针对家庭自动化控制系统中的调度程序与语音识别的研究
摘 要
自动化式家居、家庭自动化或智能家居这种产品可以为家居生活中的家务事提供方便。其最简单的一个任务就是可以实现自动或远程控制自己家种的灯光或其他电气设备。智能家居起源于上世纪80年代的美国,在上世纪末来到中国,经过十几年的发展,特别是伴随住宅产业的进步,智能家居在中国己经显出春笋出露的局面。当家庭智能网关利用先进的电子技术、网络通讯技术和综合布线技术将家庭中各种各样的家电连接在一起时,就构成了功能强大、高度智能化的现代智能家居系统。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间，并且通过在家中建立的网络通讯，实现对家庭中的各种与信息相关的设备、家用电器及保安装置，进行集中地或远程地监控和管理，还将原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交换畅通，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，使人们的生活更加安全、便利、舒适，也更符合环保理念，使生活更加舒适、便利和安全。其网络化功能可以提供遥控、家电（空调，热水器等）控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、电话远程控制、可编程定时控制及计算机控制等多种功能和手段。因智能家居控制系统布线简单、功能灵活，扩展容易而被人们广泛接受和应用。这形成了一个在建房子的时侯可以借鉴的事例通过一个舒适的方式有效地使用电力。当前技术的发展已经能生产出体积更小、更经济的计算机。在本文中，单板计算机（SBC）——Raspberry计算机将实现这些目标。根据目前的发展现状，家庭自动化已经可以通过借助网站或智能手机应用来实现，只需要居民使用计算机或Android、iOS系统的智能手机。本文提出了自动化式家居可以与居民之间实现更优质的无缝通信。为了实现这一目标，本文还提出了通过语音命令来控制电气设备的功能，并且此功能是基于网络应用程序来控制详细说明或配置的。用配备有麦克风、继电器和互联网接口的Raspberry计算机部署的房子具有监控、调度、网络远程控制房屋内电子设备状态的功能。此外，Raspberry计算机还为其用户提供了一种新的控制电气设备的方式，那就是使用语音命令。基于云的API、Wolfram Alpha将用来记录语音命令的声音，并依次由Raspberry Pi转换处理成文本。因此，为使系统能正常工作，Raspberry必须与互联网相连接。
关键词：家庭自动化，控制，语音命令，调度程序，基于网络
- 引言
现在，工作的人们比以前更为忙碌，导致他们在生活中更为粗心草率，这样一种方式下，他们经常在上班出门前忘记关掉电气设备。这些电器整天耗电，将会造成巨大的能量消耗[1]。如果有方法能让人们远程监控家中电器的使用状况，他们就能知道每天有多长时间都在浪费能源了[2][3][4]。而且，在电气设备被关掉的情况下，人们也需要能够远程控制家中的电气设备。网络是一种多平台技术，所以能通过许多种接口接入网络[5][6][7]。因此，在本论文中，网络将被用为远程控制的一项服务。为了鼓励人们采用这种技术，需要提供一种新的房屋电气管理方式[8][9]。语音指令功能也能加入到此方式中[10][11][12][13]。
语音识别具有很大的实际应用价值，其发展、成熟和实用化将推动许多产业的迅速发展，其中包括计算机、办公室自动化、通信、国防、机器人等等。目前可以想象的语音识别主要应用有：语音输入系统，作为一种最自然的文字输入方法，用口述代替键盘向计算机输入文字，这将给办公室自动化和出版界带来革命性的变化；语音控制系统，为人们在手动控制以外提供了一种更安全、更方便的控制方法，特别是当系统工作在一些特定的环境(如黑暗场所或手脚已被占用来进行其它动作的环境)或一些特殊的用户(如残疾人)时。就技术而言，目前国内外对语音识别理论及各种实用算法的研究是一热点。人们普遍关心的问题是不断提高语音识别的识别率、识别更多的词汇量、扩大语音识别的应用等研究。
语音识别技术发展到今天，PC 机的语音识别系统己经趋于成熟，而且还出现了一些具有实用价值和市场语音识别前景的语音识别芯片。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。嵌入式系统体积小、可靠性高、耗电低、投入小、便于移动等优点，是嵌入式语音识别系统和 PC 机的语音识别系统相比的最大优势。而且嵌入式语音识别系统多为实时系统，当用户讲话后，系统能够立即完成词条识别并作出反应。这些特点决定了嵌入式语音识别系统的应用十分广泛。可以预测在近几年内，嵌入式语音识别系统的应用将更加广泛，各种语音识别系统将出现在市场上。计算机语音识别过程与人对语音识别处理过程基本上是一致的。目前主流的语音识别技术是基于统计模式识别的基本理论。一个完整的语音识别系统可大致分为三部分： （1）语音特征提取：其目的是从语音波形中提取出随时间变化的语音特征序列。 （2）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同声学模型（模式）进行匹配与比较，得到最佳的识别结果。（3）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。声学模型是识别系统的底层模型，并且是语音识别系统中最关键的一部分。声学模型的目的是提供一种有效的方法计算语音的特征矢量序列和每个发音模板 之间的距离。声学模型的设计和语言发音特点密切相关。声学模型单元大小（字发音模型、半音节模型或音素模型）对语音训练数据量大小、系统识别率，以及灵活 性有较大的影响。必须根据不同语言的特点、识别系统词汇量的大小决定识别单元的大小。
家庭自动化相对来说是一项较新的技术，其主体是家电、照明等电气设备的控制，家庭自动化系统能够通过集中或者分布式控制家庭内部照明或其他电气设备。而由于其昂贵的造价，人们通常会再三考虑是否在家中采用这种技术[14][15]。而另一种选择是，让这些系统采用一些开放源软件和多用途单板计算机（SBC），例如Raspberry Pi计算机[17]。开放源软件使得人们能参与到这些设备的发展之中，也能激励人们分享他们获得的资源，这样就能扩大家庭自动化系统的使用量并使其迅速发展[18]。而且它相较于市面上的嵌入式家庭自动化产品如X10，只需更低的花费[19][20]。
近来，计算机和电气设备的发展使得他们比之前更加便宜[21]，这也带动了更微型的电气设备的发展。计算机越来越廉价，在体积上越来越小。SBC计算机就是一种能应用于家庭自动化系统中的低价微型计算机。Raspberry 是在市面上常见的一种SBC计算机，它是用于控制电气设备的核心系统。继电器是能被Raspberry控制的一种转换开关器件[22]。这种开关根据控制信号能打开或关闭、闭合或断开。Raspberry Pi是一种配备了700 MHz的ARM1176JZF-S处理器的计算机,它只有信用卡大小。它采用SD卡作为存储器，具有HDMI, RJ45的USB端口。具有以上技术参数及规格，Raspberry Pi能够在家庭自动化系统中作为控制器使用。
- 研究方法
家庭自动化系统研究的方法具有以下几个阶段：
- 需求分析
在这个阶段要确定家庭自动化系统的需求及其所需设备，包括功能、硬件和软件分析。
系统将拥有以下功能：
1.监控电气设备状态（开/关）
2.调度电气设备状态[23][24].
3.语音命令控制
4.网络管理控制.
根据输入需求分析，家庭自动化系统中所需硬件原件如下：
- Raspberry Pi（见图一）
- 麦克风
- 继电器（见图二）
- USB声卡（见图三）
e)扬声器
基于家庭自动化系统的功能需求分析，所需软件如下：
f）Raspbian操作系统(Debian Wheezy).
Raspbian是（基于Linux kernel Debian Wheezy）Raspberry Pi的操作系统。
g) MySQL
MySQL是能储存所有信息和电气设备状态的数据库应用程序。
h) Apache
Apache是在网页界面控制中响应HTTP请求的网络服务器。
i)语音命令
语音命令是连接到API Wolfram Alpha应用程序界面的一种程序，Raspberry必须连接到互联网才能使用API的云功能。由Raspberry Pi 捕捉到的语音信息将由API Wolfram Alpha记录，再继续由Raspberry Pi转换为文本信息并进行处理。
j) Python
Python是由Raspberry Pi所应用的一种语言程序，包括GPIO执行程序和GPIO命令程序。
B．计划与设计
在这一阶段，要定义整个系统的设计，包括总体设计、软件、硬件和人机界面设计。
- 执行
在这一阶段，将根据用户需求分析确定方案中计划的步骤、分析、设计实施。
- 调试
在这一阶段，进行性能测试以检验出系统设计和实施过程中可能影响系统功能的缺陷。因此我们可以确定系统是否如设计一样运行并进一步完善。
- 系统设计
这一章节包括两部分：总体系统和软件设计。系统的其他部分如硬件和人机界面设计将在下一章节介绍。这一章节将重点介绍设计的步骤和软件设计。
- 总体系统设计
家庭自动化控制系统有三种不同的控制电气设备的方法：用调度程序自动控制系统、在人机界面手动点击按钮以及语音命令。系统中各组成部分之间的关系及工作流程展示如下（见图四）。
- 软件设计
以下是几个独立流程图：调度程序、手动点击按钮及语音命令。所有需要的功能总结为以下完整的程序,可以在这个系统上使用（见图五）：
4.硬件实施
这部分的主要功能是实现语音控制电灯、门等设备的开和关，而不再去寻找开关的位置，还可以控制其他房间的设备，使生活变得很方便。
Raspberry Pi计算机所配备的GPIO接口作为连接器连接其他电子设备如Arduino微控器、传感器和促动器。它在整个系统中作为中央处理单元运行。Raspberry Pi计算机没有配备音频输入，然而为了使系统具有语音命令功能，Raspberry Pi需要在USB接口添加外部声卡（Raspberry Pi具有两个可用的USB槽口）。由此麦克风可以作为音频输入使用。最后但同样重要的一点是，为确认音频输入，扬声器也必不可少。
硬件装配包括以下四个阶段：
- Raspberry Pi和继电器之间的互连
在这一阶段，Raspberry Pi通过继电器连接（见图六）：
表格一展示了Raspberry Pi接口与继电器接口安装示意图：
- 安装USB声卡
在这一阶段，将USB声卡安装在Raspberry Pi中，以便下一阶段从麦克风获
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