基于ZigBee節(jié)點(diǎn)的智能家居系統(tǒng)語音控制設(shè)計(jì) - 全文

　　0 引言

　　隨著短距離無線通信技術(shù)的發(fā)展，WLAN，Bluetooth，IrDA，HomeRF，ZigBee等技術(shù)已經(jīng)被逐步應(yīng)用于智能家居、工業(yè)控制及環(huán)境監(jiān)測等眾多領(lǐng)域，而語音識別技術(shù)作為一門交叉學(xué)科，也被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、家電、醫(yī)療等領(lǐng)域。將語音識別與無線通信技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于智能家居領(lǐng)域，使人們能夠直接通過語音對家電進(jìn)行控制，能夠讓人們享受現(xiàn)代科技在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用?；贗EEE 802.15.4協(xié)議的ZigBee通信技術(shù)具有功耗低、低成本、短距離、安全可靠、自組織網(wǎng)等特點(diǎn)。本文將凌陽科技的具有豐富語音處理功能的16位 SPCE061A單片機(jī)與射頻芯片CC2530相結(jié)合設(shè)計(jì)了ZigBee語音識別節(jié)點(diǎn)，它能夠與基于SUMSUNG的S3C6410開發(fā)平臺(tái)的智能家居控制網(wǎng)關(guān)進(jìn)行串口通信，網(wǎng)關(guān)在處理信息后，能夠顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，并通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與家庭內(nèi)的多個(gè)子節(jié)點(diǎn)通信，從而實(shí)現(xiàn)了對家電設(shè)備的語音智能控制。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括基于Samsung的S3C6410平臺(tái)的網(wǎng)關(guān)、基于SPCE061A的語音ZigBee子節(jié)點(diǎn)、電器繼電器控制ZigBee子節(jié)點(diǎn)、電器紅外控制ZigBee子節(jié)點(diǎn)等。其中各子節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間通過星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。

　　在對語音子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行訓(xùn)練之后，當(dāng)語音節(jié)點(diǎn)采集接收到語音控制命令時(shí)，執(zhí)行語音識別指令，通過CC2530收發(fā)模塊發(fā)送相應(yīng)的控制指令到網(wǎng)關(guān)的主節(jié)點(diǎn)上。主節(jié)點(diǎn)將接收到控制指令通過串口上傳到網(wǎng)關(guān)主機(jī)，主機(jī)在處理信息之后，再通過主節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)的控制指令到控制子節(jié)點(diǎn)上，控制子節(jié)點(diǎn)在接收到相應(yīng)的命令之后就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，對被控對象進(jìn)行控制。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　?。?）網(wǎng)關(guān)。采用基于ARM11架構(gòu)的三星S3C6410處理器，與ZigBee主節(jié)點(diǎn)之間通過串口方式進(jìn)行通信。S3C6410是基于ARM1176JZF-S的16/

　　32位的低功率消耗、高性能的RSIC通用處理器。其開發(fā)平臺(tái)具有豐富的外圍接口資源。其中，可以支持4個(gè)UART接口，支持DMA和 Interrupt模式，最高速度可達(dá)3 Mb/s。ZigBee主節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，作為協(xié)調(diào)器啟動(dòng)和控制ZigBee網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)建立后，負(fù)責(zé)接收語音節(jié)點(diǎn)的控制信息以及發(fā)送相應(yīng)的控制信息到各ZigBee子節(jié)點(diǎn)。

　?。?）語音子節(jié)點(diǎn)。由凌陽科技的SPCE061A單片機(jī)與ZigBec收發(fā)節(jié)點(diǎn)模塊組成。SPCE061A是凌陽科技推出的以μ’nSPTM為核心的16位結(jié)構(gòu)的微控制器。具有8通道10位A/D轉(zhuǎn)換輸入功能，內(nèi)置自動(dòng)增益控制功能的麥克風(fēng)輸入方式以及雙通道10位DAC方式的音頻輸出功能。在使用SAC M_S240凌陽音頻編碼方式時(shí)，可以容納長達(dá)210 s的語音數(shù)據(jù)。因此被廣泛應(yīng)用于數(shù)字語音識別領(lǐng)域中。

　?。?）電器控制繼電器子節(jié)點(diǎn)。由繼電器模塊與ZigBee收發(fā)節(jié)點(diǎn)組成。由于我國市電電壓在220 V左右，為了實(shí)現(xiàn)對部分家電開關(guān)的控制，采用繼電器模塊，并通過ZigBee通信模塊的CC2530芯片的I/O引腳及其外圍驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)對繼電器模塊的吸合與釋放控制?？梢钥刂拼昂?、燈光等開關(guān)型電器。

　?。?）紅外控制子節(jié)點(diǎn)。由學(xué)習(xí)型紅外控制模塊與ZigBee收發(fā)子節(jié)點(diǎn)組成。目前，紅外遙控類型的家用電器的比例正逐步攀升。因此本文在設(shè)計(jì)研究中采用了學(xué)習(xí)型的紅外控制模塊，它與ZigBee收發(fā)子節(jié)點(diǎn)之間通過串口進(jìn)行通信。首先使用一個(gè)或多個(gè)紅外模塊對現(xiàn)有的家電（如電視機(jī)、DVD、空調(diào)、投影儀等）紅外遙控器的信號進(jìn)行學(xué)習(xí)，把相應(yīng)的編碼存放到紅外模塊的存儲(chǔ)器E2PROM中，每條代碼對應(yīng)一個(gè)地址。當(dāng)該

　　ZigBee節(jié)點(diǎn)接收到指令需要對某一家電進(jìn)行控制時(shí)，紅外模塊就會(huì)根據(jù)指令調(diào)取該地址下的紅外發(fā)射編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)射，從而實(shí)現(xiàn)對紅外型家用電器的語音控制。

　?。?）基于CC2530的ZigBee無線收發(fā)模塊。CC2530是TI公司推出的基于IEEE 802.15.4協(xié)議的片上系統(tǒng)。內(nèi)嵌增強(qiáng)型單周期的8051CPU，具有8 KB的SRAM、2個(gè)支持多種串行通信協(xié)議的USART、21個(gè)通用的I/O引腳、寬電壓范圍（2～3.6 V）、低功耗（主動(dòng)模式RX：24 mA;主動(dòng)模式TX在1 dBm：29 mA）以及電源電量可監(jiān)控等特點(diǎn)。在ZigBee協(xié)議棧中UART具有中斷、DMA兩種模式，本文設(shè)計(jì)中均采用了UART的中斷模式。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括下位機(jī)軟件與上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。在下位機(jī)程序設(shè)計(jì)過程中有2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：對數(shù)字語音信號的采集、處理與識別;ZigBee收發(fā)模塊對控制信號的接收、發(fā)送與執(zhí)行。而在上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中，主要是基于Visual C++的串口通信的編程。

　　上位機(jī)主程序流程圖如圖2所示。

　　S3C6410開發(fā)平臺(tái)具有4個(gè)UART接口，在研究設(shè)計(jì)中，采用了芯片MAX 3232來解決ZigBee通信模塊的CC2530芯片與該開發(fā)平臺(tái)之間的串口通信電平轉(zhuǎn)換。上位機(jī)通過串口接收語音子節(jié)點(diǎn)的控制指令數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理后用文字顯示控制命令，并通過與ZigBee主節(jié)點(diǎn)之間的串口通信，向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令數(shù)據(jù)。

　　單片機(jī)SPCE061A的UART數(shù)據(jù)格式只有一種，需按照規(guī)定的數(shù)據(jù)格式與CC2530模塊進(jìn)行串口通信。該程序在凌陽科技的μ’nSP IDE集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)，并采用凌陽科技提供的語音處理函數(shù)以及函數(shù)庫。語音子節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖3所示。

　　由于單片機(jī)SPCE061A在進(jìn)行語音識別時(shí)，一次性只能同時(shí)識別5條語音指令。為了增加其所能識別的語音指令，本文采用了分組法，能夠在存儲(chǔ)器允許的情況下識別多條語音指令。在燒錄完程序首次使用該節(jié)點(diǎn)時(shí)，要對該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行訓(xùn)練。在該節(jié)點(diǎn)的語音提示下，依次錄入4組命令，每組分5條語音指令，為了提高識別的質(zhì)量，每條命令需要訓(xùn)練兩遍。在語音訓(xùn)練結(jié)束后，啟動(dòng)該智能家居系統(tǒng)就能夠?qū)揖舆M(jìn)行語音控制，且能夠?qū)崿F(xiàn)非特定人語音識別。

　　為了利用語音命令實(shí)現(xiàn)ZigBee語音子節(jié)點(diǎn)的“重新訓(xùn)練”，“停止識別”等控制，方便實(shí)際應(yīng)用，本文在程序設(shè)計(jì)過程中采用goto無條件語句，部分程序源代碼如下：

　　利用學(xué)習(xí)型紅外收發(fā)模塊對紅外電器進(jìn)行控制時(shí)，首先要對控制信號進(jìn)行學(xué)習(xí)，將要發(fā)送的編碼與CC2530輸出的串口指令相對應(yīng)?？刂浦噶铍娖骷t外控制ZigBee子節(jié)點(diǎn)的程序流程圖如圖4所示。

　　4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

　　4.1 實(shí)際應(yīng)用舉例

　　在對電動(dòng)窗簾進(jìn)行開關(guān)控制時(shí)，首先將本系統(tǒng)的電器控制繼電器子節(jié)點(diǎn)與電動(dòng)窗簾的開關(guān)量電機(jī)控制器相連接，準(zhǔn)備好硬件電路。然后，通過串口編程使上位機(jī)的ZigBee主節(jié)點(diǎn)在接收到語音子節(jié)點(diǎn)的窗簾開關(guān)命令時(shí)，向ZigBee子節(jié)點(diǎn)發(fā)射窗簾控制信號，從而當(dāng)控制窗簾的繼電器子節(jié)點(diǎn)接收到控制指令時(shí)，能夠控制窗簾執(zhí)行相應(yīng)的開關(guān)動(dòng)作。通過如依次說出“控制器”、“打開”、“窗簾”的命令時(shí)，語音子節(jié)點(diǎn)語音提示設(shè)備打開，主機(jī)界面顯示設(shè)備所處控制的狀態(tài)，同時(shí)窗簾打開。

　　該語音控制智能家居系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)家用電器的聯(lián)動(dòng)。例如，可以通過依次說出“控制器”、“家庭影院”的語音命令。這時(shí)上位機(jī)能夠按照程序設(shè)定逐步延時(shí)：打開紅外遙控投影儀，紅外遙控幕簾，關(guān)閉窗簾，關(guān)閉部分燈光等來開啟家庭影院模式。讓人們體驗(yàn)真正的家居智能化。

　　4.2 ZigBee控制節(jié)點(diǎn)通信距離測試結(jié)果

　?。?）空曠場合測試。測試條件：CC2530模塊采用PCB天線，發(fā)射功率在1 mW，發(fā)射頻率在2.4 GHz。

　　測試結(jié)果：通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)120 m。

　　（2）居家場合測試測試條件：同上。測試結(jié)果：由于墻體阻礙，通信距離約在20 m。

　　4.3 語音控制紅外型電視開關(guān)測試

　　在語音識別程序設(shè)計(jì)中，為了增加語音節(jié)點(diǎn)所能識別命令的條數(shù)而采用了分組法。利用紅外遙控子節(jié)點(diǎn)對電視遙控器的開/關(guān)信號進(jìn)行學(xué)習(xí)，對語音子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行訓(xùn)練結(jié)束后，啟動(dòng)系統(tǒng)。依次說出“控制器”、“打開”、“電視”連續(xù)三條命令，再說出“控制器”、“關(guān)閉” “電視”連續(xù)三條命令。測試結(jié)果如表1所示。

　　5 結(jié)語

　　將具有數(shù)字語音識別功能的SPCE061A單片機(jī)與低功耗、低成本的ZigBee技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了基于單芯片CC2530的ZigBee語音節(jié)點(diǎn)，并利用ARM11架構(gòu)的開發(fā)平臺(tái)S3C6410作為網(wǎng)關(guān)，WinCE 6.0的操作系統(tǒng)，有著良好的人機(jī)交互界面，來共同應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)的語音控制中，實(shí)現(xiàn)了對開關(guān)型及紅外型家電設(shè)備的語音控制和家居智能化，實(shí)現(xiàn)人與家電之間的對話，方便了人們的生活，具有廣闊的應(yīng)用前景。