汪衍佳，沈 森，常文豪，宋 杰

(河南科技大学信息工程学院，河南 洛阳 471003)

0 引言

随着生活水平的不断提高，人们对于家庭住宅的理解也发生了革命性的转变。我们希望生活在一个舒适宜人、安全便利、智能化的高品位环境中，这样智能家居便应运而生。将语音识别技术运用到智能家居中，能够为智能家居系统提供更加人性化的操作方式。所以，探索和研究智能家居语音识别控制系统对于改善人类生活具有积极意义。

现有智能家居语音识别控制系统通常需要对家居设备进行改造，使用终端软件控制相应设备，成本较高。本文不对传统电器进行改造，而是通过使用额外设备间接控制电器设备，即可实现对电器设备的控制，相较同类产品而言，成本较低，可扩展性强，增加节点方便且易于实现。

1 系统概述

系统分为本地控制中心系统和云端控制中心系统，简称为本地系统和云端系统。

本地系统为搭载linux系统的单片机，负责语音信息预处理，并在处理后上传传给云端系统；并对云端系统传下发的信息进行处理分类后控制相应的终端节点；同时本地系统还拥有一块具有触摸功能的TFT显示屏，用来对整个系统进行初始化以及设置相关的参数。

云端系统搭载linux，负责接收本地系统上传的语音信号，并将语音信号与云端的命令词库相匹配，将最佳的结果反馈至本地系统，实现语音信号的解析。

本地系统和云端系统通过因特网进行连接。此外，整个系统中还有两个用于触发系统工作的设备，一个是手持语音设备，用于在家里时，用语音控制整个系统，另一个是手机端的APP，用于不在家里时通过远程终端对家庭设备进行控制。

系统原理框图如图1所示。

图1 系统原理框图

2 本地系统各模块设计

本地系统主要由CC3200主控模块、语音识别模块、无线通信模块、控制终端节点等部分构成。

2.1 CC3200主控模块

该模块为核心控制模块，将输入信号按对应程序规则处理后输出至各个模块。

针对物联网(IoT)应用的SimpleLink CC3200器件是一款集成了高性能ARM Cortex-M4 MCU的无线MCU，此应用MCU子系统包含一个运行频率为80MHz的行业标准ARM Cortex-M4内核[1]。此器件包含多种外设，其中包括一个快速并行摄像头接口，I2S，SD/MMC，UART，SPI，I2C和四通道模数转换器(ADC)。CC3200系列包括用于代码和数据的灵活嵌入式RAM，以及具有外部串行闪存引导加载程序和外设驱动程序的ROM。

2.2 语音识别模块

该智能系统采用了科大讯飞公司推出的XFMT101模块，它是科大讯飞新推出的初级智能语音方案，目前支持语音识别、语音合成、语音播放等语音功能。模块支持UART作为通信接口，以ARM Cortex M3作为运行平台，支持9 600 bps、19 200 bps、57 600 bps、115 200 bps等多个波特率，支持外扩U盘或SD/TF卡作为外置存储，可以广泛应用多种智能硬件领域，如智能家电、智能穿戴等，为用户提供便捷的语音识别解决方案[2]。

XFMT101板卡支持UART通讯方式，用户上位机可通过UART接口与板卡进行通讯。XFMT101模块和CC3200主控单元UART接口硬件连接方式如图2所示。

图2 XFMT101模块和CC3200连接图

该模块支持20个命令词的识别，自带有“打开灯光”、“关闭微波炉”、“开始”、“暂停”等常用语音，当然也可以设置自定义命令词，比如“拉开窗帘”、“我饿了”等等。模块接收了语音信号并将其转化为相关的电信号传输给主控模块。

2.3 无线通信模块

该模块将命令信息传送至终端接收装置，并接收来自终端的信息，将其传送至控制中心。CC3200 Wi-Fi网络处理器(CC3100)可以提供快速安全的WLAN和因特网连接，支持站点、接入点和Wi-Fi直连3种模式。

Wi-Fi网络处理器子系统特有一个Wi-Fi片上互联网并且包含一个额外的专用ARM MCU，此MCU可完全免除应用MCU的处理负担。 这个子系统包含802.11 b/g/n射频、基带和具有强大加密引擎的MAC，以实现支持256位加密的快速、安全互联网连接。CC3200器件支持基站、访问点和Wi-Fi直接模式[3]。此器件还支持WPA2个人和企业安全性以及WPS2.0。Wi-Fi片上互联网包括嵌入式TCP/IP和TLS/SSL堆栈，HTTP服务器和多个互联网协议[4]。

2.4 控制终端节点

控制终端采用STM32芯片搭建一个成本低、实用性强的智能控制交互系统。通过无线通信模块与CC3200主控单元进行通信，通过物理电路或红外线直接控制家居设备[5]。同时，在控制终端节点上放置相关传感器，对一些安全问题进行实时监测。比如厨房煤气，室内温度等。在厨房煤气一氧化碳高于一定值后，返回信息至主控中心，提醒人去关闭煤气，在室内温度高于或低于一定值后，自动调整温度或者提醒人去调整温度，提高安全性。

3 云端系统设计

云端系统[6]搭载linux，负责接收本地系统上传的语音信号，并和第三方API-语音解析平台，进行通信，实现语音信号的解析以及完成语音交互；并将第三方处理过的信息下发本地系统。本地系统和云端系统通过因特网进行连接。该系统后期还打算通过AI平台提供人机智能交互功能，根据语音指令播放音乐，查车票，股票，进行简单的语音对话等，使得系统具有一定的自学习能力，能自主根据用户习惯对系统做出相应改动，更贴近用户习惯为用户提供更好的操控体验。

4 软件设计

该系统软件设计同样分为本地系统软件设计和云端服务器软件设计两个方面，具体各部分设计如图3所示。软件设计采用的是TI公司的CCS应用设计开发，该应用是CC3200芯片专用的开发软件，编程方式灵活，可以提高软件开发效率。

图3 系统软件设计

本地系统软件设计分为四个部分。主控制系统软件部分即CC3200主控单元的程序设计，主要功能是完成系统的配置，数据的处理与传输。语音识别模块软件设计主要是对XFMT101模块的初始化配置，以及命令词的自定义化功能。无线通信模块软件设计是通过对Wi-Fi网络处理器的配置，进行数据传输，从而实现其他模块之间的通信功能。终端节点软件设计完成的是对各个终端节点的配置，以及对各传感器上的信号进行反馈。

云端服务器软件设计分为两个部分。服务器配置程序是对云端服务器的初始化配置和云端数据库的程序设计。数据传输模块软件功能是进行本地系统和云端系统的数据交互，以及和第三方API的通信。

主控制系统软件程序主要功能之一是将语音信号转化为相应的操作码，部分语音信号处理后的操作码如表1所示，操作码1011的意思即为把客厅的空调打开。

表1 部分语音信号处理后的操作码

5 系统的调试结果与分析

将本系统置于实际应用环境中，经过调试后，测试结果表明：系统运行正常，终端节点上的几个用于实验的灯均可正常打开与关闭。说明主控单元对语音信号的处理及传输均正常，系统配置无误，后续只需增添新的终端控制节点和命令词即可完成新的操作，不需要再对主系统进行较大改动。

图4 接收到的部分语音信号数据

6 结束语

综上所述，基于CC3200的智能家居语音识别控制系统综合运用了多种理论与技术，能够实现对传统家具的智能化改进，以达到易于控制、节能、低成本的目的，也为智能家居行业指出了一条新的方向。