基于语音交互的智能家居设计
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摘 要：文章设计了基于语音交互的智能家居控制系统，系统以Arduino开发平台为核心，结合语音识别模块、语音合成模块、气体传感器、温湿度传感器等元器件，从而实现室内环境气体浓度的检测、空气中温湿度的采集和语音控制家电系统的功能，以便提供给用户更方便更高效更安全的家居生活。
关键词：Arduino;智能家居;语音交互
中图分类号：TN912.34 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）20-0042-02
Abstract： In this paper， an intelligent home control system based on voice interaction is designed， which takes Arduino development platform as the core， combined with speech recognition module， speech synthesis module， gas sensor， temperature and humidity sensor and other components， so as to realize functions such as the detection of indoor ambient gas concentration， the collection of temperature and humidity in the air， and the voice control of household appliance systems， thus providing users with a more convenient， more efficient and safer home life.
Keywords： Arduino; smart home; voice interaction
1 概述
現代生活中的家具电器数量急剧增多，传统家居的机械化控制方式已经不能完全满足现代生活的需求，伴着家居电器的使用越来越广泛，一个智能化的控制系统，不仅能够优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，同时也能增强家居使用的安全性，该系统的市场发展有很大的潜力，根据让科技更好的服务于人们的日常生活这一理念[1]，针对当下传统家居控制方式落后及使用不方便等缺点，我们团队进行了此次基于语音交互的智能家居控制系统的研究。
2 系统组成
硬件方案采用Arduino UNO R3模块+LD3320语音识别模块+SYN6288语音合成模块+DHT11温湿度传感器+ MQ-2气体传感器+光敏电阻+LED灯+风扇+喇叭设计而成。系统结构框图如图1所示。
2.1 Arduino模块
Arduino是一个开源性开发平台，硬件部分由Atmel AVR单片机、I/O接口及相关电路组成，软件部分则包括标准的程序编译器和下载编译器具有使用类似java和c语言的processing/writing开发环境[2]，可通过各种各样的传感器感知环境，并能通过马达、灯光来反馈甚至影响环境，这些都可以满足智能家居系统的设计需求。除此之外，Arduino还具有极高的实用性，其所有的软件都可以免费下载，硬件在符合Availableopen-Source协议下也可根据自己的需要和要求进行修改，这给我们项目的顺利实施提供了很大的便利。
2.2 语音识别模块
LD3320是基于关键词语列表识别技术的语音识别模块，由语音识别处理器和一些外部电路组成，不需要接入额外的辅助芯片，展现了其在设计上注重节能和高效的特点。快速而稳定的优化算法，使其具有高准确度与强实用性的语音识别效果和非特定人语音识别技术，不需要用户事先进行录音训练。识别关键词的列表可动态编辑，只需要把识别的关键词以字符串的形式传送进芯片，即可以在下次识别中立即生效。LD3320还支持用户自由编辑50条关键词，在同一时刻，可以在50条关键词语中进行识别，终端用户可以根据场景需要，随时编辑和更新这50条关键词语的内容，操作简单，方便上手。
2.3 语音合成模块
SYN6288是一款性价比高、效果自然的中文语音合成芯片，通过异步串口传输，接收待合成的文本数据，实现文本到语音的转换。在硬件上具有接口电路简单，电路集成，低功耗的特点。在功能上，支持任意中文和英文字母的合成，合成效果清晰、自然、准确，同时具备很强的多音字和中文姓氏的处理能力，此外，SYN6288还可以执行合成、停止、暂停合成、继续合成、改变波特率等多种控制命令。
2.4 温湿度传感器
DHT11是一种含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，由电阻式感湿和NTC测温元件组成，可与高效能的单片机连接，实现对环境温湿度的检测。它采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，可靠性高，稳定性强。每个DHT11传感器都在极其精确的校验室进行校准，使其具有较高的准确度，其测量精度保持在湿度±5RH、温度±2℃之间;数据采用数字输出，其传输方式采用单线制串行接口，使系统集成更加简单便利;其封装采用4引脚安装，连接器件更加方便易上手。
2.5 气体传感器
MQ-2烟雾气敏传感器是一款适合多种应用的低成本气体传感器，具有探测范围广泛、灵敏度高、响应快、稳定性好、寿命长、驱动电路简单等众多优点。它的工作原理十分简单：当气体传感器所处环境存在可燃气体，传感器中的电导率会随着可燃气体的浓度变化而随之改变，通过简单的电路就可将电导率的变化转换为与之气体相应浓度的输出信号，结合继电器和蜂鸣器的使用，可实现烟雾报警的功能。
3 系统程序设计 利用气体传感模块对室内环境进行检测，将采集量和设定的阀值进行比较，并将检测结果反馈给Arduino中央控制系统[3]，若检测到气体浓度过高，控制系统则做出相应的反应机制即报警;若浓度适宜，此时可以进行语音输入，通过语音识别模块和语音合成模块对Arduino中央控制系统发送命令，控制风扇、照明设备等电器的运转，加上温湿度传感器模块，我们也可以通过语音播报系统了解当时环境的温湿度。
由于Arduino开元平台预先在集成软件IDE开发环境中提供了常用的库文件，因此在使用其基本功能时只需在共享平台Github上下载所需要的库并调用即可[4]，并且Arduino IDE对于电脑系统的选择不挑剔，Windows系统、Linux系统都可以安装且能够运行编程[5]，所以系统软件采用Arduino IDE开发环境进行设计，程序设计语言类似C语言，编写的程序流程图如图 2所示。
4 结束语
由Arduino、传感器模块、语音识别模块、语音合成模块等部件组成的一套智能家居系统经过试验后运行效果稳定，达到了初期设定的语音控制电器的使用及对环境进行检测并做出反应的目标，能够优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。适用于现代家居小区，更适合行动不便的老人家庭，具有巨大的推广使用价值和开发潜力[6]。
参考文献：
[1]赵洋洋，陈国维，郭震邦，等.一种基于Arduino的智能家居安防系统设计[J].中国科技信息，2020（05）：98-99.
[2]纪欣然.基于Arduino开发环境的智能尋光小车设计[J].现代电子技术，2012，35（15）：161-163.
[3]高航.基于Arduino的智能家居控制系统设计[J].科技创新与应用，2015（33）：61.
[4]袁本华，董铮.基于Arduino控制板的温室大棚测温系统设计[J].安徽农业科学，2012（8）：5049-5050.
[5]Ben G.B. Kitchener，Simon D. Dixon，Kieren O. Howarth，Anthony J. Parsons，John Wainwright，Mark D， Bateman，James R. Cooper，Graham K. Hargrave，Edward J. Long，Caspar J.M.Hewett. A low-cost bench-top research device for turbidity measurement by radially distributed illumination intensity sensing at multiple wavelengths[J]. HardwareX，2019，5.
[6]崔阳，张维华，白云峰.一种基于Arduino的智能家居控制系统[J].电子技术应用，2014（4）：123-125.
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