基于PSTN的智能家居遠程語音控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：結(jié)合語音識別技術(shù)、嵌入式技術(shù)設(shè)計了智能家居語音控制系統(tǒng)，根據(jù)智能家居控制的特點以及人機自然交互的理念，設(shè)計了一種利用S3C2410設(shè)計的智能家居語音控制器，給出了整體設(shè)計框圖、硬件電路的各部分具體構(gòu)成以及相應(yīng)的軟件設(shè)計思想。該方案設(shè)計并研制出的語音控制器具有成本低，且既能進行本地控制又能通過PSTN實現(xiàn)遠程控制的特點。實驗表明，該語音控制系統(tǒng)的語音識別效率高，可靠性強。
關(guān)鍵詞：遠程控制；語音識別；PSTN；MFCC；HMM

0 引言
    隨著科技的發(fā)展，越來越多的智能家居產(chǎn)品進入人們的家庭，如何對它們進行簡單、有效的控制是擺在人們面前的一個難題。另一方面，人們渴望用電話在需要時遠程控制各種家電以方便生活之需。目前，針對智能家居的遠程控制往往采用類似于計算機網(wǎng)絡(luò)的分層體系結(jié)構(gòu)，成本較高。由于家電控制網(wǎng)絡(luò)傳送的信息量是很少的，不必像計算機網(wǎng)絡(luò)那樣進行分層設(shè)計，故結(jié)合語音識別技術(shù)、PSTN(公共交換電話網(wǎng))等實現(xiàn)了智能家居的本地及遠程控制。

1 整體方案設(shè)計
    目前，常用的語音識別方法有DTW(動態(tài)時間規(guī)整)、HMM(隱馬爾科夫模型)、VQ(矢量量化)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，考慮到數(shù)據(jù)量、實時性、識別率及控制人為多數(shù)的問題，采用了VQ和HMM相結(jié)合的方式。
    語音控制系統(tǒng)主要有預(yù)處理、特征提取、語音識別及控制程序組成，其原理框圖如圖1所示，圖1中碼書是輸入矢量的近似矢量的集合。

    當前控制技術(shù)正從傳統(tǒng)控制向現(xiàn)場總線控制以及網(wǎng)絡(luò)控制跨越，RS 485是現(xiàn)場總線中使用較廣泛的一種，本文結(jié)合語音識別技術(shù)、嵌入式技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)，采用ARM(三星公司生產(chǎn)的S3C2410)作為語音控制器的處理器，設(shè)計了智能家居語音控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2 硬件設(shè)計
    硬件部分包括預(yù)處理模塊設(shè)計、振鈴檢測電路、總線接口設(shè)計以及電器控制電路設(shè)計。其中，預(yù)處理模塊包括功率放大電路、自增益控制電路(AGC)、低通濾波器和A／D變換電路。
    預(yù)處理包括自增益控制電路、低通濾波器及A／D變換電路。自增益控制電路是為了把輸入的語音信號控制在一定的幅度內(nèi)，低通濾波器是為了濾除高頻(大于濾波器截止頻率)噪聲。自增益控制電路采用M51304L芯片實現(xiàn)；低通濾波器采用4節(jié)巴特沃思型低通濾波器，其截止頻率為4．8 kHz；預(yù)加重電路采用集成運算放大器來實現(xiàn)。A／D變換電路采用UDA1341芯片，采樣頻率設(shè)置為8 kHz，通過S3C2410的IIS接口與處理器相連。
2．1 振鈴檢測電路設(shè)計
    如圖3所示，電鈴檢測信號通過C8，D1，R3～R5和C9共同構(gòu)成的整形電路整形后輸入光電耦合器TLP521，在光耦的后端轉(zhuǎn)化為TTL電平，然后送到ARM的UART1的RXD端進行檢測。

2．2 自動摘機電路設(shè)計
    如圖4所示，摘機信號由ARM中UART1的TXD腳發(fā)出，當TXD發(fā)送高電平時，驅(qū)動晶體管VT2導(dǎo)通，這又使VT1導(dǎo)通，相當于在電話線路上并人了一個330Ω的電阻，同時加上并在其上的發(fā)光二極管的消耗，一方面使模擬摘機電流達到30 mA，另一方面用于指示摘機。因為VT1的電流大于30mA時，控制電路向交換機發(fā)出模擬摘機信號，交換機響應(yīng)摘機信號，完成電話線路的接通。

2．3 總線接口設(shè)計
    RS 485接口常用的通信方式有半雙工通信和全雙工通信2種。在大多數(shù)情況下，RS 485的端口連接都采用半雙工通信方式。結(jié)合家庭控制網(wǎng)絡(luò)的特點，本系統(tǒng)也采用半雙工通信方式。圖5為RS 485端口半雙工連接的電路圖。其中，RS 485差動總線收發(fā)器采用SN75176，圖中有一個UART是ARM的，其余為單片機的。
2．4 電器控制電路的設(shè)計
    該控制電路主要由單片機、晶閘管組成，如圖6所示。

    當單片機接收到相應(yīng)的控制命令時，向P1．0發(fā)送相應(yīng)的占空比脈沖信號，可實現(xiàn)連續(xù)控制或開關(guān)量的控制。
    例如，當從本地或從電話發(fā)出打開熱水器時，經(jīng)過語音控制器識別后，語音控制器通過URAT0的TXD端口向總線上發(fā)送打開熱水器命令，連接在總線上的單片機通過RXD端口識別該命令，然后向P1．0發(fā)送占空比為∞的信號，既是高電平，則熱水器被打開。

3 軟件設(shè)計
    軟件部分的設(shè)計包括特征提取模塊、矢量量化模塊、HMM模塊。
    特征提取采用MFCC。首先做預(yù)加重處理，然后進行加窗，窗函數(shù)的寬度采用120點。將加窗處理過的時域信號x(n)后補若干0，形成長為256點的序列，然后經(jīng)過256點FFT(快速傅里葉變換)后得到線性頻譜X(k)，然后將X(k)通過26維的MEL帶通濾波器組并通過對數(shù)能量的處理得到對數(shù)頻譜S(m)，將S(m)進行離散余弦變換(DCT)就得到26維的MFCC。取MFCC的前12維作為語音特征矢量。
    矢量量化采用LBG算法。碼字搜索則采用最近鄰搜索算法。該算法的思想把待識別的矢量與碼字逐一比較，計算其失真，然后把該矢量歸類為失真最小的碼字所屬的類(胞腔)。
    HMM采用離散從左到右無跳轉(zhuǎn)的HMM，HMM訓練采用Baum-Welch算法，識別過程采用前向一后向算法。

4 結(jié)語
    本文結(jié)合語音識別技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及現(xiàn)場總線技術(shù)設(shè)計了智能家居語音控制系統(tǒng)的方案，獲得了較高的識別率。結(jié)合振鈴檢測及自動摘機電路實現(xiàn)了智能家居語音控制系統(tǒng)的遠程控制，由于采用嵌入式技術(shù)，大大降低了系統(tǒng)成本。