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基于ZigBee远程语音控制的智能家居系统

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赵飞翔++张园++张彦军++张佩文++王明宇

摘要：该文设计了一种基于Zigbee的语音识别与上位机控制相结合的智能家居方案，目的在于使得人物交互更为便捷，提高家庭生活的质量。本方案主要由人机交互模块，Zigbee主从节点构成的星状网络模块，智能家居监测及控制模块构成。以DRF1605构成Zigbee网络主从节点。在人机交互模块，以LD3320语音识别芯片实现语音识别功能，以IAP10L14X作为语音识别电路的主控芯片，以计算机作为上位机，辅以多种移动终端控制。家居监测及控制模块由WSN及各种控制驱动电路组成。该方案可以实现家居的实时监测及控制。

关键词：语音识别；Zigbee；WSN；DRF1605；智能家居

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）04-0189-02

智能家居是智慧城市进入用户家庭的最好路径，是智慧城市建设的微观节点。本文的目的在于建立一个人机交互十分便捷的智能家居系统，降低智能家居使用的门槛，提高智能家居使用的灵活性。

在本文所设计的智能家居系统中，通过在住宅内部建立局域性的无线传感器网络与Zigbee星状网络间的无线通信实现智能家居终端对家居和住宅的状态监测，并将生成的记录数据保存在上位机的数据库中。使用者对家居设备的控制可以通过两种方式，第一种是直接操纵上位机或者用移动终端对上位机发出指令，第二种是对语音控制模块发出事先训练好的语音指令方式。

1 智能家居的构成和工作原理

1.1构成概述

1.1.1 Zigbee星状网络模块

本方案采用多个DRF1605模块构成一个Zigbee星状网络，该网络由一个主节点和多个次节点组成。次节点主要包括了三个部分：无线收发模块，供电模块，数据采集与处理模块。在无线收发模块中，各节点之间的通信由无线收发器完成。该无线收发器由其所在节点的主控芯片CC2530的RF内核控制。在数据采集与处理模块中，各次节点链接有多个物理量测量传感器，这些传感器与家居状态控制电路作为其对应次节点的终端节点，和次节点一起构成一个子星状网络。

1.1.2人机交互模块

语音识别模块的硬件组成分为麦克风前置放大电路，LD3320以及作为主控芯片的单片机IAP10L14X。其模块框图如图1所示。

智能家居监测及控制模块是由一个Zigbee路由器对应一个WSN，作为该WSN的汇聚节点，收集网络中各传感器节点实时采集到的数据并通过无线收发模块传送给上级主节点（网络协调器）。该模块设备点较多，包括：灯光控制面板，窗帘控制电机，机械阀门控制器，人体红外侦测器，水位侦测器等。节点设备的运作原理是通过主控设备发射信号，而由节点设备接受，同时完成主控设备的指令。

上位机模块通过串口通信来与网络协调器进行数据的收发。用户可以在上位机中发出控制指令。

1.2工作原理

1.2.1 Zigbee星状网络的工作原理

通过设置网络中各个节点的网络拓扑参数为星型组网方式，使主节点建立一个ZigBee星状网络，其他次节点连接到网络时，直接以协调器节点即主节点作为父节点，构成星型网络拓扑结构。

本方案使用的Zigbee模块共有两种类型的节点，分别是主节点以及次节点。星状网络中有一个主节点，依据房间的数量可以有多个次节点。

1.2.2 特定人语音识别的原理

特定人语音识别技术的本质是在提取到主人声音的语音特征之后，在关键字词语库中寻找最相近的词语作为识别的结果。

语音识别模型建立的流程有如下几步：第一步是用傅立叶变换完成语音信号的时域和频域的转换，得到语音向量。第二步是建立声学模型，字典以及语音模型，声学模型用于识别语音向量，可以使用GMM或者DNN等方法来识别向量。

当语音识别模型建立之后，就可以通过判断新的语音向量，识别主人的发出的各种语音信号了。

1.2.3 WSN工作原理

WSN（无线传感器网络）就是由各种能从环境中采集物理量，同时具有数据处理功能和无线通信功能的新型传感器构成互联系统，该系统可以根据内部拥有的不同类型的传感器完成不同的物理量采集。传感器节点集成了传感器件，数据处理单元和无线通信模块，通过自组织的方式构成网络。

2系统工作流程

2.1 家居控制流程

2.1.1 语音控制模块的工作流程

用户通过向麦克风发出语音命令，然后经过识别，发送识别结果给网络协调器，网络协调器将命令通过Zigbee星状网络传送给对应的次节点，再由次节点通过家居控制电路执行用户的命令。其流程如图2所示。

2.1.2 上位机控制模块的工作流程

系统用户通过移动终端控制上位机或者直接使用上位机发出指令，协调器通过串口通信模块接收指令，将命令传给指定的次节点，然后次节点通过家居控制电路改变指定家居的状态。

2.2 家居监测流程

家居监测功能主要由各房间分布的无线传感器构成。房间中的各传感器实时采集家庭状态数据，然后统一由上一级的次节点接收并处理，之后由无线收发模块传给网络协调器即主节点，其次由主节点通过串口通信模块传给上位机。用户可以使用上位机或移动终端实时监测住宅状态。其工作流程如图3所示。

3 结束语

本文设计了一种使用门槛低，实用性强，能耗低的智能家居方案。该方案在智能家居领域引入无线传感网络实现家庭内部多点实时监测，是一次成功的尝试。通过本方案，用户可以简便地对家庭状况进行监视及控制，提高了家庭生活的质量，提高了用户的家庭劳动效率。

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