基于语音技术的智能家居系统的设计毕业论文Word下载.docx
《基于语音技术的智能家居系统的设计毕业论文Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于语音技术的智能家居系统的设计毕业论文Word下载.docx（81页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
Abstract
Nomatterwhenandwhereweare,fast—pacedlifeisourcommonfeature，intelligentlivingenvironmenthasbecomeourgoalforeveryone.Thereisnodoubtthattheemergenceofsmarthomesysteminlinewithourlivingenvironment.Intelligenthomefurnishingisaproductcombinedwithmodernelectronictechnology，communicationtechnologyandautomationtechnology。
Nomatterwherepeople，andwhatpeoplearedoing,youcanalwaysknowthefamilysituationofthevariousappliances，butalsocancontrolthemonoroff。
Speechrecognitiontechnologyisanindispensabletechnology.Itcontainssignalprocessing,patternrecognitionandartificialintelligence。
Intelligenthomefurnishingisanascentintelligentsystem.Thedesignsimulatestheworkingprocessofthesmarthome。
Thedesignusespeechrecognitiontechnologyandinfraredremotecontroltechnology，51microcontroller，asthecentrolofthedesign,controlsthesystem.Intelligenthomefurnishingsothatpeoplehaveconvenientandcomfortablelivingenvironment，whilemakingpeople'
slivingstandardshaveimprovedtosomeextent.Tosomeextent,butalsotoprotectpeople’slivesandproperty。
Youcanmakepeoplefeelcomfortabletodothethingstheywant。
Keywords：
intelligenthomefurnishing；
51SCM；
voicerecognitionofinfrared;
remotecontrol
1引言
心有多大，舞台就有多大.每个人都怀揣着梦想，想要更好的未来，想要更好的生活，所以每个人都在不断奋斗和创新，这种创新不但推动了个人的进步，更推动了社会的发展。
于是人类的生活越来越方便，人们的居住环境也越来越智能化.这种智能化在智能家居上就有很好的体现.
语音识别技术在现代生活中有画龙点睛的作用，与很多领域都息息相关。
例如信号处理、模式识别、人工智能等领域.其中国内中科院的自动化所、清华大学等科研机构和高校等许多研究机构都在从事语音识别领域的研究和开发,并且国家863智能计算机专家组还为语音识别技术研究专门立项,并取得了高水平的科研成果［1]。
语音识别技术的目标是将人类的语言转换为计算机可读的输入.科学家们利用语音数据库里大量的数据进行分析，得到了在统计概率最优化意义上的各个基元语音特征.并且将这些特征和语音模型转化为硬件芯片。
在使用这些芯片时，可以直接使用。
遥控技术的出现要追溯于1960年,它虽然在60年代就出现了,但是由于种种原因，并没有得到理想的发展.七十年代末，随着大规模集成电路和计算机技术的发展,遥控技术才得到快速发展。
红外遥控的特点是不影响周边环境、不干扰其他电气设备，同时也不容易被其他信号所干扰，是很好的信息传输媒体，所以目前它在通信方面被广泛的应用。
51单片机是一款具有有较强的抗干扰能力，运行速度比较高，功耗比较低的单片机。
它可以作为核心处理器来处理信息和控制其他设备，同时价格比较低廉，性价比很高，所以在很多系统中,都有其应用。
这些技术的配合51单片机，可以为本设计成功的模拟智能家居系统，方便了设计者对智能家居这一课题的研究和学习。
智能家居可以为使用者提供更加舒适安全的生活环境，也可以帮助人们合理的分配和利用资源.智能家居系统的出现，让人们的幸福感有所提升，符合现代人的生活理念,相信在不久的未来，它将会普遍被每一个家庭所应用，让人们每一个人,真正享受智能化的生活。
2智能家居系统的前期研究
2。
1智能家居系统的发展现状及发展趋势
1.1国外的发展现状
早在20世纪80年代，世界上就有智能化的建筑出现。
这个建筑出现在美国,它的智能化体现在它利用了计算机系统去监控楼内的空调、照明等用电设备。
同时可以提供语音通信和电子邮件等服务。
在21世纪初期，出现了家庭的智能化系统。
这种智能化系统应用于许多的家庭中，帮助人们完成了许多的功能，方便了人们的生活。
世界首富比尔盖茨先生也耗资6000万美元打造属于自己的高端别墅的智能家居系统。
科技在发展，国外的这种技术也在不断的完善。
随着技术的成熟，超过一半的家庭都在使用这种家庭智能化系统.
在智能家居系统的研发方面，美国及一些欧洲国家一直处于领先地位.好多国家的好多公司都想着研发出属于自己的控制系统.
目前市场上出现的智能家居控制系统主要有X—10、EIB和8X等。
这些系统都有属于自己的优势，同样也有属于自己的劣势。
X-10系统采用集中的控制方式，如果家庭在使用这个系统时,它不需要额外的布线，这是它的优势。
但是在施工方面，需要开槽或者钻孔,所以难度比较高，又由于施工费用比较高，所以没有应用于国内市场。
EIB系统采用的是预埋总线和中央控制的方式.价格昂贵，没有满足大部分人的消费观，所以没有应用于国内市场.8X系统采用预处理总线和集中控制的方式。
该系统日益成熟并且并且相对来说比较符合中国的国情。
但是系统的灵活性不够，所以也没有应用到中国市场。
国外的技术相对来说比较先进,发展也很迅速.但是中国的国情，决定了不同地域的不同的使用者会有不同的需求。
国外的某种技术，也许可以满足一部分人的需求，但是不适合普遍使用。
所以要开发出适合自己的智能家居系统.
2.1。
2国内的发展现状
20世纪90年代以后，中国的智能家居才开始出现，智能小区开始兴起.中国的智能化的建筑最早出现在上海、深圳和广州等一线的沿海城市，随后大陆才开始陆续发展的。
在1999年实施的全国住宅小区智能化技术示范工程，使人们国家的智能化又上升到一个新的阶段。
到目前为止,在中国的某些大城市中,有近一半的家庭实现了智能化。
中国企业也纷纷推出自己的产品，例如海尔的e家庭,这个系列的产品以海尔电脑作为控制中心,各种网络家电作为终端设备,海尔移动电话作为移动数字控制中心[3］。
海尔也不定时的推出自己的一系列产品包括网络电视、冰箱、空调、微波炉等。
清华同方的e-home数字家园，该智能家居控制系统专门针对中国家庭设计。
产品以功能模块开发为主，基于国外成熟的智能家居标准之上。
很明显，跟国外相比较,中国对智能家居的研究起步比较晚，到目前为止都没有形成一定的标准，现在国内各大软、硬件机构正在积极的研发更为符合市场的智能化家居设备,用来解决当前智能化产品实用性差，使用复杂及产品价格昂贵等缺点，技术创新性也逐步向国际先进水平靠拢，这样的未来真的期待.
1。
3智能家居系统发展趋势
经过哥本哈根会议，中国更明确了节能减排，绿色建筑的目标。
为了达到这一目标，中国势必会建设绿色建筑，铺设智能化系统，智能化系统中的智能家居系统将会形成一个新的产业,也可以促进中国房地产业的发展。
由于智能家居系统还缺乏统一明确的国际标准，许多公司开发出的产品都是基于自己组的网络和信息交换协议，不具有一般性。
技术复杂、接入设备不能兼容以及成本过高，所以限制了产品的发展,同时限制了产品的普及。
所以现在的目标是设计出一个符合中国国情、操作实用性强、成本低廉、容易推广和被人们所需求的智能家居控制系统。
做为智能家居的核心系统的智能家居控制系统，它的设计功能的完善必将推动住宅智能化的发展。
而系统功能的集成化、用户使用的傻瓜化和市场的平民化将是智能家居控制器的发展趋势，系统也将逐步迈向绿色化.人类所想的无非也就是可以不费吹灰之力做成自己想做的事情.而智能家居的终极目标就是可以实现人们的这种梦想，实现智能化.
2智能家居系统的预期功能
本设计中要求语音识别采用LD3320，完成语音命令的采集与识别，并将结果传送给单片机；
红外发射采用红外发光二极管，在单片机控制下发送相应序列的红外信号；
红外接收采用HS0038，接受红外信号并解码，传送给单片机。
利用继电器模拟家用电器;
用单片机控制整个系统.可以达到预期的功能.
智能家居系统的预期功能是：
当对着麦克风下达一个命令时,相应的继电器模块的指示灯会亮或者灭。
同样应用到现实中，所实现的功能也应该是当要说出一个命令时,家用电器会自动开启或者关闭。
减少了人为操作，让人们真正享受智能化的生活。
3智能家居系统的设计方案
本设计综合性相对比较高，要软硬件相结合。
解决了软件问题，还需要知道模拟智能家居系统的硬件是如何工作的。
其工作过程:
智能家居系统由麦克风、语音芯片LD3320、红外发光二极管、单片机以及红外一体化接收器HS0038、继电器等硬件组成。
语音信号被麦克风收集并传送到语音芯片内部,语音芯片内部已经放置好关键词列表，收集到的语音信息与原先放好的语句进行匹配和对比，得到一个最优的结果，这个结果通过串口发送给单片机,单片机作为核心控制器可以控制红外发光二极管发出载有相应信息的的红外信号,红外一体化接收器接收后,通过解调还原出发来的信息从而去控制继电器的开或者关，从而来模拟实现智能家居系统.智能家居系统的整体设计框图如下图2—1所示.
图2-1智能家居系统设计框图
3智能家居系统的硬件设计
3.1单片机模块
3.1。
1单片机的简介
单片机全称单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）,又称（MicroControllerUnit），是将计算机的基本部分微型化，使之集成在一块芯片上的微机，片内含CPU、RAM、ROM、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、A/D、D/A、中断系统、系统时钟及系统总线等，它本身就是一个嵌入式系统，同时也是其他嵌入式系统的核心[4］。
关于其内部结构的简介如下表3—1所示。
表3-1单片机内部结构简介
名称
简介
微处理器（CPU）
8位的CPU,包括了运算器和控制器
数据存储器（RAM）
可以放数据，内存128B。
最大外扩为64KB
程序存储器（ROM/EPROM）
用来放程序，最大外扩64KB。
51单片机是4KB的ROM
并行I/O口
4个8位并行I/O口（P0、P1、P2、P3）
串行口
4种工作方式.可以与其他单片机相连，实现更加复杂的功能
定时器/计数器
2个16位定时器/计数器.
中断系统
具有5个中断源，2级中断优先权.
特殊功能寄存器（SFR）
一共有21个。
用于CPU对片内其他部分进行管理、控制、监视。
上表介绍了单片机的内部结构，在这里值得说明的是51单片机有很多种不同的型号。
区分它们主要依据存储器的配置。
在这里以最简单的例子来说明,8031芯片内是没有程序存储器的，但是其他型号的芯片里有程序存储器.还有增强型的存储容量比普通型的存储容量要多至少1倍.
介绍完单片机的内部结构,现在来介绍下单片机的引脚及其功能.单片机分为可总线扩展的和不可以总线扩展的，是因为单片机本身可以满足这些系统所需要的功能,不需要外扩。
本设计中所使用的单片机采用的是双列直插式的封装结构，一共有40个引脚，本设计中没有用到单片机的所有引脚,只使用了电源端、接地端、串口输入、外部中断以及P0~P3的某些引脚。
在这里介绍下各引脚的功能，如下表3—2所示。
表3—251单片机的引脚功能表
功能简介
P1口
（1~8脚）
P1口是一个8位双向I/O口。
当P1口的锁存器写入“1”时，P1口可作为输入端。
是低8位的地址复用总线端口。
P2口（21~28脚）
8位准双向I/O口。
既可作为普通I/O口引脚。
也可作为高8位地址总线。
P2口与P1口的输出级结构相同，内部都有上拉电阻。
整个端口结构基本相同。
P3口（10～17脚）
是双功能静态端口。
作为第一功能使用时，其功能与P1口相同.当作为第二功能使用时,又都有各自的定义.
P0口（32～39脚）
8位双向三态I/O口线.既可作为普通I/O口引脚。
也可作为数据/低8位地址总线.
VCC（40）
电源电压端。
GND（20）
地端。
RST（9）
复位输入端。
复位后，内部专用寄存器及I/O口的处置与8051的情况一样。
而内部的状态保持不变。
XTAL1（19）
振荡器反相放大器的输入。
内部时钟发生器的输入端.
XTAL2（20）
振荡器反相放大器的输出端。
ALE
地址锁存允许,当单片机访问外部存储器时。
该引脚的输入信号ALE用于锁存P0的低8位地址.ALE输出的频率为时钟振荡频率的1/6。
PSEN
程序存储器允许。
输出读外部程序存储器的选通信号。
取指令操作周期,PSEN的频率为振荡频率的1/6；
若此期间有访问外部数据存储器的操作。
则有一个机器周期中的PSEN信号将不出现。
EA
EA=0，单片机只访问外部程序存储器。
对8031此引脚必须接地。
EA=1，单片机访问外部程序存储器。
对内部有程序存储器的单片机。
此引脚必须接高电平。
在这里需要注意的是，P3口具有双功能，介绍下它的第二功能，以便设计者更好的利用单片机以完成本设计所需要的功能。
P3口的特殊功能如下表3—3所示。
表3-3P3口特殊功能
口线
特殊功能
P3。
RXD（串行口输入端）
1
TXD（串行口输出端）
2
/INT0（外部中断0）
3
/INT1（外部中断1）
4
T0（定时器0外部输入）
5
T1（定时器1外部输入）
3。
2单片机的外围电路
单片机的外围电路包括复位电路和时钟电路两部分。
复位电路的作用主要是，不管单片机遇到什么样的不正常的操作，都可以实现单片机的初始化，使它从某一确定的状态重新开始运行。
上电复位和开关复位都可以完成复位电路的作用，它们只是2种不同的形式。
上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。
开关复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，如果发生死机，用按钮开关操作使单片机复位[4］.复位电路如图3—1所示.
图3—1RST电路
其中RST端接51单片机的第9引脚，按下复位按键以后，PC指向0000H单元、SP指向07H单元、P0口为FFH、P1口为FFH、P2口为FFH、P3口为FFH以及其他的寄存器为0。
51单片机芯片内部有一高增益反相放大器，用于构成振荡器。
反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，在XTAL1、XTAL2（第19、18引脚）两端跨接一个石英晶体振荡器,和两个电容就构成了稳定自激谐振电路，晶振频率为11。
0592MHz.C12,C13是两个瓷片电容，与晶振Y2构成了自激谐振电路，其电容的作用主要是对频率进行微调，一般取30-45PF左右，使用该电路可产生稳定的11。
0592MHZ频率，受外界的环境的干扰影响非常小［5］。
其接法如图3—2所示。
图3—2外围时钟电路
3.1.3单片机的硬件电路
本设计最核心的器件是51单片机，它控制了整个系统，完成了语音信息的处理、红外信号的发射以及红外信号的接收。
它的外围电路如下图3-3所示.
图3-351单片机外围电路
2语音识别模块
3.2。
1语音芯片LD3320的介绍
LD3320芯片是一款“语音识别”专用芯片,由ICRoute公司设计生产.该芯片集成了语音识别处理器和一些外部电路，包括AD、DA转换器、麦克风接口、声音输出接口等，本芯片不需要外接任何的辅助芯片如Flash、RAM等，直接集成在现有的产品中既可以实现语音识别、声控、人机对话功能，并且，识别的关键词语列表是可以任意动态编辑的[6]。
主要的特色功能有：
非特定人语音识别技术、可动态编辑的识别关键词语列表、单芯片解决方案、高精度A/D和D/A通道、高准确度和实用的语音识别效果、可自由编辑50条关键词语［7］。
它的内部逻辑结构如图3-4所示。
图3-4LD3320内部结构逻辑图
LD3320芯片有48个引脚，在图中可以看到20个引脚，在本次设计中没有使用所有的引脚.MICP和MICN分别接麦克风的正负引脚、CLK接外部时钟,频率在4—48HZ之间、GND是接地端和VDD是电源端.电源的主要目的是给芯片供电，使它可以正常工作。
2.2语音识别的原理
语音识别技术是将人类语音中的词汇内容转换为计算机可读的输入。
科学家们利用语音数据库里大量的数据进行分析，可以得到在统计概率最优化意义上的各个基元语音特征.并且将这些特征和语音模型转化为硬件芯片。
语言识别原理主要是：
科学家建立语言模型，分析语音特征,并将这些转化为硬件芯片LD3320。
最先将相关命令的词语列表，写入芯片内。
其次通过麦克风采集语音信号，并将得到的信号，送入芯片内部。
然后芯片将收到的信号进行频谱分析,提取特征，并根据它内部的这种特殊的算法和编辑好的关键词列表一一匹配，将匹配率最高的结果以串口的形式发回给单片机.
语音识别的过程，就是把用户说出的内容，通过频谱转换为语音特征，和这个关键词语列表中的条目进行一一匹配，最优匹配的一条作为识别结果［14]。
在本设计中语音识别列表是打开灯、关闭灯、打开热水器、关闭热水器、打开空调、关闭空调、全部打开、全部关闭灯等。
不论这个列表的条目内容是什么，只需要用户设置相关的寄存器，就可以把相应的待识别条目内容以字符形式传递给识别引擎［8］。
语音识别过程如下图3—5所示.
图3-5语音识别芯片识别过程框图
3语音识别模块的硬件连接
该模块由单片机、语音芯片以及麦克风组成.单片机选用的是51单片机,语音芯片的型号是LD3320。
单片机是语音模块的核心控制平台，并且它控制着语音芯片去完成对语音信号的采集和对比分析，同时将对比得出的一个最优结果以串口中断的方式传回给单片机。
最后通过红外遥控模块传送给另一个单片，使继电器的指示灯亮或者灭。
语音识别模块与主控单片机的硬件连接如图3—6所示.
图3—6语音识别模块的硬件连接图
3.3红外遥控模块
红外遥控模块主要有两部分构成，红外发送部分和红外接收部分，现在一一介绍这两部分。
这个模块最大的优点就是，不会干扰其他的信号，不影响其他设备的正常工作,而自己本身也不受其他信号的影响.
1红外发光二极管的介绍
红外发射部分的主要元件为红外发光二极管,实际上是一只特殊的发光二极管，由于其内部材料不同于普通发光二极管，因而在其两端施加一定电压时，它便发出的是红外线而不是可见光［9］。
在其实际应用中要加上反向电压，才可以正常工作，它发出的红外线的波长在940毫米左右。
在这需要注意的是：
在调试时,如果不知道红外发光二极管是好是坏，能否正常工作,可以用万用表的电阻档量他的正反向电阻。
3.2红外发射部分的介绍
单片机在空闲时候,功耗比较低,比较节能。
当出现语音命令时，语音识别模块会在触发状态下采集语音命令进行分析，并将结果传给单片机，产生串口中断，这时单片机会调用命令函数关闭串口中断，同时开启定时器中断，定时器T0作为红外线发射频率控制器，当T0定时溢出时中断程序使红外管接口电平反转一次，写入定时器的初值不同,在输出端口就得到不同的发射频率[14］.在语音识别模块的论述中讲到，语音芯片会将采集到的语音信号与放好的关键词列表进行匹配得到最优结果，这个结果会以串口的方式发送给单片。
单片机接收到这个最优结果以后,会打开定时器,产生一个个的高低电平。
即完成了发送信号的编码，产生了一个脉冲串信号.这个脉冲串信号载有相应的信息，通过红外发光二极管发射出去。
3红外发射部分硬件连接
这一部分由51单片机和红外发光二极管构成.用来发送二进制信号经过编码以后的脉冲串信号。
它与单片机的连接方式如下图3—7所示。
图3-7红外发射部分的电路图
4HS0038的介绍
红外接收部分采用一体化接收器HS0038。
HS0038黑色环氧树脂封装。
一共有三个管脚：
地端、电源端和信号输出端。
它可以不受其他光源的干扰，功耗低,而且灵敏度高。
HS0038的抗干扰能力较强，成本低，完成对信号进行放大、检波、整形得到TTL电平的编码信号，不需要其他外围电路，最后将编码信号传送给单片机，经单片机解码并执行去控制相关对象［15］.
它的引脚及功能如下图3-8所示。
图3-8HS0038的引脚及功能图
在此需要注意,判断HS0038是否可以正常工作时,需要在把上图的第二和第三引脚之间连接一个二极管和一个发光二极管,手拿遥控器对着接收头按下任意键，如果发光二极管闪烁，可以证明HS0038可以正常工作。
3.3.5红外接收过程及硬件连接
红外接收就是对红外信号的接收、放大、检波、整形，之后解调出红外遥控编码脉冲的一种过程[16]。
注意的是接收的波长为750～1150纳米之间。
它的具体实现过程如下图3-9所示。
解码
图3—9红外遥控的实现过程图
红外接收部分只需要HS0038就可以完成所需要的功能，不需要外加其他设
升级会员 