基于语音识别技术的智能家居控制系统的设计

胡宇翔 陈嘉馨 钟海辉

摘 要：在科技不断飞速发展的时代背景下，传统家居必然会走上智能化和科技化的道路[1]。传统的家居设备需要通过人工一一进行开启或者关闭工作，而现代家居设备数量越来越多，种类也越加繁多，当用户回到家中时，劳累的身体还需要对这些家居设备一一进行操作，加重了身体的负担，传统的模式已经不能够满足人们的需求，在这样的背景下，智能家居的产生很好的解决了这个问题[2]。那么如何通过方便快捷的办法控制智能家居便摆在我们面前，基于语音识别技术的不断进步和提高，使用语音识别技术，利用MIT语音服务器完成对语音信号的特征提取和识别过程，控制智能家居，这便是本文设计的一个方案。

关键词：智能家居;语音识别;控制系统

1 语音信号方案

1.1 语音信号预处理

对语音信号进行预处理指的是通过各种手段对原始的语音信号加工处理，由于在家居环境中，主人说话的声音比较小，因此有时候会在软件设计时加入语音增强模块，防止因为噪声过大而掩盖了原始的真实语音信号。其次还需要对语音信号进行预加重处理，这是因为当语音信号的频率超过800赫兹时，信号会出现严重的衰减，为了使得信号不失真，就必须对语音信号进行预加重处理，使得信号在高频率部分变得平坦，便于后来的频谱分析。因为语音信号会因为声调生涩等的不同而发生变化，为了解决这个问题，还需要对语音信号进行加窗分帧，使信号尽量保持平稳的状态，方便进行频谱分析。

1.2 语音信号特征提取

语音信号的特征提取在语音识别技术中是一个关键点，通过对特征的提取能够有效的识别人物信息。对于大部分语音信号一般都处于低频带，但是仍旧有部分语音信号处于高频带，后者很容易受到噪声的干扰，因此需要采取一定的手段对高频信号进行滤除，增加语音信号的抗噪能力。常用的语音信号特征提取方法是梅尔频率倒谱系数分析法，本文也将采取这种方法对语音信号进行了特征提取。

1.3 模式匹配及识别算法

语音识别的另外一个模块是进行模式匹配，模式匹配的目的是将人的语音信息和语言库中的文字信息进行匹配，从而将翻译过来的文字信息传入到主控芯片控制目标完成某项功能。现代常用的模式匹配方法是HMM算法，本人也将采取这种算法完成对语音信号的模式匹配和识别。

2 系统设计与分析

2.1 语音控制模块设计

首先需要明确本文语音模块完成的功能，即需要在手机客户端准确识别出语音指令，完成对家居设备的控制。基于此，本文设计采用MIT语音识别服务器完成这项功能，这个服务器能很好的识别中文语音信号。在采集完语音信号之后，该服务器需要对语音信号进行预处理，提取特征信息，建立语音模型。相较于其他语音服务器，MIT具有较高的识别准确率，能够对英语、汉语和日语三种语音进行识别。

在设计之前，需要了解MIT语音信号的底层结构。MIT语音处理器在识别语音信号时可以分为三个层次，分别是音节、词汇和语义。由于MIT语音处理器几乎涵盖了所有的中文音节信息，因此当人类在发出基本的音节乃至连词变音时都能够精准的识别，识别之后根据特定的算法翻译成词汇输入到系统后台中。接着下一步就是对词汇的识别，对词汇进行解析。解析完成之后，就会将解析得到的计算机语言传递到后台由手机下达指令。

2.2 数据传输模块设计

考虑到本文的设计环境中家居设备可以会发生移动，因此网络拓扑关系可能有所变化，因此本文选择AODV路由算法实现室内环境中的传感器网络搭建。该路由协议的特点是一事一办，当路由建立完成之后，只要居家设备不发生移动，后续的指令传达路径便会按照原先的路由进行数据的传输。而如果当家居设备移动或者发生断电情况后，那么网络内就会重新建立起路由，时刻保持数据传输的畅通。

2.3 控制家居模块设计

在本文的设计方案中，手机客户端能够与家居设备控制器进行网络连接，而家居设备控制器能够与每一个家居设备进行网络连接。在同一个家庭无线网络环境中，手机客户端控制家居设备首先是将控制指令传达给家居设备控制器，控制器的信号接收装置在收到信息后对其进行解析，再将此命令向下传达给家居设备，最终完成用户想要实现的操作指令。该设计方案是基于手机客户端与控制器之间的网络为4G网络搭建的，家居设备控制器与每一个家居设备之间仍旧是以无线网络连接。在控制器上有安装一个4G上网卡，手机客户端控制家居设备首先是通过4G网络将控制指令传达给家居设备控制器，控制器的信号接收装置在收到信息后对其进行解析，再将此命令向下传达给家居设备，最终完成用户想要实现的操作指令，这种方式一般用于远程控制。同时，本设计的方案能够实现的功能包括控制灯亮灭等等。

2.4 核心模块软件设计

本文的智能终端模块也就是控制家具模块主要是由手机端完成，并在手机端安装好语音控制软件，由于一个家庭环境中往往包括多个家居设备，因此手机端需要控制多个节点。为了解决这个问题，首先将数据包传递给家居環境中的主控中心，控制中心将数据标分解之后，再根据指令传递给特定的家居设备，从而完成对家居设备的控制。在这个数据包中包含三个内容，首先是节点地址，其次是家电类型，最后是需要传达的控制命令，即手机客户端翻译出来的语音信息。

3 结语

本方案是基于语音识别技术的智能家居控制系统，通过客户端的语音信息，完成对智能家居的控制，让家居设备更加智能化，利用MIT语音服务器完成对语音信号的特征提取和识别过程，并且该服务器内有自动的高频噪声滤波器，防止声音信号发生失真现象。其次Zigbee模块完成了数据传输的功能，能够在网络拓扑较为稳定的家居环境中实现对数据的传输，消耗的功率降低，成本也较低。

参考文献：

[1]牛可，张珣.智能家居语音识别通用语音AI云平台的设计与实现[J].2019.

[2]凌贤鹏，李绽蕾.基于智能语音的智能家居系统设计[J].2019.

作者简介：胡宇翔（1996-），男，浙江东阳人，本科，研究方向：信息与计算科学。