语音智能家居控制系统研究

摘要：文章利用LabVIEW强大的数据采集与分析功能、便捷的图形化编程能力，通过对温湿度、光敏度、PM2.5、有害气体浓度以及语音信号的采集与处理，设计一款基于LabVIEW语音智能家居系统，能够实现语音操控的智能化功能以及在LabVIEW前面板实时进行环境、安防等参数的监测，使得人们的生活变得更加安全、舒适且便捷。

关键词：LabVIEW；智能家居；语音控制

随着物质文化水平的提高，人们对生活家居环境越来越重视，要求越来越高。智能家居产品正是在这个背景下应运而生。当今社会中，对智能家居产品的要求主要体现在3个方面：安全舒适的环境、便捷灵活的操控、放心可靠的监控[1]。其中，便捷灵活的操控最主要的方式为语音控制，以语音控制信号向终端家居发出指令，从而实现预期的效果。这种方式给人们的生活带来前所未有的便捷与高效。因此，基于语音控制的智能家居产品得到大力发展。LabVIEW是一款以图形化编辑语言（G语言）编写程序，以框图形式呈现的程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发[2]。它主要有两个方面的特色，一方面LabVIEW可以依托计算机强大的处理器和存储器，从而节省开发成本，便于后期维护。例如，一般的语音识别电路会采用LD3320语音识别模块，而LabVIEW可以通过编程实现LD3320语音识别模块功能。另一方面LabVIEW图形化编程语言具有编程效率高、开发周期短的特点，包含信号处理模块、数据通信模块、数据采集模块等多种类型的模块函数[3]。基于上述内容，本设计利用LabVIEW2018强大的数据采集、分析能力，搭建一个语音控制、环境检测以及安防报警等功能集一体的语音智能家居控制系统。

1系统总体设计

系统总体设计包括LabVIEW上位机、单片机模块、执行器模块、传感器模块等。LabVIEW上位机一方面主要是监测各种参数，另一方面可以处理较复杂的数据，例如，音频信号，视频信号等。单片机模块主要是接收以及处理一些常见的传感器信号，如温湿度、光敏度、形变度、有害气体浓度等，并能够发送指令给执行机构。

2硬件系统

本设计系统的硬件系统主要包含两个部分：传感器部分和数据采集部分。数据采集部分主要分为模拟信号采集部分和数字信号采集部分。首先，传感器电路将物理量转换成模拟电信号。模拟信号采集部分，将模拟电信号采集，经过对信号的放大、滤波等处理后，分析给处理器处理。数字信号采集部分，主要是处理开关信号，例如继电器开关信号。通过LabVIEW对麦克风进行数据采集，得到语音信号，再对语音信号进行处理，识别出有用指令信号，发送给处理器，处理器发出指令通过无线通信模块发送给执行机构，执行机构接收指令后，执行指令。

3软件系统

本设计软件系统主要分为传感器模块、音频采集控制模块、执行器模块以及监控界面模块。通过LabVIEW的多层次结构，将各个模块程序作为子程序，且实现子程序的调用，从而实现系统程序的扩展，然后通过计算机的计算功能、存储功能及数据传输功能，得到智能家居控制系统的数据，通过LabVIEW前面板工控界面作为上位机界面显示出来[4]。

3.1传感器模块

传感器模块利用选定的传感器采集所需要监测的各种物理量，例如温度、湿度、光敏度等，经过信号处理电路，将物理量转换为所需要的各种模拟电信号。再由信号调理电路放大滤波处理后，进行A/D转换，将模拟电信号转换成计算机能够识别的二进制数字信号，最后将数字信号传输到个人计算机实现对数据的处理、保存和显示等功能[5]。

3.2音频采集控制模块

本系统通过麦克风，录入一段话，并使这段信号经过声卡放大转换为数字信号，然后通过LabVIEW软件搭建采集系统，利用声音相关VI实现语音信号的采集、存储[6]。再对存储的语音信号进行对比，找出信号中有用的指令信息，确认后执行相应的操作。

3.3执行器模块

执行器是指处理器发出命令指令后，执行器接收指令后执行对应的操作，属于系统的终端设备。执行器执行完指令后，终端设备状态发生改变，终端设备将自身状态信号数据通过数据采集模块返回到上位机，改变上位机监测界面的指示状态。为了更好地验证本系统的功能，本系统采用LED作为信号的指示灯，继电器模块作为信号的执行器件。

3.3监控界面

LabVIEW软件可以依托家庭个人计算机，以VI前面板作为系统的上位机监测界面，如图2所示。此监测界面可以实时监测家居环境的温度、湿度、空气质量等，又可以对各个模块进行监控。此外，还设置了总开关，对整个系统实行整体控制，方便后期对系统的维护与升级。最后，在监控界面的正中间，设置了安防报警指示灯，火灾烟雾报警灯以及蜂鸣器，可以第一时间警示家居主人，应对突发情况，及时采取应急措施。图2上位机监测界面

4系统测试

采用账号密码登录，登录成功时，自动运行下一个界面，登录界面关闭。系统启动后，数据采集模块实时采集各种信号并在上位机界面显示，随着计算机程序的运行，对各种信号进行分析，采取相应的措施，执行对应的模块。例如，温度超过26℃，空调启动制冷模式。另外，自动开启摄像头录像功能，全天候、无死角对家居屋内屋外进行监控，将视频文件保存到设定的文件夹内以便需要时方便调用。语音识别功能随时待命，通过开启声卡，并将采集到的声音通过波形显示在面板上，接收两级指令后，控制相应的执行机构执行指令。当家居中出现烟雾时，烟雾传感器将信号传给上位机，上位机马上做出响应，火灾烟雾报警灯闪烁，蜂鸣器鸣响，提醒家居主人发生意外情况，立即处理，以防事故发生。

[参考文献]

[1]张冷，钟山，刘飞，等.基于LabVIEW的智能家居系统设计[J].金陵科技学院学报，2020（1）：40-43.

[2]曾柄杰.基于单片机和LabVIEW的无线葡萄酒窖环境测控系统设计[J].国外电子测量技术，2020（4）：141-145.

[3]褚大伟.语音识别交互在智能家居中的研究与应用[D].石家庄：石家庄铁道大学，2019.

[4]袁嘉嵘.LabVIEW电子电路模拟仿真设计[J].电子技术与软件工程，2019（20）：105-106.

[5]黄志强.基于LabVIEW多通道数据采集系统设计与调试[J].机械制造与自动化，2019（1）：185-187.

[6]林丽君，吴巧玲.基于LabVIEW和MATLAB的语音信号采集系统设计[J].成都大学学报（自然科学版），2019（4）：405-408.

作者：刘永超 单位：湖南交通工程学院 电气与信息工程学院