Продвинутая система голосового управления умным домом на микроконтроллере 8051

Система голосового управления умным домом с использованием микроконтроллера 8051

Голосовое управление умным домом на основе распознавания речи

С развитием умных устройств и различных беспроводных коммуникационных технологий теперь стало возможным использовать эти методы для максимальной пользы для человека. Одной из таких выгод является управление бытовыми приборами независимо от расстояния, экономя время и энергию. Это умное управление бытовыми приборами известно как Умный дом, аналогично промышленной автоматизации.

Существует множество методов, таких как беспроводная связь, Интернет вещей (IoT), метод распознавания голоса. Здесь мы рассмотрим, как можно использовать распознавание голоса для целей умного дома.

• Также читайте: Что такое Raspberry Pi? Создание проектов с использованием Raspberry Pi

Прежде чем продолжить, давайте получим теоретические знания о распознавании голоса.

Распознавание голоса

Распознавание голоса подразумевает прием и интерпретацию любой лингвистической диктанты машиной или программой. Это процесс распознавания человеческой речи и декодирования ее в текстовую форму.

По сути, это включает преобразование аналоговых звуковых волн (вибраций в воздухе, вызванных словами, произнесенными человеком) в цифровые сигналы, которые декодируются в соответствующие слова, а затем в предложения.

Система распознавания речи обычно состоит из устройства захвата речи (в основном микрофон и аналого-цифровой преобразователь, который дискретизирует и оцифровывает аналоговые звуковые сигналы), модуля цифровой обработки сигналов (DSP) (который обрабатывает цифровой сигнал для преобразования его из временной области в частотную, чтобы сохранить исходную информацию), систему хранения предварительно обработанного сигнала (карту памяти для выполнения дальнейших задач), предопределенные речевые образцы, хранящиеся в памяти как эталон для сопоставления, и алгоритм сопоставления образцов для сравнения входящего речевого сигнала с эталонным речевым образцом.

Стоит отметить, что обычный человек может производить речь со скоростью 10 звуков в секунду, а необходимая скорость информации составляет 50 бит в секунду в речевом сигнале. Этот акустический сигнал преобразуется в электрический сигнал микрофоном, а аналоговый сигнал преобразуется в цифровой.

Поскольку этот преобразованный цифровой сигнал во временной области дискретизируется 16000 раз в секунду, он не подходит для локализации речевых образцов. Поэтому он преобразуется в частотную область с использованием метода Быстрого преобразования Фурье (БПФ). Этот метод включает анализ компоненты каждые 1/100 секунды и вычисление частотного спектра каждой такой компоненты.

Вы также можете прочитать: Полностью автоматический контроллер уровня воды с использованием SRF04

Каждый такой частотный график или спектр представляет сегменты звуков, произносимых диктором. Компьютер или контроллер сопоставляет неизвестный речевой сегмент с сохраненными фонетками языка.

Это сопоставление образцов можно выполнить с использованием акустико-фонетического подхода (используя скрытую марковскую модель, где речевой сегмент сопоставляется с фонемой по ее вероятности), подходом распознавания образцов (неизвестный речевой образец сравнивается с эталонным речевым образцом путем определения расстояния между сигналами) и подходом искусственного интеллекта (основанном на использовании базовых источников знаний).

• Также читайте: Что такое GSM и как это работает?

Предлагаемая модель голосового управления умным домом

Здесь мы пытались построить небольшую систему умного дома на основе распознавания голоса с использованием беспроводной связи между двумя микроконтроллерами 8051.

Заявление об отказе от ответственности: Передатчик и приемник, представленные здесь, являются теоретическими и не тестировались на практике. Мы использовали Multisim, в котором нет модели симуляции для HM2007 ни какой-либо модели связи. Поэтому правильная симуляция системы не была возможна.

Система включает обработку голосовой команды от пользователя (на входе микрофона) с помощью микросхемы распознавания голоса, передачу и прием сигнала с использованием модулей связи, управляемых микроконтроллером. Микроконтроллер на приеме управляет переключением лампы на основе правильной голосовой команды от передающей системы.

Теперь давайте кратко рассмотрим, как должна работать система.

Рисунок 2: Плата распознавания речи HM2007

Сердцем системы распознавания речи является микросхема HM2007, которая является 48-выводной микросхемой, предоставляющей функцию распознавания речи. Она работает в ручном или процессорном режиме. Она может распознавать до 20 слов, каждое длиной 1,92 секунды, и работает от 9 до 15 В постоянного тока. Здесь мы можем использовать ручной режим для HM2007.

• Что такое система нечеткой логики – работа, примеры, преимущества и применение

Схемы голосового управления умным домом

Передающий блок

Приемный блок

• Также читайте: Что такое автоматизированная система идентификации по отпечаткам пальцев и как она работает?

Принцип работы системы

1. Пользователь подает голосовой вход на вывод MICIN микросхемы HM2007 через микрофон.

2. Вывод RDY микросхемы будет в активном LOW состоянии, указывая на готовность к обучению.

3. Пользователь нажимает «1» на клавиатуре, затем клавишу «TRAIN», перед тем как произнести целевое слово (либо «ON», либо «OFF»)

4. Вывод Memory Enable (ME), подключенный к соответствующему выводу внешнего ОЗУ, которое хранит 8-битный сигнал данных, соответствующий номеру

5. После обнаружения голосового входа вывод RDY переходит в HIGH и микросхема начинает процесс распознавания.

6. Результат процесса распознавания выдается через шину данных микроконтроллеру 8051.

7. Микроконтроллер (назовем uC1) передает сигнал данных через модуль связи.

8. На приемном конце микроконтроллер (назовем uC2) принимает входные данные и сравнивает их с сохраненной командой. Как только оба данных совпадают, реле срабатывает (согласно заданной команде). Если данные не совпадают, микроконтроллер повторно передает сигнал ошибки обратно.

9. Микроконтроллер uC1 получает этот сигнал ошибки и прерывает текущий процесс, отображая информацию об ошибке на подключенном жидкокристаллическом дисплее (ЖКИ).

• Что такое микроконтроллеры ATMega и как сделать светодиодный проект с ними?

Ограничения системы распознавания голоса

1. Непрерывно произносимые слова не могут быть приняты системой из-за наложения, поэтому между двумя последовательными словами должна быть пауза или молчание. Таким образом, возможны только изолированные слова.

2. Система зависит от говорящего. Слишком много говорящих одновременно приведет к наложению сигналов и прерываниям.

3. Существует ограничение на размер словаря. Языки с большим словарем сложны для сопоставления по сравнению с языками с небольшим словарем, так как вероятность наличия двусмысленных слов меньше.

Несмотря на перечисленные ограничения, эта система управления бытовыми приборами с использованием метода распознавания голоса дает преимущества, учитывая, что она экономит время и обеспечивает безопасность.

Я представил небольшую модель голосового управления умным домом, тогда как в большом масштабе такая система, будучи построенной в большом масштабе, может использоваться для различных приложений.

Любые другие идеи по управлению бытовыми приборами с использованием распознавания голоса приветствуются в разделе комментариев ниже.

Вы также можете прочитать:

• Что такое МЭМС – Технология микроэлектромеханических систем?
• Что такое WiMAX? Разница между широкополосным WiMax и WiFi