基 于 云 平 台 的 家 庭 语 音 控 制 系 统

赵 丽， 郑艳芳， 田会峰， 张宝芳

(江苏科技大学(张家港校区) 电气与信息工程学院，江苏 张家港 215600)

0 引 言

随着现代科技的飞速发展，物联网技术也日新月异，许多人都致力于做到万物互联，全球互联。嵌入式技术与集成技术愈发完善，通信技术更是独领风骚，随着5G的到来，智能设备将迎来一个良好的网络环境，更多的设备可以互联网化，也开始在互动上提升用户体验，包括场景、语音识别等多个维度可进行的互动。把如今成熟且安全的技术应用于智能家居，可以更好地优化人们的生活环境，使人们的生活变得方便舒适[1-3]。云技术及物联网技术的提出和快速发展，为研究新一代的智能家居系统提供了新的思路和平台。

“云计算”一词用来同时描述一个系统平台或者一种类型的应用程序。一个云计算的平台按需进行动态地部署、配置、重新配置以及取消服务等。在云计算平台中的服务器可以是物理的服务器或者虚拟的服务器。高级的计算云通常包含一些其他的计算机资源，例如存储区域网络(ASNs)、网络设备，防火墙以及其他安全设备等。云计算在描述应用方面，它描述了一种可以通过互联网Internet进行访问的可扩展的应用程序。“云应用”使用大规模的数据中心以及功能强劲的服务器来运行网络应用程序与网络服务。任何一个用户可以通过合适的互联网接入设备以及一个标准的浏览器就能够访问一个云计算应用程序[4]。

本文设计的控制系统主要是采用先进的非特定人语音识别技术和云计算技术，并结合ZigBee通信技术，将识别到的内容和控制指令发送给远程的控制模块实现智能家居系统控制，力图为用户打造更加贴心、舒适的个性化智能家居体验。

1 系统总体结构设计

基于云计算的家庭语音控制系统架构如图1所示。

1.1 系统硬件设计

基于云计算的家庭语音控制系统由主控制器、ZigBee通信模块、温湿度采集及控制模块、供电模块等构成。由语音识别模块向主控器输入用户指令，然后树莓派将通过ZigBee远程通信发送给远程控制模块控制灯等家用电器的开关；也可获取当前室内的温湿度情况等，并通过语音识别模块解析，播报当前情况；也可以进行人机对话，完成良好的人际交流。硬件结构图如图2所示。

图2 语音控制系统硬件结构图

主控制器选用了树莓派(Raspberry Pi)，它是一款基于ARM的微型电脑主板，又称卡片式电脑，是由英国慈善机构“Raspberry Pi基金会”开发的[5]。操作系统采用开源的Linux系统，如Debian、Arch Linux，以及树莓派基金会提供的Raspbian系统，自带的Iceweasel、 KOffice等软件，能够满足基本的网络浏览、文字处理以及电脑学习的需要。芯片采用Broadcom BCM2836，其中CPU以ARM Cortex-A7 四核处理器核心，4 个 USB 2.0 插口，一个10/100 BaseT RJ45以太网口，15 路 MPI CSI-2 连接器，用于 Raspberry Pi 高清摄像机，HDMI 1.3口等。

ZigBee模块采用低成本、低功耗、高集成度工业级ZigBee芯片CC2530，具有超低电流消耗和高接收灵敏度等特点，可确保短距离通信信道的衰减小和可靠性。负责将传感器采集到的数据传送给树莓派控制器，并将语音输入的数据传送给各节点，以获取相关信息。本系统中ZigBee选用TI公司的CC2530芯片，符合2.4 GHz IEEE802.15.4协议[6]。树莓派控制器与ZigBee模块的连接示意图如图3所示。

图3 ZigBee连接示意图

1.2 系统软件设计

系统软件设计包含在语音助手终端的树莓派开发板上用Python语言编写语音交互和控制程序，并且此Python程序运行在开发板上的Raspbian系统中。在远程控制模块中用C语言开发ZigBee远程通信以及电灯开关程序。

1.2.1云端服务设计

本次设计的语音聊天和家居语音管理功能需要借助云端实现，其中涉及到百度语音和图灵机器人两个云平台。

百度语音有两项语音服务，第一项服务是语音识别，它可以对传输到云端服务器上的语音进行语音识别的算法分析，并且以文本形式返回分析结果；另一项服务是语音转文字功能，它可以将传输到云端的文本转换成语音并返回[7-8]。

图灵机器人是基于自然语言处理、知识库和云计算等技术，为开发者提供的一系列智能语义处理能力(包括语义理解、智能问答、知识库对接等)的服务平台。它会以文本形式响应接收到的文本，从而实现智能对话，图灵机器人提供了多种服务，查询天气，查询车票等等功能。

申请百度语音的服务过程如下：①登录百度语音官网并注册成为开发者；②创建应用；③查看API key 和Secret key值。

申请图灵机器人的服务的过程如下：①登录官网并注册成为开发者；②创建应用；③查看API key 值和Secret key值。

1.2.2语音对话软件设计

系统上电初始化，标志LED亮，树莓派开始采集声音，并将采集到的声音上传至百度语音的云端作语音识别，并以文本形式返回。判断用户的需求，选择继续使用云端的图灵机器人进行语音对话还是执行用户管理家居系统的指令，流程图如图4所示。

图4 语音对话程序设计流程图

1.2.3远程控制模块软件设计

远程控制模块会等待ZigBee传输的用户指令，并执行相应的命令。远程控制模块检测是否接受到控制信号，同时检测传感器是否达到阈值，相应机构发生动作。流程图如图5所示。

图5 远程控制程序设计流程图

2 系统测试

本设计的家居语音助手由一个语音交互终端和两个远程控制模块构成。由麦克风向控制终端中输入用户指令，然后终端中的树莓派将通过ZigBee远程通信发送给远程控制模块控制灯的关断。封装好的实物如图6所示，其中左边两个是远程控制模块，最右边的那个是语音交互终端。

图6 实物封装图

(1) 家居系统控制功能。采用了2个LED来模拟家居系统中不同房间的用电设备，分别标注为“卧室”“厨房”。当我们说：“管家，打开厨房的灯”时，左边的模块会控制左边的灯点亮。

(2) 语音聊天功能。终端将采集的语音发送到百度语音的云端，并在云端进行语音识别，以文本形式返回识别结果，然后调用图灵机器人对该文本做出答应，并也以文本形式返回结果，再次调用百度语音的文字转语音功能，将图灵机器人返回的文本转成语音，并在树莓派上播放出来。如：当用户需要咨询天气，程序调用图灵机器人的接口，以天气情况返回。

3 结 语

本系统基于云计算+树莓派的方案较好地实现了远程控制智能家居并实现人机交互的功能。树莓派采用Linux操作系统，系统设计简单，可扩展性高，后续可以方便地进行扩展。

经验证，本系统能够提供更自然的语音交互体验，并且提供了一种新的改造传统家居系统而并不是直接更换所有的家居的思路，具备实用价值。