基于口令識(shí)別的無(wú)線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：文章將口令識(shí)別與無(wú)線通信、機(jī)器人控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了基于口令識(shí)別的智能車(chē)無(wú)線控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含接收和識(shí)別口令的主機(jī)，發(fā)送指令和接收指令的通信模塊以及帶有特定功能的智能車(chē)。主機(jī)識(shí)別口令后，以無(wú)線傳送方式將指令發(fā)送給智能車(chē)，智能車(chē)按指令實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。主機(jī)和智能車(chē)都基于嵌入式系統(tǒng)。主機(jī)硬件電路由三星S3C6410處理器和外圍電路組成，口令識(shí)別部分采用連續(xù)隱馬爾科夫模型算法。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)有良好的穩(wěn)定性和實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：口令識(shí)別；無(wú)線通信；連續(xù)隱馬爾科夫模型

0 引言
    語(yǔ)音是人類(lèi)交流信息最自然、最方便、最有效的方法。用語(yǔ)音與機(jī)器交互是人類(lèi)一直夢(mèng)寐以求的事情。經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，基于隱馬爾科夫模型的語(yǔ)音識(shí)別已經(jīng)達(dá)到了應(yīng)用要求。通過(guò)語(yǔ)音口令識(shí)別完成與機(jī)器交流變得順其自然。人們與機(jī)器交流，大多是為了控制機(jī)器運(yùn)作或獲取其運(yùn)行狀態(tài)。目前應(yīng)用廣泛的總線控制系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)大多要求有數(shù)據(jù)線傳送指令。無(wú)線通信技術(shù)讓這種控制擺脫了地域的束縛。通過(guò)語(yǔ)音口令識(shí)別，機(jī)器“聽(tīng)懂”語(yǔ)音并將其“翻譯”成指令，然后通過(guò)無(wú)線通信傳輸指令、控制遠(yuǎn)程智能車(chē)模式有著很好的應(yīng)用前景。基于口令識(shí)別的控制系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)有效結(jié)合，與未使用嵌入式系統(tǒng)比較更有便捷易用，顯示出其優(yōu)勢(shì)作用?；诳诹钭R(shí)別的無(wú)線控制嵌入式系統(tǒng)在可廣泛應(yīng)用于偵查、自動(dòng)化控制領(lǐng)域。
    本文給出基于口令識(shí)別的智能車(chē)無(wú)線控制的嵌入式系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先獲取語(yǔ)音口令并識(shí)別。識(shí)別口令完成后，解析成便于無(wú)線傳輸?shù)目刂浦噶顜?。控制指令幀通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)被傳輸?shù)竭h(yuǎn)程智能車(chē)。這種模式與單一的口令識(shí)別控制系統(tǒng)或無(wú)線控制系統(tǒng)相比，更有應(yīng)用價(jià)值和實(shí)際意義。整個(gè)系統(tǒng)有三個(gè)模塊，即主機(jī)模塊、通信模塊和智能車(chē)模塊。主機(jī)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)采集和口令識(shí)別。主機(jī)是以S3C6410為核心的嵌入式系統(tǒng)，運(yùn)行廣泛應(yīng)用的WinCE6．0操作系統(tǒng)。通信模塊負(fù)責(zé)主機(jī)與智能車(chē)之間的通信。通信模塊基于ZigBee設(shè)計(jì)，用TI公司CC2530F256芯片作為主芯片。智能車(chē)是基于51單片機(jī)控制的嵌入式系統(tǒng)，會(huì)根據(jù)主機(jī)指令運(yùn)行。
    本文以下內(nèi)容分安排如下，第二節(jié)詳細(xì)介紹了系統(tǒng)要求和系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，主要包括主機(jī)板、智能車(chē)板的硬件設(shè)計(jì)，ZigBee通信模塊設(shè)計(jì)。第三節(jié)詳細(xì)介紹系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，主要包括口令識(shí)別算法設(shè)計(jì)，主機(jī)軟件設(shè)計(jì)，無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送方法，智能車(chē)程序設(shè)計(jì)以及通信設(shè)計(jì)。第四節(jié)給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及總結(jié)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    對(duì)于一個(gè)基于口令識(shí)別的無(wú)線控制系統(tǒng)，主要有以下幾個(gè)要求。
    (1)完成語(yǔ)音口令識(shí)別功能，系統(tǒng)需要對(duì)人發(fā)出的口令迅速做出識(shí)別并實(shí)現(xiàn)。
    (2)為了更快地響應(yīng)用戶口令，系統(tǒng)要有滿足迅速反應(yīng)的硬件和優(yōu)化的算法，使得口令識(shí)別快捷穩(wěn)定。
    (3)通信模塊要具有安全性，使得傳送的指令保密又能安全到達(dá)對(duì)方。
    在主機(jī)中使用穩(wěn)定的嵌入式WINCE 6．0操作系統(tǒng)。通信模塊使用基于IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng)協(xié)議Zigbee．ZigBee是一種便宜的，可加密，低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。
    本文中，主機(jī)嵌入式系統(tǒng)是以ARM11芯片三星公司S3C6410作為主處理器。系統(tǒng)集成了256M DDR RAM，NAND Flash 2GB存儲(chǔ)器。S3C6410處理器主頻為533Mhz，最高可達(dá)667Mhz，具有低功耗、高性能等特點(diǎn)。主處理器通過(guò)支持AC97標(biāo)準(zhǔn)的WM9714音頻芯片接受音頻輸入。該芯片由ADC／DAC，話筒混頻器，可編程增益放大器(PGA)和鎖相環(huán)組成。還提供PCM／I2C接口和AC'97接口。
    本系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示：

    通信模塊有發(fā)射端和接收端。發(fā)射端在主機(jī)中，通過(guò)主機(jī)的串口與其連接。接收端在智能車(chē)中，也通過(guò)串口和智能車(chē)控制器連接。發(fā)射端和接收端都由TI公司CC2530F256芯片作為核心加擴(kuò)展的外圍模塊組成。CC2530系列芯片是TI公司為嵌入式系統(tǒng)低功耗無(wú)線通信提供的解決方案。該系列芯片花費(fèi)很小的代價(jià)可以建立健壯的一對(duì)多、多對(duì)多的網(wǎng)絡(luò)。
    智能車(chē)上有以51單片機(jī)為核心的控制電路板。89S51單片機(jī)主要接受和解析接收端的指令、控制電機(jī)、反饋狀態(tài)等。系統(tǒng)的硬件性能滿足需求的計(jì)算要求和安全性要求。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2．1 算法設(shè)計(jì)
    口令識(shí)別系統(tǒng)框架如圖2所示

    口令識(shí)別系統(tǒng)包括預(yù)處理，參數(shù)提取，口令訓(xùn)練和口令識(shí)別模塊。預(yù)處理包括端點(diǎn)檢測(cè)，分幀和加窗。另外，預(yù)處理部分對(duì)于高頻信號(hào)部分進(jìn)行加重處理，便于后續(xù)階段信號(hào)參數(shù)提取。參數(shù)提取模塊從語(yǔ)音信號(hào)中提取最能反映語(yǔ)音信息的語(yǔ)音特征，然后通過(guò)這些特征參數(shù)組成特征參數(shù)矢量序列，供后面處理?？诹钣?xùn)練模塊是通過(guò)大量口令特征參數(shù)訓(xùn)練口令模板。口令識(shí)別模塊是將口令特征參數(shù)與口令模板匹配，得出識(shí)別結(jié)果。
2．2 軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)方面。主機(jī)方面，口令識(shí)別和指令發(fā)送在Microsoft公司的嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE 6．0上開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)工具為官方推薦的Visual Studio 2005。有好的交互界面對(duì)于應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)是很有必要的，控制軟件開(kāi)發(fā)使用了MFC圖形界面。在智能車(chē)方面，是用著名的Keil開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)了代碼，完成了接受指令和電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。
2．2．1 主機(jī)程序
    主機(jī)主要工作有口令識(shí)別、發(fā)送指令兩部分。在系統(tǒng)上，為這兩部分開(kāi)兩個(gè)進(jìn)程。主機(jī)程序流程圖如下：

    主機(jī)程序兩個(gè)進(jìn)程分別負(fù)責(zé)口令識(shí)別和口令發(fā)送。口令識(shí)別進(jìn)程口令識(shí)別過(guò)程中對(duì)語(yǔ)音信號(hào)提取MFCC特征參數(shù)。用隱馬爾科夫模型對(duì)口令建模、訓(xùn)練和識(shí)別。對(duì)每條語(yǔ)音口令信號(hào)，先切除靜音，進(jìn)行預(yù)加重處理，然后通過(guò)Hamming窗分幀。幀長(zhǎng)和幀移分別為20ms和10ms，對(duì)每一幀語(yǔ)音信號(hào)提取12階MFCC和△MFCC-共24維參數(shù)作為特征矢量。
2．2．2 指令發(fā)送方法
    主機(jī)的另一個(gè)任務(wù)是指令發(fā)送。發(fā)送指令通過(guò)單獨(dú)進(jìn)程控制。該進(jìn)程工作主要有：
    (1)首先調(diào)用Windows CE API函數(shù)CreateFile()打開(kāi)串口。主機(jī)以獨(dú)占的方式打開(kāi)串口2。
    (2)之后通過(guò)調(diào)用API函數(shù)SetCommState()來(lái)設(shè)定串口波特率。主機(jī)設(shè)置串口波特率9600，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，無(wú)奇偶校驗(yàn)。
    (3)通過(guò)調(diào)用write()函數(shù)來(lái)寫(xiě)需要串口發(fā)送的指令。通過(guò)read()函數(shù)來(lái)讀取串口發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。
    (4)程序結(jié)束后，調(diào)用CloseHandle()函數(shù)來(lái)關(guān)閉串口。
    以上口令識(shí)別算法和指令發(fā)送已進(jìn)行多次優(yōu)化，滿足系統(tǒng)對(duì)算法的要求。
2．2．3 智能車(chē)程序
    智能車(chē)部分主要任務(wù)為接受指令和控制電機(jī)。
    程序從main函數(shù)開(kāi)始后，首先初始化單片機(jī)內(nèi)部寄存、配置串口、電機(jī)復(fù)位等。之后就等待串口數(shù)據(jù)的輸入。該過(guò)程是一個(gè)接受指令、解析指令、執(zhí)行指令、讀取車(chē)狀態(tài)、發(fā)送狀態(tài)的一個(gè)循環(huán)。接受指令是單片機(jī)通過(guò)串口接受無(wú)線模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的指令數(shù)據(jù)。解析指令是指根據(jù)設(shè)定的協(xié)議，單片機(jī)判斷指令數(shù)據(jù)完整性并提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)。執(zhí)行指令是指單片機(jī)根據(jù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)代碼，例如：向前走、停止、左轉(zhuǎn)等。讀取車(chē)狀態(tài)是指單片機(jī)讀取車(chē)上溫度傳感器的數(shù)據(jù)。發(fā)送狀態(tài)是指小車(chē)打包狀態(tài)數(shù)據(jù)并發(fā)送的過(guò)程。
2．3 通信設(shè)計(jì)
    通信設(shè)計(jì)主要是通信協(xié)議的設(shè)計(jì)。作為應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中的通信協(xié)議，應(yīng)該滿足完整性、便捷性等。本文設(shè)計(jì)的通信幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    傳輸?shù)膸衅邆€(gè)字節(jié)組成，其中開(kāi)頭和結(jié)尾兩個(gè)字節(jié)是幀頭和幀尾。第二第三字節(jié)是目標(biāo)地址，第四第五字節(jié)是數(shù)據(jù)。第六字節(jié)是校驗(yàn)位。在傳輸過(guò)程中發(fā)生的一些小錯(cuò)誤。通過(guò)接受的幀的校驗(yàn)位來(lái)排除，有一定的抗干擾性。

3 實(shí)驗(yàn)與總結(jié)
3．1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    本文中取常用口令“前進(jìn)”，“后退”，“左轉(zhuǎn)”等8個(gè)單詞為一組，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。共設(shè)置三組實(shí)驗(yàn)。第一組試驗(yàn)中，測(cè)試系統(tǒng)口令識(shí)別的準(zhǔn)確率，分別用說(shuō)話者A,B,C,D四個(gè)人進(jìn)行以上口令識(shí)別，實(shí)驗(yàn)結(jié)果中系統(tǒng)識(shí)別率達(dá)到了90％。第二組試驗(yàn)中，測(cè)試無(wú)線系統(tǒng)的傳輸距離。本文將無(wú)線模塊接收端和客戶端相分離，至到接收端無(wú)法接受到發(fā)送端的數(shù)據(jù)位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是傳送數(shù)據(jù)可以穿過(guò)一面墻，傳輸距離可到達(dá)30m。第三組實(shí)驗(yàn)為綜合測(cè)試，即應(yīng)用測(cè)試。試驗(yàn)中，測(cè)試者可以很方便的控制智能車(chē)運(yùn)動(dòng)和狀態(tài)。
3．2 總結(jié)
    口令識(shí)別的應(yīng)用使人對(duì)機(jī)器人控制更加方便。本文在廣泛應(yīng)用的WinCE嵌入式平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了智能車(chē)無(wú)線控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，口令識(shí)別率達(dá)到了90％。在主機(jī)正確識(shí)別的口令中，智能車(chē)的誤操作概率為零。與之前孤立的口令識(shí)別系統(tǒng)或控制系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)首先應(yīng)用方便，口令識(shí)別準(zhǔn)確率高。其次，接口模塊化，通過(guò)改變無(wú)線數(shù)據(jù)傳送方式可以增加多個(gè)節(jié)點(diǎn)控制，便于管理?；诳诹钭R(shí)別的無(wú)線控制系統(tǒng)具有很好的便捷性和擴(kuò)展性。尤其是基于嵌入式的該系統(tǒng)，具有很廣泛的應(yīng)用前景。