智能语音控制系统

远程智能家居控制系统（说明书）-1-作品说明书题目：智能语音控制系统目录1.开发背景..........................................................................................22.原理..................................................................................................23.设计方案..........................................................................................24.硬件电路设计..................................................................................35.软件程序设计..................................................................................56.理论分析与算法............................................................................5远程智能家居控制系统（说明书）-2-1.开发背景20世纪80年代初，随着大量采用电子技术的家用电器面市，家居系统电子化（HE,HomenElectronics），智能化越来越多。然而当今人们对日常设备的智能化控制要求越来越高，从原来的复杂化到简单话，在由简单化到傻瓜化，但是现在人们还是不满足，他们还想要更简单的更方便的更智能的方法来控制自己拥有的设备，这就是语音控制系统为什么会在现代社会如此流行，如此受到大家的欢迎，让语音控制系统成为当今最前沿的民用控制技术。2.原理本系统采用r8c瑞萨单片机采集语音信号，再把语音信号通过通信传到电脑上去，通过电脑的高述的CPU对你说的话就是语音进行分析与计算，最终达到对语音识别的目的，当上位机识别到你说发出的语音后把信号通过通信传回单片机，通过单片机在来控制所有你想控制的设备，如电视、空调、冰箱、电饭锅、洗衣机等家用电器的工作。本系统运用了很多前沿性的技术，通信，单片机控制，对语音的分析，是本系统的三大主要内容，特别是对语音的分析才是本系统的灵魂。3.设计方案单片机经过一个音频接收电路把音频（声音）信号采集进单片机机系统中，在通过选用TL064CN语音芯片把音频信号转换成对应的电压值，再通过瑞萨单片机（16位）的AD采样把电压采集进来，同时为了提高采样频率，就采用直接把未处理的数据通过RS232接口上传到上位机软件中；在上位机程序中通过一定的算法处理采集到的数据流，然后把这些数据对应的“写”到窗体显示程序中（既分析仪界面），以实现音频信号的采集工作进行分析。最后得出结果,再由上位机传送控制信号回单片机,让单片机进行控制.远程智能家居控制系统（说明书）-3-4.硬件电路设计硬件电路由R8C瑞莎单片机最小系统和RS232串口通讯，语音接收电路以及电源和设备控制电路组成。其中瑞萨单片机最小系统版电路包括电器设备指示灯等。图2.单片机最小系统原理图远程智能家居控制系统（说明书）-4-因为电脑用以RS232通讯的高电平-12V，低电平+12V，所以采用MAX232芯片进行电压转换。MAX232采用+5V供电，其电路原理图如下图3所示。C1+1V+2C1-3C2+4C2-5V-6T2OUT7R2IN8/R2OUT9/T2IN10T1IN11R1OUT12R1IN13T1OUT14GND15VCC16q1C12.2uFC22.2uFC32.2uFC42.2uF162738495J1DB9VCC12J2RXDTXD图3.串口通讯原理图瑞萨单片机采用5V电源供电，其原理图如下图4所示，220V交流电经过变压器之后，输出9V交流电压，再经过四个1N4007全波整流后，经过电容滤波后进入三端集成稳压管LM780输出直流5V电压。其中C1为滤波电容，C2的作用是防止旁路高频干扰信号，C3的作用是改善负载瞬态响应。D5D6D7D812POWER_5Vc2104Vin1GND2+5V3U1UA7805R24.7K+C11100uFLED2T2TRANS3F2FUSE112AC220vC30.1uf图4.单片机电源原理图为实现控制额定电压220V家用电器，采用小继电器实施隔离控制。继电器采用三极管S9014驱动，其控制线号由单片机供给。其电路如下图5所示。远程智能家居控制系统（说明书）-5-R?RES2I/OK1VCCD?LEDR?RES2R?RES2Q1PNP图5.继电器控制电路为了实现对语音信号的接收，我们还需要把语音信号转换为电信号的设备，其电路如下图6所示。远程智能家居控制系统（说明书）-6-5.软件程序设计\图3：下位机软件流程图6.理论分析与算法本系统最主要的工作就在于对语音的分析,这是本系统的难点,也是本系统的重点所在,在对语音的采集与计算中也提到了很多算法,也是其中的精髓所在.首先对语音幸好数据进行加窗处理,由于发音器官的惯性运动，可以认为在一小段时间里（一般为10ms~30ms）语音信号近似不变，即语音信号具有短时平稳性。这样，可以把语音信号分为一些短段（称为分析帧）来进行处理。语音信号的分帧实现方法：采用可移动的有限长度窗口进行加权的方法来实现的。一般每秒的帧数约为33～100帧。分帧一般采用交叠分段的方法，这是为了使帧与帧之间平滑过渡，保持其连续性。前一开始音频信号采集循环把采集到的信号上传到上位机控制远程智能家居控制系统（说明书）-7-帧和后一帧的交叠部分称为帧移，帧移与帧长的比值一般取为0~1/2。图3.3给出了帧移与帧长示意图加窗常用的两种方法：矩形窗，窗函数如下：汉明(Hamming)窗，窗函数如下加窗方法示意图：窗长的选择一般选取100～200。原因如下：当窗较宽时，平滑作用大，能量变化不大，故反映不出能量的变化。其它0101)(Nnnw0.540.46cos2π/10()0nNnNwn其它，远程智能家居控制系统（说明书）-8-当窗较窄时，没有平滑作用，反映了能量的快变细节，而看不出包络的变化。语音信号的分帧处理，实际上就是对各帧进行某种变换或运算。设这种变换或运算用T[]表示，x(n)为输入语音信号，w(n)为窗序列，h(n)是与w(n)有关的滤波器，则各帧经处理后的输出可以表示为:)()]([mnhmxTQmn1．短时平均能量定义定义n时刻某语音信号的短时平均能量En为：mnNnmnmnwmxmnwmxE)1(22)]()([)]()([当窗函数为矩形窗时，有nNnmnmxE)1(2)(若令)()(2nwnh则短时平均能量可以写成：mnnhnxmnhmxE)(*)()()(22最终算出其中的平均能量En来反映语音信号的幅度或能量随时间缓慢变化的规律。得出其分析结果,x(n)x2(n)Enh(n)(.)2图3.7语音信号的短时平均能量实现方框图