基于语音识别技术的智能家居控制系统的设计计算机专业.docx

基于语音识别技术的 智能家居控制系统的设计 Design of Smart Home Control System Based on Speech Recognition Technology 摘 要 21世纪经济快速发展，人们对物质文化的需求也越来越高。在信息科技的支持下，事物在朝着简单化、便捷化、智能化的方向发展。在此背景下应运而生而生的智能家居，正是信息时代的典型产物。 本文设计了一套基于语音识别技术的智能家居控制系统，能够在客户端输入语音信号，完成对家居设备的控制，使得家居设备更加智能化。本文首先对语音识别的相关理论知识进行了详细的阐述，利用麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology, MIT）语音服务器完成对语音信号的特征提取和识别过程，并且该服务器内有自动的高频噪声滤波器，防止声音信号发生失真现象。其次Zigbee模块完成了数据传输的功能，能够在网络拓扑较为稳定的家居环境中实现对数据的传输，消耗的功率降低，成本也较低。最后基于安卓手机达到控制家具的目的，在手机客户端输入语音信号之后，服务器将翻译出来的语音信息传递给后台，由手机通过无线网络传递给家居设备，从而达到传递控制指令的目的。最后本文在测试阶段对本文设计的基于语音识别技术的智能家居控制系统进行了性能测试，测试结果良好，能够达到预期的目标。 关键词：智能家居；语音识别；控制系统 Abstract With the rapid development of the economy in the 21st century, people's demand for material culture is also increasing. With the support of information technology, things are developing in the direction of simplification, convenience and intelligence. The smart home that emerged in this context is a typical product of the information age. This paper designs a smart home control system based on speech recognition technology, which can input voice signals on the client and complete the control of home equipment, making the home equipment more intelligent. In this paper, the related theoretical knowledge of speech recognition is elaborated in detail. The feature extraction and recognition process of speech signal is completed by MIT speech server, and there is an automatic high-frequency noise filter in the server to prevent distortion of the sound signal. Secondly, the Zigbee module completes the function of data transmission, and can realize data transmission in a home environment with stable network topology, which consumes less power and lower cost. Finally, based on the purpose of controlling the furniture by the Android mobile phone, after the mobile phone client inputs the voice signal, the server transmits the translated voice information to the background, and the mobile phone transmits the mobile phone to the home device through the wireless network, thereby achieving the purpose of transmitting the control instruction. Finally, in the test phase, the performance of the smart home control system based on speech recognition technology designed in this paper is tested. The test results are good and can achieve the expected goals. Key words: Smart Home; Speech Recognition; Control System 目 录 1 绪 论 1 1.1 课题研究背景 1 1.2国内外发展现状 1 1.3研究内容 2 2 相关理论基础 3 2.1 语音识别理论 3 2.2 语音信号预处理 3 2.3 语音信号特征提取 4 2.4 模式匹配及识别算法 4 2.5本章小结 4 3 系统硬件设计 5 3.1 系统概述 5 3.2 系统设计与分析 5 3.2.1 语音控制模块设计 5 3.2.2 数据传输模块设计 6 3.2.3 控制家居模块设计 6 3.3本章小结 7 4 系统软件设计 8 4.1 软件开发平台简介 8 4.2 核心模块软件设计 9 4.3 本章小结 11 5 总结和展望 12 参考文献 13 致 谢 14 IV 1 绪 论 1.1 课题研究背景 进入新世纪以后，我国各方面都取得了较大的进步，同时人们对物质的要求也越来越高。伴随着科技技术的更新换代，生活中的事物在朝着智能化的方向发展，包括家居设备。在这样新兴的时代背景下，传统家居必然会走上智能化和科技化的道路[1]。传统的家居设备需要通过人工一一进行开启或者关闭工作，而现代家居设备数量越来越多，种类也越加繁多，当用户回到家中时，劳累的身体还需要对这些家居设备一一进行操作，加重了身体的负担，传统的模式已经不能够满足人们的需求，在这样的背景下，智能家居的产生很好的解决了这个问题[2]。 智能家居设计的过程中融合了多学科知识，包括自动控制技术、计算机技术、网络协议技术、硬件布线技术等，通过在电器设备上安装传感器使电器设备统一连接于网络中，达到远程控制电器工作的目的，减少了人力资源的消耗，同时节约了资源，操作简单[3]。 1.2国内外发展现状 在智能家居设计中，核心部分是智能家居控制终端，经过多年的发展，智能家居终端已经发展出了不同的模式，主要为以下三种[4]： （1）通过键盘、液晶显示屏（Liquid Crystal Display, LCD）对家用电器进行控制：这种控制方式设计复杂，操作困难不易上手，且智能在家庭内部实现控制，不能完成远程控制； （2）通过电脑终端对家用电器进行控制：这种控制方式虽然操作简单，但是仍然智能在家庭环境中进行控制，不能完成远程控制； （3）通过手机移动端对家用电器进行控制：这种方式能够很好地解决远程控制问题，操作灵活，设计简单，是当下最流行的智能家居控制终端设计方案，也是未来智能家居发展的主要方向。 近些年来，Android操作系统因为其灵活性和简单性在多种平台上得到广泛应用，智能手机、平板电脑等终端上经常出现Android操作系统的身影，并且在未来很长的一段时间内，Android操作系统仍能在市场上占据重要的地位[5]。国内外对家居设备的研究也取得了一定的成果，从早期的对单个电器设备的控制，现如今已经慢慢发展成了可以对多个电气设备的控制。本文充分利用Android操作系统的开放环境和包容特点，提出一种基于语音识别的Android平台智能家居控制系统设计方案，兼具灵活性和简便性,设计出来的应用程序（Application, APP）具有以下特点[6]：（1）可配置性。可配置性指的是当家中家居设备发生变化，包括添加新的设备和丢弃旧的家居设备时，APP可由用户自行手动添加或删除该设备的信息，操作简单，无需专业技术人员参与，简单易上手。（2）用户界面友好性。该项性能指的是在设计用户界面时，以该家居设备的图片为背景，让用户能够快速了解操作的对象，即使文化水平不高的用户也能够轻易明白如何操作，同时家居设备对应的图标还能够手动随意移动位置，让界面设计更加灵活、方便。（3）可扩展性。可扩展性是利用了Android系统的开放性特点，APP设计完成后，开发人员可以随时根据需要对APP进行修改和完善。 另外，国内外关于语音识别技术的研究也有了丰硕的成果[7]。语音识别技术最早起源于上个世纪60年代，当时科研人员研发出来的动态规划算法（Dynamic Time Wrapping, DTW）加护就能够对小词汇量的语音信号进行精准识别[8]。到了70年代，线性预测编码（Linear Predictive Coding, LPC）技术的出现能够有效解决特征函数的提取问题，解决了语音信号识别的关键问题[9]。80年代出现的隐式马尔科夫算法（Hidden Markov Model, HMM）模型利于马尔科夫原理使得语音识别模型搭建起来，进一步拓展了语音识别的词汇量，为后续研究奠定了基础。现代科技结合先进的神经网络技术，又开发出了一系列智能语音系统，推动了语音识别技术的进步[10]。 1.3研究内容 本文的主要研究内容如下: 第1章绪论介绍了本文的研究背景和研究意义，以及关于智能家具的国内外研究现状。 第2章就语音识别相关理论知识进行了详细阐述。 第3章是对本文的硬件设计。 第4章是对本文的软件设计，并且在本章展示了语音控制的效果，输入语音后能够正确的识别语音信息，对家居设备进行控制。 最后是对全文的总结和展望。 2 相关理论基础 2.1 语音识别理论 语音识别指的是通过语音来控制某项事务完成某项功能的行为。现代语音识别技术包括5个阶段，如图2-1所示： 图2-1 语音识别五个阶段 在以上列出的5个语音识别过程，其中最重要的是预处理阶段和特征处理阶段，在预处理阶段需要对语音信号进行滤波以及采样处理，增强语音功能。在特征处理阶段需要提取出语音信号的特征点，识别人物信息。因为人的声音信息中包含着不同的频率特点，有些部分频率低，有些部分频率高，而频率高的部分容易受到噪声的干扰，这就需要对声音作滤波处理，选择合适的称函数对声音信号的干扰进行滤除。接下来将针对这两个主要部分分别进行阐述。 2.2 语音信号预处理 对语音信号进行预处理指的是通过滤波、采样、量化等手段对原始的语音信号进行加工处理，滤波时一般是采用合适的滤波器进行处理，一般情况下是采用带通滤波器，防止信号发生混叠干扰。采样过程是对原始信号进行离散处理，根据奈奎斯特采样定理，要让采样频率大于信号最大频率的两倍才能使最后采用的结果不失真。采样完成之后必须对语音信号进行模数转换，模数转换的目的是使得计算机能够方便处理。由于在家居环境中，主人说话的声音比较小，因此有时候会在软件设计时加