一种基于语音识别与Mesh网络的智能家居控制系统设计

孟令轲

（东营市胜利第二中学，山东 东营 257000）

一种基于语音识别与Mesh网络的智能家居控制系统设计

孟令轲

（东营市胜利第二中学，山东 东营 257000）

结合语音识别技术和蓝牙技术联盟发布的蓝牙5规范，设计了一种基于语音识别与Mesh网络的智能家居控制系统。该系统主要由语音识别模块、执行器模块和后台控制中心3部分构成，各部分的每一个模块都有一个蓝牙5器件，各个模块的蓝牙5器件共同组成Mesh网络，经过语音识别模块得到的语音控制命令和后台控制中心发出的设备控制命令均可覆盖整个Mesh网络，能够实现对家用设备的语音控制。通过语音控制和Mesh网络的无线连接，简化了对家庭设备的控制过程，提高了控制效率，同时对行动不便的群体生活质量的提高起着积极作用。且由于Mesh网络高度的可扩展性，该智能家居控制系统也可进行模块的扩展，控制相当灵活。

语音识别；Mesh网络；智能家居控制系统；蓝牙5

随着科学技术的发展，尤其是近年来物联网技术的飞速发展，“智能家居”的概念深入人心，通过一定的控制中心实时控制各种家电、门窗等设备的开关运行状态，是智能家居的一个重要特征。其中，设备的控制指令主要来源于2个方面，一方面是计算机基于传感器得到的数据判断家居环境情况后自动发出的控制指令，另一方面是用户自身发出的人工指令[1]。前者目前已经较为成熟，但是对于人工指令，传统的控制方法主要有直接手动控制和遥控器红外控制等，语音控制作为一种新的控制方式，是智能家居系统中人机交互的一种重要手段。相比于手动直接控制或者通过红外遥控器控制，通过语音指令控制不需要进行任何肢体动作，能够极大地简化操作流程，同时对于行动不便的老人、残疾人等群体，语音指令控制更是能够提供相当大的便利，大大提高人们的生活质量[2]。

当前，智能家居的结构主要包括硬件层、传输层和应用层3层，其中，硬件层包括收集各类信息的传感器和执行各类操作的执行器；应用层则是运行在后台的各类具体应用；而传输层则实现硬件和后台及硬件之间的通讯，目前常用的通信方式有BLE（低功耗蓝牙）、ZigBee和Low-Power WIFI[3]。以BLE为核心的Mesh网络是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术，其采用对等的、多对多的网络拓扑结构，每个网络节点都可以与相邻节点进行通信，并有数据转发功能。数据转发采用洪泛机制，消息可以传送到整个网络中的所有设备。

蓝牙技术联盟发布的蓝牙5规范支持Mesh网络，其可扩展性强，若需要新增节点，只需将新节点安装并配置即可；可靠性高，单个节点的故障不会影响整个网络的正常运行。因此基于Mesh的智能家居系统前景相当广阔。

本文结合语音识别和Mesh网络设计了一种基于语音识别与蓝牙5 Mesh的智能家居控制系统。该系统具有智能家居的可扩展、分布式的优点，具有广阔的应用前景。

1 设计原理

1.1 语音识别

语音识别技术是对计算机进行语音语义训练，使人发出的语音信号可以被计算机所理解，并转化为相应的信息[4]。语音识别本质上是一种模式识别，其过程可以归结为模式识别和匹配，其识别流程如图1所示，主要包括信号预处理、特征提取、模式匹配等步骤，首先将未知的语音信号通过话筒等转化为模拟信号，模拟信号经过A/D转换后转变为数字信号；数字信号经过预处理，与保存在计算机中的语音模版进行比较，根据一定的匹配策略寻找到语音模版与输入信号的最优匹配，然后根据此模版的定义查表即可获知语义。

图1 语音识别流程

1.2 Mesh网络

Mesh网络中的节点即BLE设备，可以与网络中其他设备进行通信，若这2个设备相距比较近，则可以直接通信；若相距较远，则2个设备会间接通过一个或多个中间节点完成通信。网络中的每个节点既可以接收信息，又可以发送信息，每个节点都有路由功能，但是并没有具体的路由节点来控制传输的路径，而是采用了洪泛机制，消息将以发出点为起点扩散到网络中的所有设备，由此可以实现将任意节点采集到的信息传递到软件层，或者将软件层发出的命令传送到所有节点。

软件层发出的命令虽然可以传送到整个网络，但是只有与命令中的地址相匹配的节点才会执行该命令，通过以上机制，即可实现将任意位置的传感器采集到的语音信号传送到后台，并且后台在分析语音信号的语义后控制相应节点按照用户的命令改变自身状态，其他节点虽然也会收到命令，但是由于地址不匹配，所以并不会有动作。

2 系统设计

2.1 整体结构

为简单起见，假设某家庭中搭建的智能家居控制平台的控制目标为家中的一盏灯与一台电视的电源通断，发出语音命令的位置主要在客厅和卧室，发出的指令包括“开灯”“关灯”“开电视”和“关电视”，则智能家居控制系统的整体结构如图2所示，采用基于蓝牙5的 Mesh网络（如虚线所示）作为传输层，以单片机作为系统的后台控制中心，分布在客厅和卧室的语音识别模块与电灯和电视的控制器构成的执行器模块作为硬件层，当用户在客厅或卧室中能够采集到语音信号的位置发出以上指令时，声音信息由语音识别模块获得并处理，得到的指令通过Mesh网络达到后台控制中心，控制中心分析得到的指令后，发出相应的控制命令，控制命令亦通过Mesh网络达到所有节点，对应节点的开关控制器在控制命令下动作，实现电视或电灯的开关控制。

图2 智能家居控制系统整体结构

2.2 语音识别模块

语音识别模块的硬件结构如图3所示，主要由咪头、LD3320语音识别芯片、单片机与蓝牙5器件等部分构成，并且可以根据房间大小、隔音效果等环境因素在家庭中部署多个。

图3 语音识别模块的硬件结构

咪头用于对声音信号进行采集。LD332Х是一款基于非特定人语音识别技术的语音识别/声控芯片，提供了单芯片语音识别解决方案，其支持并口和SPI2种接口，只需要单片机将关键词语的拼音串设置寄存器传入LD332Х芯片，即可实现语音识别。蓝牙5模块用于组建Mesh网络，实现语音命令的传输。由于LD3320芯片支持并口接入，市售的蓝牙模块一般只需要用到UART串口即可工作，因此采用51系列单片机即可满足模块要求。

2.3 后台控制中心与执行器模块

后台控制中心主要由单片机和蓝牙5模块构成，用于接收由Mesh网络传来的语音控制命令并作出相应处理；执行器模块主要由单片机、蓝牙5模块与相应的继电器构成，当接收到来自控制中心的指令时，相应的执行器中的单片机控制继电器动作，实现电源的通断。

3 软件设计

系统上电后，首先进行初始化，各个模块的蓝牙5器件在各自单片机的控制下组成Mesh网络。

语音识别模块的语音识别芯片LD3320进行复位、初始化，并将需要识别的语音条目通过单片机写入识别列表，单片机开放外部中断，等待语音信号输入；当采集到语音信号时，若通过处理识别得到该信号与识别列表中的某一条目匹配，则触发外部中断，单片机在中断服务程序中根据相应寄存器的值判断该信号代表的语音命令；此后，单片机控制蓝牙5器件，将该命令通过Mesh网络发送到后台控制中心。若采集到语音信号与识别列表中的所有条目均不匹配，则放弃当前结果，不触发外部中断，重新等待语音信号输入。

控制中心不断接收来自Mesh网络的信息，并根据接收到的信息生成相应的控制指令，再通过Mesh网络以广播的形式发送。

执行器模块中的单片机控制蓝牙5接收来自Mesh网络中的信息并进行判断，若该信息是来自控制中心的控制命令且控制地址与自身蓝牙地址相符，则单片机根据控制命令控制继电器进行相应的通断动作；若该信息是来自于语音识别模块，或者是控制另一个执行器模块的控制命令，则继电器不动作，只将获得的信息再次以广播的形式发送出去，实现信息沿Mesh网络的传递。

4 结论

本文通过语音识别模块和基于蓝牙5的Mesh网络实现了智能家居控制系统，通过该系统能够识别简单的语音命令，然后根据语音识别的结果控制相应的电气设备的工作状态，实现语音控制的基本功能，从而使控制更加便捷，同时对于行动不便的人生活品质的提高有良好作用。由于Mesh网络自身的特性，本文的设计基于Mesh网络的智能家居控制系统具有很强的可扩展性，可以在系统中方便地添加诸如温湿度感应器、火焰传感器、烟雾传感器等环境参数检测的传感器，即可实现家庭环境实时监测，提高家庭对灾害的预防能力，因此具有广阔的应用前景。

［1］陈哲.智能家居语音控制系统的设计与实现［D］.成都：电子科技大学，2013.

［2］李泽彬，姚有峰，张飞龙，等.基于单片机的智能家居语音控制系统设计［J］.电子设计工程，2017，25（08）：175-177，182.

［3］涂蓝.基于OpenWrt和BLE Mesh的智能家居终端控制系统的设计与实现［D］.南昌：江西理工大学，2016.

［4］刘文强.语音识别技术在智能家居中的研究与应用［D］.大连：大连海事大学，2013.

〔编辑：刘晓芳〕

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2095-6835（2017）24-0136-03