基于非特定人语音识别智能家居控制系统.doc

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1、目录一、选题依据二、国内外研究现状三、预期目标四、研究的主要内容五、研究方案六、拟解决的关键问题与创新点七、研究计划进度八、主要参考文献一、选题依据近年来，随着社会和经济的发展，人民的生活水平也日渐提高，而这些又体现在了物质追求和精神享受上面。人们对居住办公的舒适性、智能性和安全性的要求日益增加，楼宇自动化系统（BAS）应运而生。楼宇自动化系统的出现是现代高新技术的结晶，是建筑技术和信息技术相结合的产物。家庭自动化（HA）即智能家居，是楼宇自动化的一个衍生分支。语音识别（ASR）又是智能化的一个重要组成部分。本文就家庭自动化里的安防系统和智能控制系统进行分析设计，设计出一套基于语音识别的智能家

2、居控制系统。实现非特定人声的语音识别、安全防范、智能家居控制等功能。二、国内外研究现状现代自动控制技术、计算机技术和通信技术等手段，有助于 实现人们家务劳动和家务管理的自动化，大大减轻人们家庭生活中的操劳，节省人们的时间，提高人们的物质、文化生活水平。家庭自动化已是人类社会进步的重要标志之一。最早进入家庭的自动化设备有自动洗衣机和空气自动调节装置等。随着现代科学技术的发展和人们生活要求的提高，家庭自动化的范围也在日益扩大。家庭安全系统、家庭自动控制系统、家庭信息系统和家用机器人等，有的已达到实用水平，有的正处于研究改进阶段。 1. 家庭自动化简介家庭自动化（Home Automation 缩写

3、：HA） 家庭自动化系指利用微处理电子技术，来集成或控制家中的电子电器产品或系统，例如：照明灯、咖啡炉、电脑设备、保安系统、暖气及冷气系统、视讯及音响系统等。家庭自动化系统主要是以一个中央微处理机（Central Processor Unit，CPU）接收来自相关电子电器产品（外界环境因素的变化，如太阳初升或西落等所造成的光线变化等）的讯息后，再以既定的程序发送适当的信息给其它电子电器产品。中央微处理机必须透过许多界面来控制家中的电器产品，这些界面可以是键盘，也可以是触摸式荧幕、按钮、电脑、电话机、遥控器等；消费者可发送信号至中央微处理机，或接收来自中央微处理机的讯号。 家庭自动化是智能家居的

4、一个重要系统，在智能家居刚出现时，家庭自动化甚至就等同于智能家居，今天它仍是智能家居的核心之一，但随着网络技术有智能家居的普遍应用，网络家电/信息家电的成熟，家庭自动化的许多产品功能将融入到这些新产品中去，从而使单纯的家庭自动化产品在系统设计中越来越少，其核心地位也将被家庭网络/家庭信息系统所代替。它将作为家庭网络中的控制网络部份在智能家居中发挥作用。 目前最有名的家庭自动化系统为美国的X-10。2家庭自动化组成（1）家庭安全系统家庭安全系统是家庭防火、防气和水漏泄、防盗的设施，它由传感器、家用计算机和相应的控制系统组成。传感器对周围的光线、温度和气味等参量进行检测，发现漏气、漏水、火情和偷盗

5、等情况时立即将有关信息送给计算机，计算机根据提供的信息进行判断，采取相应的措施或报警。例如发生火情时，计算机可控制灭火器灭火，并通过电话机向主人或有关部门报告。 （2）家庭自动控制系统这种系统用于对空调器、收音机、电视机、音响装置、清洁器等电器的 集中管理和自动控制，它由微型计算机和控制器组成。例如，它能控制空调系统，根据季节的变化自动调节室内的温度和湿度；使能源、照明和热水供应等设备最佳运行或使电子炉灶、清洁器定时完成做饭和清扫等工作。（3）家庭信息系统电话、电视机等在家用计算机的控制下形成统一的家用信息系统，并通过通信线路与社会信息中心相连，使家庭信息系统成为社会信息中心的终端,随时可从信

6、息中心获取所需要的各种信息(见可视数据系统)。利用家庭信息系统还可以进行健康管理,如对老人或体弱者每天测量体温、脉搏和血压，并将数据输入终端机，由附近医师指导给予诊断。家庭计算机辅助教育系统可用于在家中学习各种知识。利用可视数据系统，可以在家订购货物、车票、机票、旅馆房间，检索情报资料，阅读电视版报刊等。家庭自动化的进一步发展可能实现在家办公，使家庭成为工厂或办公室的“终端”。因此，家庭自动化将是工厂自动化和办公室自动化的延伸和组成部分。 （4）家用机器人80年代以来，有些国家已研制出家用机器人。它可以代替人完成端茶、值班、洗碗、扫除以及与人下棋等工作。家用机器人与一般的产业机器人不同，它应是

7、智能机器人。它靠各种传感器感觉，能听懂人的命令,能识别三维物体,具有灵活的多关节手臂。这种机器人的许多技术问题尚未解决。1.国外研究现状自从世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用。1998年5月新加坡举办的“亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上，通过在场内模拟“未来之家”，推出了新加坡模式的家庭智能化系统。它的系统功能包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、电话接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智

8、能布线箱、宽带网接入和统软件配置等。这种“未来之家”家庭智能化系统，市场真正启动尚需时日。目前在新加坡也有近30个社区(住宅小区)近5000户的家庭采用了“家庭智能化系统”，美国已有近四万户家庭安装了这一类的“家庭智能化系统”，相信到了21世纪将会有更多的住宅安装上这一类高科技智能化系统产品。目前美国有一种占据市场主流的产品X-10，销售已超过1亿个，设计户型为单体别墅，应用多为旧房改造，仅在美国便有超过400万个家庭在使用。但这些产品技术限制较多，并不适合在我国原样照搬使用应用。三星从今年春节后，开始在中、韩两国同时推出其智能家居系统，通过机顶盒和网络，将家居自动化控制、信息家电、安防设备以

9、及娱乐和信息中心这四部分集成一个全面的，面向宽带互联网的家居控制网络。根据美国该行业之专业顾问公司PARKS的统计资料显示：1995年，美国一个家庭要安装家庭自动化设备的平均费用在7000至9000美元之间。1995年美国家庭已使用先进家庭自动化设备的比率为0.33，看来市场真正启动尚需时日。预计这五年内，家庭自动化的市场年平均增长率为8。PARKS公司的资料亦显示：到2004年，家庭网络市场总额可达57亿美元。据国际专家预测，到2000年底国际智能家居的产品销售额可达24亿美元。2004年可达148亿美元。由于智能家居的诱人前景和巨大市场，尽管国外市场真正启动也尚需时日，但并未能阻止企业去争

10、食智能家居市场。虽然每家公司的策略各不相同，但它们都坚持同样的信念：山那边遍地是金。IBM公司的迈克尔。凯罗斯克说：“这是个不容IBM公司忽视的市场机会。下面就几个国家现状作简要说明：（1） 日本日本是一个智能化家居比较发达的国家，除了实现室内的家用电器自动化联网之外，还通过生物认证实现了自动门识别系统，站在安装于入口处的摄像机前，用大约1秒钟的时间，如果确认来人为公寓居民，大门就会打开。即使双手提着东西，也能打开大门。日本的智能化家居还在厕所的便器垫圈上安装有血压计，当人坐在便器上时血压计便能检测其血压。而安装在便器内的血糖检测装置，能自行截流尿样并测出血糖值。此外，厕所内洗手池前的体重仪，

11、可在人洗手的同时测量体重。检测结果均能出现在一个显示器上，全家人的检测值都可被分别保存。（2） 澳大利亚澳大利亚智能家居的特点是让房屋做到百分之百的自动化，而且不会看到任何手动的开关。如一个用于推门的按钮，在内部装上一个模拟手指来自动激活；泳池与浴室的供水系统相通，自动加水或者排水；下雨天花园的自动灌溉系统将自动停止工作等等很多自动化的设置。不仅如此，这样的智化房屋只有一处安装了42英寸的等离子屏幕可供观察，而大多数房间的视频设备则都隐藏在房间的护壁板中。安全问题也是考验智能家居的标准之一，澳大利亚智能家居保安系统里的传感器数量更多，即使飞过一只小虫，系统都可以探测出来。（3） 西班牙西班牙是

12、一个艺术氛围浓厚的国家，住宅楼的外观大多是典型的欧洲传统风格。但当你走进它的时候，才会发现智能化家居的设计的确与众不同。室内自然光充足的时候，带有感应功能的日光灯会自动熄灭，减少能源消耗；安放在屋顶上的天气感应器能够随时得到气候、温度的数据，在下雨的时候它会自动关闭草地洒水喷头、关闭水池；而当太阳光很强的时候，它会自动张开房间和院子里的遮阳篷。地板上不均匀分布着的黑孔是自动除尘器，只需要轻松遥控，它们就会在瞬间清除地板上的所有灰尘、垃圾等等，这一切都充满了柔和的艺术气息。（4） 韩国韩国电信用4A描述他们的数字化家庭系统（HDS）的特征，即Any Device，Any Service，Any

13、Where，Any Time，以此表示这套系统能让主人在任何时间、任何地点操作家里的任何用具、获得任何服务。比如客厅里，录像设备可以按照要求将电视节目录制到硬盘上，电视机、个人电脑、PDA都会有电视节目指南，预先录制好的节目可在电视、个人电脑和PDA上随时播放欣赏；厨房里，始终处于开启状态并联网的电冰箱成了其他智慧家电的控制中心，冰箱可以提供美味食谱，也可上网、看电视；卧室内设有家庭保健检查系统，可以监控病人的脉搏、体温、呼吸频率和各种症状，以便医生提供及时的保健服务，通过与卧室的电视机相连，病人则可向医生“面对面”咨询。还有一种叫做Nespot的家庭安全系统，立足于“控制与防止”，将有线与无

14、线网络结合于一体。采用Nespot，不论你在家还是在外，都可通过微型监视摄像头、安装在门上的传感器、煤气泄漏探测器等，将家庭状况实时传到你的电脑、手机或PDA上。你也可以远程遥控开灯，营造一种有人在家的氛围。紧急情况下，你还可以呼叫急救中心。2.国内研究现状在国内，家庭自动化一直是各厂家争夺智能家居市场的主战场，我国主要的两大阵营是由海尔主导的e家佳和由联想推动的闪联，两者都获得了工信部的批准，前者侧重于家庭，后者关注于办公，但最终都聚焦于家庭网络化。近期，随着物联网实现路线的日趋明朗，政府和市场对物联网热情追捧，很多热门的物联技术也涌入家庭自动化领域，如ZigBee、Z-Wave、Inste

15、on。这些协议和标准的相互竞争，促进了自动化领域的技术繁荣，也推动了智能家居向生活智能化的进程，然而，繁荣的背后也存在着一定的制约因素。 （1）市场先行 创造社会价值是行业存在的唯一理由，多方共赢的商业模式是家庭自动化系统真正走进家庭的不二选择。众所周知，市场由人口、购买力、购买意愿和环境等几个方面构成，满足大众需求可以做大市场蛋糕。 目前，市场需要性能稳定、价格适宜、使用方便的自动化产品，这就需要相关企业提供即插即用、适时可得、性价比高的实用化、傻瓜化、模块化的智能产品，垄断技术、提高壁垒、撇脂定价这些满足少众需求的竞争手段和方式只会使整个行业停滞，提高行业透明度和资源利用率，通过协作和规模

16、效应来降低产品成本，是共同推动行业的健康发展的王道。 （2）分步导入 按照马斯洛需求理论，人的需求分为生理需求、安全需求、归属与爱的需求、尊重需求和自我实现需求五类，只有在较低层次的需求得到满足之后，较高层次的需求才会有足够的活力驱动行。 作为一个新兴的产业，以提高生活质量为己任的家庭自动化，是人们在满足了生理需要的基础下进一步的需求。所以，大规模商用家庭自动化，首先应该满足人们安全需求市场。安全需求包括人身安全、健康保障、家庭安全、财产保障等，先行导入家庭智能监控、远程健康医疗等家庭监控类产品是实现家庭自动化产业化的必由之路，目前由运营商主导的多个移动物联网业务已经开始了这方面的尝试。 让生

17、活更智能是家庭自动化的终极目标，这需要政府、企业和公众的共同努力。从大处着眼，进行行业规范，从小处着手，解决紧迫问题，循序渐进，步步为营，智能家居终将实现。 （3）多因素限制家庭自动化发展 在家庭自动化发展的过程中，一直不乏市场的关注和使用者的期待。但是目前家庭自动化还只是少数人的“专利”。从可考证的资料来看，目前家庭自动化亚太地区整体市场约5亿美元，主要集中在日韩发达国家，离业内专家估计的千亿美元市场还有相当一段距离。国内发展更为缓慢，家庭自动化仅仅停留在体验厅和部分试点楼盘，与提供舒适丰富的生活环境、方便灵活生活方式、高效可靠的工作模式的目的大相径庭。在一些大家看好、用户期待、技术支持的项

18、目上，未能大规模商用，究其原因，主要有三个方面的问题。 其一：行业标准的融合难。因历史成因和经济利益，目前国内采用两大标准e家佳和闪联，分别代表家电厂商和IT厂商，两者已将行业进行人为分割，各自建设。目前，e家佳在家电智能化方面优势明显，而闪联在设备互联产品化方面有一定优势。但随着3C融合日趋成熟，家庭自动化成为两者最主要的战场。经验表明，适度竞争可以促进技术进步，但过多竞争就会造成资源的浪费和本位主义滋生，兼容成本和垄断成本高企，短期利益的驱使会将技术和市场引向歧途。跨行业和部门的融通、产业链的融合已经迫在眉睫。 其二：技术专业化程度高。与计算机产品和家电产品的即插即用不同，目前家庭自动化产

19、品是一个整体系统，需要专业人员进行安装、调试和使用培训，用户无法从使用中获得体验和乐趣，降低使用和购买的意愿。这就降低产品价值，抬高价格和使用门坎，限制行业的发展。同时，产品的专业化也意味着研发投入大，技术共享难，各个厂家专注于标准，对产品重视度不够；市场培育期长，客户认知时间长，行业规模化进展慢，这些因素直接反应在产品价格和性能上，形成价高和寡的市场局面。因此，加强技术实用性，提高产品普及性，首要解决技术的复杂性，让更多从业者进入该行业，降低成本，推动市场化进程。 其三：产品智能化进展慢。智能家居涉及到计算机、通信、自动化、电子等多个学科领域，没有一个企业能够以一己之力毕其全功，成就如Mic

20、rosoft者，也只是在部分领域进行了完全智能化。目前国内与家庭自动化行业相关的产品比比皆是，但智能化水平偏低，其产品和服务仅仅作为人工的一种补充，满足一些机械功能的实现，而不是改变生活方式的主要力量。这是没有进行合理的行业分工造成的，也是家庭自动化无法在房地产推广上兴起的主要原因。 （4）突破瓶颈需多方面努力 在政府“感知中国，智慧城市”的政策推动下，家庭自动化行业迎来了前所未有的市场机遇，若想抓住机遇，突破瓶颈，企业必须从行业引导、市场机制、产品导入等方面进行多方努力。 （5）整体规划 家庭自动化是一项系统工程，需要事无巨细的规划和永无止境的改进。公信力是家庭自动化整体规划的必要条件。政府

21、和行业协会应该科学主导行业发展，保持适度竞争，促进技术融合。 目前，国内的家庭自动化产业集合了房地产、家电、通信、安防等多领域的企业。各自专属的领域、独有的技术和细分的市场，这些要素的融合融通、利益的分配、业务的分工等都需要有权威的机构来主导和推动。没有一项技术和标准是完美无缺的，持续的改进是行业从生存到发展的基本要求，无论是e家佳，还是闪联，都需要在互联互通的基础上，推进标准普及。三、预期目标本文针对家庭自动化进行分析理解，以及语音识别在智能控制方面的具体应用结合当前实际情况，设计出一套具有语音识别、安全防范、智能控制的智能控制系统。该语音识别智能控制系统采用意法半导体的STM32作为主控芯

22、片，语音识别模块采用ICRoute公司的LD3320语音识别芯片，结合相关的传感器，系统设计应合理，能达到本系统的应用需求。该系统能够稳定运行，投放市场。四、研究的主要内容该语音识别智能控制系统主要实现：语音识别、智能控制、火灾报警、防盗报警、自动窗帘控制、GSM远程控制等功能。1. 语音识别模块该语音识别智能控制系统的语音识别模块采用的是ICRoute公司的LD3320语音识别芯片，LD332X系列是ICRoute生产的基于非特定人语音识别（SI-ASR：Speaker-Independent Automatic Speech Recognition）技术的语音识别芯片/声控芯片。该系列产品

23、提供了真正的单芯片语音识别解决方案。 LD332X系列芯片是一颗集成了高精度A/D和D/A接口的语音识别芯片，不需要外接任何的辅助芯片如Flash、RAM、加密芯片等，也不需要其他在PC机上的有关语音识别训练的任何软件，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。并且，识别的关键词语列表是可以任意动态编辑的。 基于LD332X芯片，可以在任何的电子产品中，甚至包括最简单的51MCU作为主控芯片的系统中，轻松实现语音识别/声控/人机对话功能。为所有的电子产品增加人性化的操作界面：VUI(Voice User Interface)语音用户操作界面。本系统通过非特定人声的采样，自动

24、匹配识别列表内的关键字，识别成功后返回相应的识别码。2. 智能控制 本系统通过接收语音识别返回的识别码，并将识别经过串口发送到STM32主控芯片，由该芯片控制对应的继电器，来智能的控制家用电器的工作情况。 3火灾报警本系统火灾报警模块采用的是烟雾传感器模块，该烟雾传感器模块可以感知环境中的气体含量，当发生火灾时，该烟雾传感器会返回一个开关信号到STM32芯片，由STM32芯片智能的处理报警信息。4防盗报警该系统防盗报警模块采用的是人体热释电红外传感器，该传感器可以检测到移动的红外信号，当报警器处于开启状态下，在监测范围内检测到信号，则发送信号到控制芯片，控制芯片开始处理报警信息。5自动窗帘控制

25、本系统可以采用光敏电阻来实现窗帘的自动控制，当为白天时，光线强，光敏电阻阻值很小，此时窗帘自动打开，当夜幕降临，光线黑暗，此时光敏电阻阻值很大，此时控制系统会自动的将窗帘拉上。起到了自动窗帘控制的效果。6.GSM远程控制本系统可以采用GSM模块对家居情况实时监控，当有报警信息时，会经过GSM网络发送短信到目标手机，也可以通过手机远程控制家电的工作情况。五、研究方案1. 系统框图该语音识别智能控制系统的整体框图如下所示： 液晶屏烟雾传感器温度传感器继电器GSM模块人体红外热释电传感器按键直流电机舵机STM32主控芯片语音识别红外模块光敏电阻由系统框图可以看出该系统实现的功能包括了语音识别、红外检

26、测、光线检测、烟雾检测、温度检测、继电器控制、液晶屏显示、人体检测、舵机控制、直流电机控制、按键输入以及GSM模块数据传输等功能。各个模块分开工作，集中管理控制，整体系统由语音进行控制，并且有相应的语音输出，人性化大大增强。2系统流程图该语音识别智能控制系统的系统流程图如下：自动卷帘红外传感温度显示烟雾报警GSM发送短信防盗报警关门开门关灯开灯语音识别18B20初始化GSM初始化语音模块初始化STM32初始化液晶屏初始化由流程图可以看出系统各模块初始化完后进入大循环，在这个循环里不停检测语音识别模块发回的识别码，如果有正确的语音输入，则将识别码送给STM32主控芯片由该芯片做出相应的识别操作。

27、在这个循环中如果检测到烟雾报警信息，或者防盗报警信息，都将发出警报，并且通过GSM模块发送短信到目标手机，达到智能化监测的目的。3语音识别部分电路图该电路为语音识别芯片LD3320电路，该芯片为3.3V供电，电源端加滤波电容可以抑制电源带来的噪声影响。对系统稳定性有很大的提高。该芯片有line in 输入和咪头两种输入模式，方便用户进行语音识别。该芯片内部集成了音频放大电路，可以直接外接扬声器，输出各种提示音，给用户提供了一个很好的交互界面。六、拟解决的关键问题与创新点1. 拟解决的关键问题在对本系统整体进行设计研究时，发现有几点问题应当予以重视并且致力解决。拟解决的关键问题有二：（1） 如何

28、提高语音识别率在对语音识别和智能控制研究的过程中，可以发现以往的语音识别精度已经到了一个瓶颈时期，没有什么突破，大多数语音识别精度最高在95%。影响语音识别精度的原因有很多种，比如环境噪声，算法优化问题，关键词模糊性等问题。（2）如何实现远程监控虽然本系统是一个相对智能的系统，用户可以通过语音识别来控制家电的工作状态，体现出了其智能性，但是在家庭无人的情况下，怎样对各种报警系统做出应急响应，是本系统另一个关键问题。2. 创新点本语音识别智能控制系统摒弃了以往控制系统陈旧、呆板的思想，采用新型的语音识别技术进行智能的控制，采用新型ARM芯片意法半导体Cortex-M3系统主控芯片，控制速度和处理

29、数据实时性大大提高。并且首次将智能家居、安全防范、GSM远程控制三者紧密结合起来，有一定的创新性，本人结合实际情况，经过自身实践得出该系统有如下两点创新：（1）语音控制与GSM控制相结合语音控制指的是：通过用户讲话，语音识别模块进行识别，匹配关键字词，输出识别码到主控芯片，由主控芯片控制继电器等做出相应的动作。而GSM远程控制则是用户通过手机拨打电话，经过GSM网络传到目标主机，目标主机根据命令做出相应的动作，现在多数系统都是分开的，而本系统采用语音识别和远程控制相结合的思想进一步提高了家居的智能性。有了远程控制，即使人不在家中也能时刻监视家庭的安防情况，以便及时应对突发情况。（2）优化关键词

30、列表提高识别精度本系统采用的是LD3320作为语音识别芯片，该芯片支持关键词动态编辑的功能，并且最多能设置50个关键词，在设置好要识别的关键词语后，为了进一步降低误识别率，可以再添加一些其他的任意词汇进识别列表，用来吸收错误识别，从而达到降低误识别率的目的。我们可以把这些关键词语称之为“垃圾关键词语”。比如，某个应用场景中，需要识别的关键词语是4条，分别是：“前进”、“后退”、“开门”、“关门”。在把这四个关键词语设置进LD3320后，可以再另外设置1030个词语进LD3320，比如“前门”、“后门”、“啊啊啊”、“呜呜”等等。这样当语音识别模块识别出这些垃圾词语的时候，会返回一个对应的识别码

31、，再将这些识别码传送到STM32中，当STM32判断到是垃圾词语的识别码时候，直接丢弃，不做任何响应，这样就大大的提高了语音识别系统的识别率，能够确保语音识别系统稳定运行。七、研究计划进度（同上）2012.102012.12 研究当前国际、国内各种家庭自动化以及语音识别技术。2013.012013.03 硬件电路选型、设计、调试2013.042013.09 软件编程、调试2013.102013.12 系统整合、调试2014.012014.03 整理文档、撰写论文2014.04 准备答辩八、主要参考文献1刘锴,黄卜夫,吴光明.家庭楼宇自动化的发展趋势及新型协议C.哈尔滨：电测与仪器编辑部，200

32、3: 33-36. 2黄卜夫.家庭楼宇自动化的研究与开发D.杭州：浙江大学，2002.12：6-73中文语音识别系统通用技术规范 GB/T 21023-2007S.北京：中国标准出版社.20074刘幺和.宋庭新.语音识别与控制应用技术M.北京：科学出版社.2008.15周洪.智能家居控制系统/智能建筑自动控制系统丛书M.北京：中国电力出版社.2006 6顾牧君.智能家居设计与施工M.上海：同济大学出版社.20047韩江洪.智能家居系统与技术M.合肥:合肥工业大学出版社.20058任宗伟.物联网基础技术M.北京:中国财富出版社.20119阎洪林,蒋琳峰. 住宅智能装饰M.北京:中国林业出版社.2

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