語音智能家居控制系統研究

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摘要：文章利用LabVIEW強大的數據采集與分析功能、便捷的圖形化編程能力，通過對溫濕度、光敏度、PM2.5、有害氣體濃度以及語音信號的采集與處理，設計一款基于LabVIEW語音智能家居系統，能夠實現語音操控的智能化功能以及在LabVIEW前面板實時進行環境、安防等參數的監測，使得人們的生活變得更加安全、舒適且便捷。

關鍵詞：LabVIEW；智能家居；語音控制

隨著物質文化水平的提高，人們對生活家居環境越來越重視，要求越來越高。智能家居產品正是在這個背景下應運而生。當今社會中，對智能家居產品的要求主要體現在3個方面：安全舒適的環境、便捷靈活的操控、放心可靠的監控[1]。其中，便捷靈活的操控最主要的方式為語音控制，以語音控制信號向終端家居發出指令，從而實現預期的效果。這種方式給人們的生活帶來前所未有的便捷與高效。因此，基于語音控制的智能家居產品得到大力發展。LabVIEW是一款以圖形化編輯語言（G語言）編寫程序，以框圖形式呈現的程序開發環境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發[2]。它主要有兩個方面的特色，一方面LabVIEW可以依托計算機強大的處理器和存儲器，從而節省開發成本，便于后期維護。例如，一般的語音識別電路會采用LD3320語音識別模塊，而LabVIEW可以通過編程實現LD3320語音識別模塊功能。另一方面LabVIEW圖形化編程語言具有編程效率高、開發周期短的特點，包含信號處理模塊、數據通信模塊、數據采集模塊等多種類型的模塊函數[3]?；谏鲜鰞热?，本設計利用LabVIEW2018強大的數據采集、分析能力，搭建一個語音控制、環境檢測以及安防報警等功能集一體的語音智能家居控制系統。

1系統總體設計

系統總體設計包括LabVIEW上位機、單片機模塊、執行器模塊、傳感器模塊等。LabVIEW上位機一方面主要是監測各種參數，另一方面可以處理較復雜的數據，例如，音頻信號，視頻信號等。單片機模塊主要是接收以及處理一些常見的傳感器信號，如溫濕度、光敏度、形變度、有害氣體濃度等，并能夠發送指令給執行機構。

2硬件系統

本設計系統的硬件系統主要包含兩個部分：傳感器部分和數據采集部分。數據采集部分主要分為模擬信號采集部分和數字信號采集部分。首先，傳感器電路將物理量轉換成模擬電信號。模擬信號采集部分，將模擬電信號采集，經過對信號的放大、濾波等處理后，分析給處理器處理。數字信號采集部分，主要是處理開關信號，例如繼電器開關信號。通過LabVIEW對麥克風進行數據采集，得到語音信號，再對語音信號進行處理，識別出有用指令信號，發送給處理器，處理器發出指令通過無線通信模塊發送給執行機構，執行機構接收指令后，執行指令。

3軟件系統

本設計軟件系統主要分為傳感器模塊、音頻采集控制模塊、執行器模塊以及監控界面模塊。通過LabVIEW的多層次結構，將各個模塊程序作為子程序，且實現子程序的調用，從而實現系統程序的擴展，然后通過計算機的計算功能、存儲功能及數據傳輸功能，得到智能家居控制系統的數據，通過LabVIEW前面板工控界面作為上位機界面顯示出來[4]。

3.1傳感器模塊

傳感器模塊利用選定的傳感器采集所需要監測的各種物理量，例如溫度、濕度、光敏度等，經過信號處理電路，將物理量轉換為所需要的各種模擬電信號。再由信號調理電路放大濾波處理后，進行A/D轉換，將模擬電信號轉換成計算機能夠識別的二進制數字信號，最后將數字信號傳輸到個人計算機實現對數據的處理、保存和顯示等功能[5]。

3.2音頻采集控制模塊

本系統通過麥克風，錄入一段話，并使這段信號經過聲卡放大轉換為數字信號，然后通過LabVIEW軟件搭建采集系統，利用聲音相關VI實現語音信號的采集、存儲[6]。再對存儲的語音信號進行對比，找出信號中有用的指令信息，確認后執行相應的操作。

3.3執行器模塊

執行器是指處理器發出命令指令后，執行器接收指令后執行對應的操作，屬于系統的終端設備。執行器執行完指令后，終端設備狀態發生改變，終端設備將自身狀態信號數據通過數據采集模塊返回到上位機，改變上位機監測界面的指示狀態。為了更好地驗證本系統的功能，本系統采用LED作為信號的指示燈，繼電器模塊作為信號的執行器件。

3.3監控界面

LabVIEW軟件可以依托家庭個人計算機，以VI前面板作為系統的上位機監測界面，如圖2所示。此監測界面可以實時監測家居環境的溫度、濕度、空氣質量等，又可以對各個模塊進行監控。此外，還設置了總開關，對整個系統實行整體控制，方便后期對系統的維護與升級。最后，在監控界面的正中間，設置了安防報警指示燈，火災煙霧報警燈以及蜂鳴器，可以第一時間警示家居主人，應對突發情況，及時采取應急措施。圖2上位機監測界面

4系統測試

采用賬號密碼登錄，登錄成功時，自動運行下一個界面，登錄界面關閉。系統啟動后，數據采集模塊實時采集各種信號并在上位機界面顯示，隨著計算機程序的運行，對各種信號進行分析，采取相應的措施，執行對應的模塊。例如，溫度超過26℃，空調啟動制冷模式。另外，自動開啟攝像頭錄像功能，全天候、無死角對家居屋內屋外進行監控，將視頻文件保存到設定的文件夾內以便需要時方便調用。語音識別功能隨時待命，通過開啟聲卡，并將采集到的聲音通過波形顯示在面板上，接收兩級指令后，控制相應的執行機構執行指令。當家居中出現煙霧時，煙霧傳感器將信號傳給上位機，上位機馬上做出響應，火災煙霧報警燈閃爍，蜂鳴器鳴響，提醒家居主人發生意外情況，立即處理，以防事故發生。

[參考文獻]

[1]張冷，鐘山，劉飛，等.基于LabVIEW的智能家居系統設計[J].金陵科技學院學報，2020（1）：40-43.

[2]曾柄杰.基于單片機和LabVIEW的無線葡萄酒窖環境測控系統設計[J].國外電子測量技術，2020（4）：141-145.

[3]褚大偉.語音識別交互在智能家居中的研究與應用[D].石家莊：石家莊鐵道大學，2019.

[4]袁嘉嶸.LabVIEW電子電路模擬仿真設計[J].電子技術與軟件工程，2019（20）：105-106.

[5]黃志強.基于LabVIEW多通道數據采集系統設計與調試[J].機械制造與自動化，2019（1）：185-187.

[6]林麗君，吳巧玲.基于LabVIEW和MATLAB的語音信號采集系統設計[J].成都大學學報（自然科學版），2019（4）：405-408.

作者：劉永超 單位：湖南交通工程學院 電氣與信息工程學院