李薇，杨庆华，何先波，李宝林

（1.西华师范大学计算机学院，南充637000；2.川北医学院影像学院，南充637000）

0 引言

随着技术的发展，智能家居和语音识别技术在生活中开始应用和普及。因现代家居控制系统有方便性、智能性和实用性的应用需求和发展趋势，语音控制家居系统成为目前研究和技术应用热点。众多研究者和开发者提出了新设计和新方法[1-9]，如文献[1-3]设计以STM32 等单片机为核心的家居控制系统[1-3]，文献4 提出基于LD3320 和Mesh 网的智能家居控制系统设计[4]，文献[5]提出基于AIUI 模块和ZigBee 网络的智能家居主控设计[5]，文献[6]设计智能家居网关[6]，文献[7-9]分别将语音识别技术应用于洗碗机、人体运动仿真和智能小车[7-9]。本文提出基于ZigBee 无线传感网的非特定说话人语音指令识别的家居控制系统方案，含结构设计和网络节点功能的实现，并通过实验测试证明其有效性。

1 家居语音控制系统设计

1.1 系统逻辑结构和硬件结构设计

系统逻辑结构设计如图1 所示。由图1 知，系统结构以协调器节点为核心，主要基于星型拓扑的Zig-Bee 无线传感网进行构建设计。系统功能层次分为：采集识别、分发、控制、终端四层。其中，输入识别层含一个语音识别节点，负责非特定说话人语音指令采集输入，并转换成指令编码发送给协调器，同时发送加入网络申请，及接收协调器的管理。分发层含一个协调器节点，负责分发设备控制指令，同时接受网络节点加入申请。控制层含三种对应控制节点，负责发送加入网络申请给协调器，并接受从协调器发送的设备操控指令，并控制挂接的设备终端。终端层含风扇、窗帘、灯管三种家居设备终端，挂接在控制层对应节点上，接受对应控制节点的操控命令，进行工作。系统总体硬件结构如图2 所示。系统节点子系统以CC2530 为核心，RF 模块作为节点间通信单元，串口负责跟上位机通信以便监测。工作时语音信号通过语音识别电路LD3320 的语音传感器采集，送识别电路进行识别转换，再通过协调器节点分转发控制指令给挂接了终端设备的控制节点。终端设备挂接在控制节点的控制电路（继电器控制灯管和风扇，步进电机控制窗帘）。

图1 系统总体逻辑结构及功能层次

图2 系统总体硬件结构

1.2 系统工作流程设计

系统总体工作流程主要涉及通过建立的无线传感网的语音识别、协调器、及控制三类节点对风扇、窗帘、灯管三种家居设备终端的操控流程。流程中主要包含无线传感网络的构建和配置、网络节点的加入、语音指令的识别转换、控制指令发送和终端的响应。系统的总体工作流程如图2 所示。

图3 系统工作流程

由图3 知，系统启动时，首先，上电协调器节点以便启动初始化协调器节点资源，并由协调器构建和配置一个具有PANID 和信道的无线传感网；接着，上电控制节点和语音识别节点以便启动初始化节点资源，并经协调器允许加入WSN 星型网络；然后，非特定说话人面对语音节点发出家居操控语音指令，由语音传感器采集送至语音节点以进行识别转换，并由语音节点发送识别转换结果信息至协调器节点；最后，由协调器节点分析并分转发终端控制命令以操控对应类型的家居终端设备。

2 功能节点实现

由1 节所述知，为基于星型无线传感网实现语音识别控制家居设备终端的功能，系统中包含语音识别、协调器、控制三种功能节点，分别负责语音采集识别、分发指令、控制设备三种功能。

2.1 协调器节点实现

协调器节点的主要功能为：构建和配置基于CC2530+ZigBee 的星型异构无线传感网、添加语音识别节点和控制节点、接收语音识别节点的语音识别转换结果信息、分析结果信息和转分发控制命令给控制节点。

（1）协调器节点硬件组成

协调器节点硬件结构以CC2530 为核心，主要以CC2530+接口资源（调试接口、传感器接口、其他接口）+I/O 资源（LED 灯、按键、蜂鸣器等）+电源模块（电源/接口/指示灯/开关）为主体组合构建。协调器节点硬件组成如图4（a）所示。

图4 节点硬件组成框图

（2）协调器节点程序流程

协调器节点程序流程为：初始化协调器节点系统的软硬件资源后，通过设置PANID 和信道等创建无线传感网络。一方面，接收节点的网络加入申请，将语音识别节点和控制节点先后加入网络，接收和分析语音节点的识别转换信息，并转分发控制命令给控制节点（风扇/窗帘/灯光）。另一方面，经串口对上位机Ping命令应答和通信，以便可通过上位机观察协调器节点接收信息。协调器节点程序流程如图5（a）所示。

2.2 控制节点实现

控制节点主要功能为：加入星型无线传感网、接收协调器节点控制命令、控制家居终端工作。

（1）控制节点硬件组成

控制节点硬件结构以CC2530 为核心，主要以CC2530+接口资源（调试接口、传感器接口、其他接口）+I/O 资源（LED 灯、按键、蜂鸣器等）+电源模块（电源/接口/指示灯/开关）+控制模块（继电器/步进电机控制模块）为主体组合构建。控制节点硬件组成如图4（b）所示，其中继电器可挂接风扇和灯管，步进电机控制模块挂接窗帘。

（2）控制节点程序流程

控制节点程序流程为：在初始化控制节点系统软硬件资源后，控制节点发送WSN 网络加入申请给协调器，协调器响应请求添加控制节点入网络。然后，控制节点等待和接收协调器节点发送的无线控制命令，根据命令类型，通过继电器模块或步进电机控制模块，控制挂接的家居设备终端（风扇、窗帘、灯管）工作。控制节点程序流程如图5（b）所示。

2.3 语音识别节点实现

（1）语音识别节点硬件组成

语音识别节点硬件结构以CC2530 为核心，主要以CC2530+接口资源（调试接口、传感器接口、其他接口）+I/O 资源（LED 灯、按键、蜂鸣器等）+电源模块（电源/接口/指示灯/开关）+语音识别传感器为主体组合构建。语音识别节点硬件组成如图4（c）所示。

（2）语音识别节点程序流程

语音识别节点程序流程为：在初始化语音识别节点系统软硬件资源后，语音识别节点发送WSN 网络加入申请给协调器，协调器响应请求添加语音识别节点入网络。然后，语音识别节点等待和采集非特定说话人语音指令，根据离线自定义指令词库识别语音指令并转换为指令编码。最后，语音节点发送转换的指令编码信息给协调器节点。语音识别节点程序流程如图5（c）所示。

（3）语音识别传感器

在语音识别节点硬件部分采用了ICRoute 公司设计生产的语音识别传感器专用芯片LD3320 进行语音识别。节点可通过ICRoute 公司特有的快速稳定的优化算法，完成非特定人语音识别，且无需用户事先训练和录音，识别准确率达95%。语音识别传感器与CC2530 接口电路如图6 所示。由图6 知，通过MK2将采集到的语音传给芯片，芯片做识别处理后，通过SPI 总线，将数据返回。对识别时需要的预定义指令关键词，遵循长度规则（不超过10 个汉字或者79 个字节拼音串），根据应用需求（风扇、窗帘、灯管三种家居终端的控制）进行离线动态编辑设置。指令库中预定关键词如表1 所示。

图5 节点程序流程图

表1 预定语音指令关键词

图6 语音识别传感器和CC2530的接口电路

3 系统测试

在给定的测试条件下，该文对系统从功能和性能上分别进行了测试。测试条件为：上位机：Intel i5-7200U CPU@2.50Hz，双 内 核。Win10 OS。PANID:0x1444，信道：22。内存16G。测试人数：20 人。发声距离：20-50cm。

3.1 系统功能测试

系统功能测试包括利用上位机和串口对三种家居终端（灯、风扇、窗帘）对应的三个节点（语音、协调器和控制）进行功能测试（指令识别、指令传输、指令控制），以及对家居终端实物控制测试（开关灯、打开关闭风扇、打开关闭窗帘）。开关灯指令功能测试包含开灯、关灯指令的语音指令识别、指令编码传输、指令控制功能测试。测试结果如图7 所示。打开关闭风扇指令功能测试包含打开风扇、关闭风扇指令的语音指令识别、指令编码传输、指令控制功能测试。测试结果如图8所示。打开关闭窗帘指令功能测试包含打开窗帘、关闭窗帘指令的语音指令识别、指令编码传输、指令控制功能测试。测试结果如图9 所示。家居终端实物控制测试主要包括开关灯、打开关闭风扇、打开关闭窗帘控制测试，如图10 所示。

3.2 系统性能测试

系统性能测试主要利用上位机和串口对三种家居终端（灯管、风扇、窗帘）对应三个节点（语音、协调器和控制节点）进行平均耗时测试，含：指令识别、指令传输、指令控制、总耗时测试，如表2 所示。由表2 知系统对于开关灯、开关风扇、开关窗帘指令总耗时约13s，其中ZigBee 通信指令传输耗时约12s。

图8 开关风扇指令识别、传输、控制功能测试（语音节点、协调器节点、风扇控制节点串口打印）

图9 开关窗帘指令识别、传输、控制功能测试（语音节点、协调器节点、窗帘控制节点串口打印）

4 结语

现代家居控制系统有方便性、智能性和实用性的应用需求和发展趋势，该文针对需求和趋势，提出了一种非特定说话人语音指令识别的家居控制系统方案，设计了系统的结构和工作流程，实现了语音识别、协调器、控制三种功能节点，经过系统功能测试和性能测试，证明该系统能实时有效地进行灯管、风扇、窗帘终端的语音识别控制，具有良好的方便性、智能性和实用性。

5 致谢

感谢深圳讯方技术股份有限公司技术支持。

图10 家居控制功能测试实物效果