集后語(yǔ)音分析芯片分析聲波頻幅特征，提取特征信息，在下次語(yǔ)音信號(hào)采集時(shí)候通過(guò)與原來(lái)聲波信號(hào)進(jìn)行匹配，若匹配一致則執(zhí)行相關(guān)指令信息。

在語(yǔ)音識(shí)別中語(yǔ)音分析芯片集成了語(yǔ)音識(shí)別處理器和一些外部電路，例如包括AD、DA、轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)、語(yǔ)音等。在本課題中語(yǔ)音識(shí)別模塊主要使用LD3320芯片，其芯片具有穩(wěn)定的語(yǔ)音優(yōu)化算法，可以實(shí)現(xiàn)非特定人語(yǔ)音識(shí)別，其識(shí)別率和準(zhǔn)確率很高，不需要增加Flash芯片和AD芯片就可以完成語(yǔ)音識(shí)別功能。

在具體設(shè)計(jì)時(shí)語(yǔ)音信號(hào)的采集和識(shí)別通過(guò)讀寫(xiě)寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)，微處理器則通過(guò)軟件、硬件的并行傳輸和軟件模擬SPI傳輸和硬件傳輸方式進(jìn)行信息交互。

4結(jié)束語(yǔ)

本課題主要在分析智能家居發(fā)展趨勢(shì)基礎(chǔ)上探討了基于STM32以及語(yǔ)音交互界面的智能家居系統(tǒng)研究，提出了其系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)和功能實(shí)現(xiàn)方法。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目。