通信专业毕业论文

本科生毕业论文 (设计 ) 题 目： 家用电器语音控制系统设计 学生姓名： 张 占 魁 学 号： 201216020218 专业班级： 通信 12102 班 指导教师： 侯 清 莲 完成时间： 2016 年 4 月 30 日 目录 摘 要 . I . 1 章 绪 论 . 1 音识别的概述 . 1 内外语音识别技术比较 . 1 外语音识别技术的发展 . 1 内语音识别技术的发展 . 2 题设计背景 . 2 究内容与特色 . 3 文主要内容 . 3 第 2 章 语音识别及控制的关键技术 . 4 音识别技术 . 4 入式操作系统 . 4 庭总线技术及协议 . 5 行总线 . 5 议 . 5 议 . 5 洲安装总线 . 6 议 . 6 能家居无线网络系统 . 6 第 3 章 系统设计 . 8 案论证和比较 . 8 体方案 . 8 要器件选型 . 8 统方案与原理框图 . 9 心芯片介绍 . 9 心 片介绍 . 9 心 片介绍 . 11 统硬件电路设计 . 12 铃检测电路 . 12 拟摘挂机电路 . 13 码电路 . 家用电器控制电路 . 16 第 4 章 软件设计 . 18 件设计原理 . 18 统程序设计流程图 . 18 于多识别引擎的识别器设计 . 20 统识别引擎简介 . 20 于多识别引擎的识别器设计 . 20 结论 . 23 参考文献 . 24 致谢 . 26 附录 A 硬件电路图 . 27 附录 B 程序清单 . 28 I 摘 要 近年来， 随着技术发展和生活水平的提高，人们对家居环境提出了更高要求，智能家居系统的概念开始走向大众，虽然目前发 展缓慢，但是家居智能化肯定是今后长时间内一个智能控制领域最热门的话题。语音是人类最自然的交互方式，利用语音识别与控制技术实现对家用电器的控制是智能家居的重要内容。云技术的兴起成为语音识别最重要的应用环境。 由于智能家居低功耗、低成本、易操作、易安装的实际需求，经过大量的对比研究和实际参数分析， 文章采用了 一种基于单片机的电话遥控装置。利用该装置，用户可以通过任意一部双音多频电话 (包括固定电话和移动电话 )遥控家中的电器 ，构建一个智能家居系统，实现对家用电器的语音控制。 本文设计了一种基于 家用电器 电话远程控制系统，基本原理为 达到设定的振铃次数后 制电话自动摘机，并控制语音提示电路发出提示音，要求输入系统启动密码，然后对密码进行校验，当密码输入正确后，语音提示电路提示输入家用电器控制码，所拨号码经 码电路解码后，送往 行译码，从而控制家用电器 1。 关 键 词 ： 云 技 术 ； 单 片 机 ； 智 能 家 居 ； 语 音 控 制 n of of on of to is is in a a of is of of to of is an of of of of of a of in By by a a a is to of a on of of to to by so as to . 1 第 1 章 绪 论 音识别的概述 语音技术在计算机领域中的关键技术是语音识别技术和语音合成技术，其中语音识别技术是 2000 年至 2010 年间信息技术领域十大重要的科技发展技术之一 2。 语音识别技术 (是指将人说话的语音信号转换为可被计算机程序所识别的文字信息，从而识别说话人的语音指令以及文字内容的技术。语音识别的目的就是让计算机能“听懂”人话。未来 10 年内，语音识别技术将进入工业、家电、通信、汽车电子、医疗、家庭服务、消费电子产品等各个领域。语音识别技术的应用已经成为一个具有竞争性的新兴高技术产业。 内外语音识别技术比较 外语音识别技术的发展 1952 年贝尔研究所 人研究成功了世界 上第一个能识别 9 个 英文数字发音的实验系统。 1960 年英国的 人研究成功了第一个计算机语音识别系统。大规模的语音识别研究是在进入了 70 年代以后，在小词汇量、孤立词的识别方面取得了实质性的进展。进入 80 年代以后，研究的重点逐渐转向大词汇量、非特定人连续语音识别 3。在研究思路上也发生了重大变化，即由传统的基于标准模板匹配的技术思路开始转向基于统计模型 (技术思路。此外，再次提出了将神经 网络技术 引入语音识别问题的技术思路。 进入 90 年代以后，在语音识别的系统框架方面并没有什么重大突破。但是，在语音识别技术的应用及产品化方面出现了很大的进展。 在 70 年代由 美国 国防部远景研究计划局资助的一项 10 年计划，其旨在支持语言理解系统的研究开发工作。到了80 年代，美国国防部远景研究计划局又资助了一项为期 10 年的 略计划，其中包括噪声下的语音识别和会话（口语）识别系统，识别任务设定为“（ 1000 单词）连家用电器语音控制系统设计 2 续语音数据库管理”。到了 90 年代，这一 划仍在持续进行中。其研究重点已转向识别装置中的自然语言处理部分，识别任务设定为“航空旅行信息检索” 4。 日本也在 1981 年的第五代计算机计划中提出了有关语音识别输入 输出自然 语言的宏伟目标，虽然没能实现预期目标，但是有关语音识别技术的研究有了大幅度的加强和进展。 1987 年起，日本又拟出新的国家项目 高级人机口语接口和自动电话翻译系统 5。 内语音识别技术的发展 中国的语音识别研究起始于 1958 年，由 中国科学院 声学所利用 电子管 电路识别 10个元音。直至 1973 年才由中国科学院声学所开始计算机语音识别 6。由于当时条件的限制，中国的语音识别研究工作一直处于缓慢发展的阶段。进入 80 年代以后，随着计算机应用技术在中国逐渐普及和应用以及 数字信号 技术的进一步发展，国内许多单位具备了研究语音技术的基本条件。与此同时，国际上语音识别技术在经过了多年的沉寂之后重又成为研究的热点，发展迅速。就在这种形式下，国内许多单位纷纷投入到这项研究工作中去。 1986 年 3 月中国高科技发展计划（ 863 计划 ）启动，语音识别作为智能计算机系统研究的一个 重要组成部分而被专门列为研究课题 7。在 863 计划的支持下，中国开始了有组织的语音识别技术的研究，并决定了每隔两年召开一次语音识别的专题会议。从此中国的语音识别技术进入了一个前所未有的发展阶段。 题设计背景 随着现代科学技术的发展和人民生活水平的提高，人们对居住环境的要求，正在从以往追求居室空间宽大和装饰豪华，向着追求品味、安全、舒适、便捷和智能方向发展。人们对家庭住宅的观念也有所改变，家庭智能化是今后家庭装饰的必经之路。然而智能家居目前还存在很多的问题。嵌入式高性能芯片的出现、各种操作系统应用 于嵌入式系统以及网络技术的发展为解决这些问题提供了技术保障。 嵌入式系统芯片性能在不断提高，操作系统在嵌入式系统中也得到了广泛的应用，为智能家居目前存在的问题提供了解决途径，也为未来智能家居的发展提供了技术背景。随着现代科学和计算机技术的发展，人们在与机器的信息交流中，需要一种更加方家用电器语音控制系统设计 3 便、自然的方式。而人的直观感觉可以给人最直接的印象，获取信息速度也就最快。虽然，嗅觉、触觉也是人类固有的感觉，人们可以从中得到某些外界信息，但最重要、最精细的信息源只有图像和语言两种 8。而且，语言是人类最重要的、最有效的、最 常用的和最方便的通信形式。这就很容易让人想到能否用自然语言代替传统的人机交流方式如键盘、鼠标等。控制论创始人维纳在 1950 年就曾指出 ： “通常，我们把语言仅仅看作人与人之间的通信手段，但是，要使人向机器，机器向人以及机器向机器讲话，那也是完全办得到的” 9。 传统的家用电器的控制，无外乎两种控制方式 ： 手动或遥控。随着家用电器的增多，开关和遥控版越来越多，使用极不方便，有时分不清谁是谁的控制器，甚至找不到遥控器等，特别是以后电视数字化了，频道增加，用遥控器翻查电视非常麻烦和耗时，而采用语音控制，可以很方便的分 别出电视，空调等设备，并且可以直接叫出如“中央一台”来，所以语音识别及控制在智能家居中尤其重要。 究内容与特色 本文的研究对象是基于单片机的家用电器语音控制系统， 本课题主要通过设计了一种家用电器电话远程控制系统，对家居设备如电灯等开关电器 、 电视机等遥控设备实现远程的 语音控制 。 文主要内容 本课题主要通过选择性能优良的语音识别方法， 设计一种家用电器电话远程控制系统 ，对家居设备如电灯等开关电器，电视机等遥控设备实现语音控制 。 第一章 绪论主要是介绍课题的背景及意义， 并且对国内外语音识别技术的发 展进行了概括。 第二章主要是 介绍 语音识别及控制的关键技术：语音识别技术，嵌入式操作系统，家庭总线技术及 程。 第三章是研究智能家居的实现方案和具体方法。确定控制方案 ，完成了系统设计。 第四章是 对各个硬件电路进行设计，并介绍了核心芯片。 第 五 章主要是对 软件部分的 设计。 家用电器语音控制系统设计 4 第 2 章 语音识别及控制的关键技术 音识别技术 当今，能实现语音识别的方法主要有两大类，一类是语音芯片硬件实现，另一类通过声卡采集软件实现，目前主要流行的软件包有： 0。 一个完整的语音识别系统可大致分为三部分： 语音特征提取。其目的是从语音波形中提取随时间变化的语音特征序列。 声学模型与模式匹配、识别算法。声学模型通常将获取的语音特征通过学习算法产生。在识别时将输入的语音特征与声学模型 (模式 )进行匹配与比较，得到最佳的识别结果。 语言模型与语言处理。语言模型包括由识别语音命令构成的语法网络或由统计方法构成的语言模型，语言处理可以进行语法、语义分析。对小词表语音识别系统，往往不需要语言处理部分。 入式操作系统 由于 硬件要求比较高，且要求操作系统是 列，嵌入式系统有 E 和 P 用于 机型，其内核非常小巧，可以添加裁剪功能模块，应用于 机等小型化设备。目前最高版本为 E 为组件化的操作系统，从构建开始，就旨在开发占用资源较少的设备 11。从可供使用的组件中选择一个自定义集合，并从预设的模板开始工作，开发商可使用E 通过自带实时功能快速创建大量的企业工具和客户电子设备，诸如：工业控制器、销售点终端、通讯集线器、照相机、 具、互动电视掌上电脑，但 提供了语音识别的引擎，却并未完全包含语音识别的所有功能模块，还需要开发者自己去实现。 P P 的一种有着灵活定制能力的特殊版本，其产家用电器语音控制系统设计 5 品主要针对嵌入式系统，比如说机顶盒等等，但是其核心同 P 是相同的 (详见后面介绍 )，组件上的差异也较少，而其高度可 定制性，就大大加强了系统安装的灵活性，类似于精简版的 P 以说是垂手可得且合法 (体现其可定制性 )。 P T 升级产品，是划时代的桌面操作系统 P 的组件化版本 12。 庭总线技术及协议 总线技术在智能家居中极为重要，目前标准比较多，主要有以下几种： 行总线 由于在消费类电子产品、计算机外设、汽车和工业应用中增加了嵌入式功能，对低成本、高速和高可靠通信介 质的要求也不断增长以满足这些应用，其结果是越来越多的处理器和控制器用不同类型的总线集成在一起，实现与 件、开发系统 (如仿真器 )或网络中的其它设备进行通信。目前流行的通信一般采用串行或并行模式，而串行模式应用更广泛。 议 全称是消费电子总线 ( 1989 年，美国电子工业协会 (消费电子小组开始发布消费电子总线的部分草案。 1992 年，所有的消费电子总线规格说明书得以发布，这就是 准。 1994 年，“消费电子总线委员会” ( 立。这是一个非盈利性组织，由生产制造消费电子总线兼容产品和提供相应服务的公司组成 13。负责 准的制定和发布 ;并监督市场、保证产品的互操作性、以及认定产品是否符合 准。消费电子总线网络拓扑结构可以是总线型、星型、树型或混合型。总线中的每个节点的地位是平等的，不需要一个主控设备。网络中各节点的控制关系通过绑定来实现，从而使整个家庭中的电器系统能成为一个智能的整体。 议 家用电器语音控制系统设计 6 为创建使不 同厂家的暖通空调子系统相连接的标准方法，美国供暖制冷及空调工程师协会 ( 1995 年制定了一种开放标准，被称为“楼宇自动化和控制网络，即 据通信协议阐述了建筑物自动控制网络的功能，系统组成单元相互分享数据实现的途径、使用的通讯媒介、可以使用的功能 以及信息如何翻译的全部规则 14。因此，它确立了不必考虑生产厂家、各种兼容系统在不依赖任何专用芯片组的情况下，相互开放通讯的基本规则。目前， 一项极具开拓性的技术，它使不同厂商生产的设备与系统在互连和互操作的基础上实现无缝集成成为可能。 洲安装总线 欧洲安装总线 (一个在欧洲占主导地位得楼宇自动化和家庭自动化标准，是由 一些知名企业首先提出来的。目前国际上很多公司都推出了符合 范 的产品， 欧洲得到了很好的应用，占据了欧洲楼宇及家庭自动化 80%的市场 15。 1999 年，欧洲三大协议机构 并成立了 会，提出了 议。该协议以 基础，兼顾了 物理层规范，并吸收了 配置模式等优点 。 议 鉴于全球能源逐渐枯竭、人口结构逐渐迈向老龄化、家庭消耗能源日益增加及环境保护与远距离家庭医疗的需求提升等原因， 家电大厂与东京电力公司，于 1997 年 12 月在日本政府支持下，成 立 了会，主要目标是开发一个标准化的家庭网络国际标准，并应用于家庭能源管理、居家医疗保健等服务上 16。 能家居无线网络系统 术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，遵循 议，是 作组专门为短距离通讯制定的新标准。协议结构如表 示，它由高层应用规范、会聚层、网络层、数据链路层和家用电器语音控制系统设计 7 物理层组成 17。 作组主要负责制定物理层和 的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准。 表 议结构 层应用范围） 会聚层 网络层 质访问控制层 868/915理层 理层 家用电器语音控制系统设计 8 第 3 章 系统设计 案论证和比较 体方案 首先必须构建一个嵌入式操作系统，然后无缝地把语音识别软件包链接进去，制定信协议，执行机构能和上位机顺利通信，完成信息交换和相应的命令动作。 要器件选型 片机 方案一： 列单片机是单时钟 /机器周期 (1T)的兼容 8051 内核单片机，是高速、低功耗的新一代 8051 单片机，全新的流水线、精简指令集结构，内部集成 18。 方案二： 一种带 4K 字节 储器 (低电压 、高性能 位 微处理器 ，俗称 单片机 。该器件采用 密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 闪速存储器组合在单个芯片中， 一种高效微控制器， 它的一种精简版本 19。 话接收芯片 方案一： 美国 司的生产的标准化 8 脚集成电路，它将 门狗定时器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内，大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性。 方案二： 调译码器 ( 司所开发生产为一颗常用复频译码 个电路可以接收 号，是一个完整的 收器。它接收了号后，内部将信号分成高频带和低频带，并将此信号送至数字译码器，通过数字译码器解出按键值，接着将解出的按键值以二进制的方式以四条线 (4)输出到外部共享 20。 家用电器语音控制系统设计 9 经比较，使用方案二简单可行，运行可靠，成本低廉。 统方案与原理框图 本系统以 片机为核心控制器，系统主要包括振铃检测电路、模拟摘挂机电路、 频解码电路、语音提示电路、电源电路、家电控制电路等。系统组成框图如图 示。 图 统组成框图 控制器接收远端发送来的 号、并对其进行解码，解码后的信号由中央处理单元采集处理。为了方便用户使用，系统设计了语音提示界面。电话远程控制系统一般工作在无人值守环境，所以应具有自动离线、上线、复位功能。为了符合智能化要求，系统采用 为中央处理器。同时，电话远程控制系统正常工作还需电源供电电路、驱动电路等辅助电路。 控制器并联于电话机的两端，不会影响电话机的正常使用。用户通过异地电话拨通控制器所连接外线的电话号码，通过程控交换机向电话机发出振铃信号。控制器检测 到6 次振铃后，即 6 次响铃后无人接听时电话自动摘机，进入密码检测阶段，输入正确密码后选择被控电器，然后输入开或关密码遥控被控电器，完成后返回。 心芯片介绍 心 片介绍 电 话 接 口 语音放大电路 振铃检测电路 自动摘挂机电路 双音频解码电路 单 片 机 家 用 电 器 控 制 家用电器语音控制系统设计 10 智能部件（单片机 一种廉价的高性能通用型单片微控制器，俗称单片机，为双列直插式 20 脚封装。 一个低电压，高性能 位单片机，片内含 2k 可反复擦写的只读 28随机存取数据存储器 （ ，器件采用 易失性存储技术生产，兼容标准 令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 储单元，功能强大 片机可为您提供许多高性价比的应用场合。 一个功能强大的单片机，但它只有 20 个引脚， 15 个双向输入/输出 （ I/O） 端口，其中 一个完整的 8 位双向 I/O 口，两个外中断口，两个 16 位可编程定时计数器 ,两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。同时 时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有 时 /计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中，片内 被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。 主要功能特性：（ 1）兼容 令系统； (2)15 个双向 I/O 口；（ 3）两个 16位可编程定时 /计数器；（ 4）时钟频率 0 24(5)两个外部中断源；（ 6）可直接驱动 7）低功 耗睡眠功能；（ 8）可编程 道；（ 9） 2k 可反复擦写 （ 1000次） 10） 6 个中断源；（ 11） 宽工作电压范围；（ 12） 128 13）两个串行中断；（ 14） 两级加密位；（ 15）内置一个模拟比较放大器。（ 16）软件设置睡眠和唤醒功能。 脚封装图如图 示。 家用电器语音控制系统设计 11 1 202 193 184 175 166 157 148 139 1210 11R X D / P 3 . 0T X D / P 3 A L 2X T A L 1I N T 0 / P 3 . 2I N T 1 / P 3 . 3T 0 / P 3 . 4T 1 / P 3 . 5G N A I N 0P 1 A I N 1P 1 8 9 C 2 0 5 1 图 脚封装图 心 片介绍 作为电话网，无线移动通信网和计算机通信网的终端设备。 号通过 输入 S 引脚接反馈电阻对输入的 号进行放大， 脚之间接一个 晶振，产生 号双音对中各单音比较信号。信号在经过滤波、放大、高低频分离，再经过数字处理转化为与 号相对应的二进制编码。 号解码为 4 位二进制码，由 接输出，如按下电话“ 1”号键 ,则电话线上就有高频 1200低频 697 号 码的结果由 出， 出结果与电话按键的对应关系 如表格所示。芯片 脚提供 号检测输出，当 收到 时该引脚为低电平，该信号通过反相后可向单片机申请中断， 脚为输出使能端，当 高电平时解码结果可以从 出。 低电平时 脚为高阻态。 脚封装图如图 示。 家用电器语音控制系统设计 12 1 182 173 164 155 146 137 128 119 10I N +I N r e C 1O S C 2U s sU / G 8 87 0 图 脚封装图 统硬件电路设计 铃检测电路 振铃检测电路由光耦 及门电路 元件组成。电话线路没有铃流时，电话交换机提供的线路电压为 48V 60V 的直流信号。当用户呼叫时，电话交换机发来振铃信号， 89片机驱动摘挂机控制开关电路， 号译码电路，铃流检测电路和语音提示电路等电路设备。此时光耦 发光二极管导通，使光敏晶体管导通，于是 +5V 电源通过 1K 电阻和二极管向 100容充电。当电容上电压充到开门电平时，与门 出高电平并由 测，每振铃一次，门 出一次高电平即一个正脉冲。振铃信号为 25 3V 的正弦波，电压有效值为 90 15V,振铃以 5s 为周期，即 1s 送 4s 断。正脉冲信号可以直接输出至单 片机的中断计数器输入口，完成整个振铃音检测和计数的过程。 根据振铃信号的特征，设计振铃检测电路如图 示。 家用电器语音控制系统设计 13 c 铃检测电路 拟摘挂机电路 先从 测与门 输出 ,输出一个正脉冲，电话振铃一声；须检测到 8 个正脉冲信号时，才从 出低电平使三极管 通，于是继电器 合使两对常开触点 合，并使 500 欧电阻与小音频变压器绕组串联被接入电话线，实现了“模拟提机”。然后 待 码器 正脉冲的到来 ，一旦识别到 的正脉冲， 读入 码器的输出的二进制码信息，这个信息就是遥控命令， 对其进行判别 的命令，或是挂机命令。 挂机命令的执行信号是从 出的，当 时， 止，继电器释放，即实现了“模拟挂机”。而控制受控对象动作的信号是从 5 路输出的， 能使 通，继电器 合 ； 若 ，则 放 若 ,则能使 电器 合 ； 若 ，则 放。但由图中可知， 没有直接接到 没有直接接到 是隔了一片集成块 7474一个 8D 锁存器也就是芯片内部包含了 8 个 D 触发器，输入端为 出端为 清零端 以低电平，则器件复零， 出全为零，若清零端为高电平，则每当触发端 一个电平的上跳变时（从“ 0”变到“ 1”的瞬间），输入端 家用电器语音控制系统设计 14 状态就会被锁存到器件内并从 出，只要 不再触发，这一