智能家居语音控制系统的设计与实现

1 项目概况

1.1 背景和基础

通过人工智能，大数据，云计算，5G等多项技术驱动下，智能家居开始进入快速发展的阶段，逐渐代替了传统家居。在2019年的政府工作报告中，明确政策导向已经证明了“智能+”在我国的前景广阔。36kr《智能家居行业研究报告》预测2023年中国智能家居市场规模将突破5000亿元，我国各大传统家电巨头与互联网家电企业争相抢占市场。
根据Forrester Research的一项新预测，在智能扬声器快速普及的推动下，美国智能家居设备的安装数量将在2022年达到2.44亿，高于2016年的2400万。虽然智能家居市场广阔、产品种类丰富，但其生态链仍不够完善，不同品牌的智能家居设备之间缺少网络连接，再加上大部分家居设备必须依赖单独的APP，使得智能家居存在着系统不兼容、操作复杂、功能单一等问题。再者，目前市场上大部分智能设备的价格普遍偏高，阻碍了智能家居的普及效率。另外，随着空巢老人数量的不断增加，以及越来越多的青年开始独居生活，单身经济将成为未来的一大发展趋势。
为此，简化智能家居设备的操作、提高智能家居的安全、降低智能家居的使用成本、以及能够提供多样性功能的家居系统才是智能家居行业快速发展的根本。

1.2 场景和价值

近年来，人工智能、大数据、云计算、5G等多项技术快速发展，这些高端技术逐渐被用于智能家居的研发中，如今，已有不少研发成果，但普遍仍存在着以下几个问题:

没有规范和统一的行业标准，不同厂家之间研发的智能家居系统无法兼容，用户选择范围受到限制，使用成本高。
智能家居设备在安装、使用过程中的操作步骤都过于繁杂，入门门槛高。
依托APP的智能家居系统家庭隐私及设备的安全可靠系数低，风险性高。
4）目前智能家具产品仍处于数字家居阶段，主要功能多维遥控，无法自动根据用户需求提供个性化的服务，智能化水平相对较低。
由于噪声的存在，语音识别的准确率会大大下降。
针对以上问题，本系统做出如下设计与改进:
1)针对问题一，本系统拟使用价格低廉却拥有强大处理器的树莓派为用户制定一套全屋智能家居，降低产品成本的同时也能满足用户日常所需功能。
2)针对问题二，本系统整体采用语音控制，用户只需唤醒词唤醒，发送对应的语音指令，即可完成指定功能，用户无需停下手中事务去操作便能达到目的，使用更加简洁。
3)针对问题三，本系统不依托于任何APP，为了保护用户的隐私，防止非家庭成员的侵入，在语音控制端采用了指定关键词唤醒，在硬件控制端采用了人脸识别检测，在软件控制端采取了邮件提醒，三层防护机制提高了智能家居的安全可靠性。
针对问题四，本系统拟采用VAD算法对用户的语音指令进行降噪处理，消除一些无效的背景噪声，提高了语音识别的准确率。
针对问题五，本系统拟通过离线使用以训练好的人脸识别、语音识别、文本识别等网络模型，实现语音聊天、安防系统定制，用户意图预测等个性化功能。
基于以上分析，目前本系统设计并实现了以下功能：语音唤醒、智能聊天、硬件控制、待办事项提醒。其中智能聊天由包括垃圾分类、生活指南、天气情况、语音聊天功能；硬件控制包括家电控制、智能门禁、智能门铃功能。下图详细的列出了本系统的功能需求。

注：待办事项提醒功能已升级为智能语音提醒。

2 项目规划

2.1 整体目标

系统分为两种模式，其一为主人模式，其二为访客模式。在主人模式下，用户只需唤醒系统来让它执行要求的功能，旨在为用户提供了更简洁便利的家居生活。访客模式主要是为客人的到访而设计，若客人到访无人在家，系统拍照发送给主人，让主人实时掌握家里访客记录，还提供了留言功能，待客人留言后系统便将其内容发送到主人邮箱。简而言之，系统通过用户发送不同的语音指令或操作来执行不同的功能，从而达到语音控制的效果。系统设计流程下图所示：

用户通过唤醒词“依米”唤醒系统来发送语音指令进行控制，从而使系统执行所需功能

硬件控制：

家电控制功能

智能门铃功能

提醒功能

智能闲聊功能

语音闲聊功能

垃圾分类功能

生活指南功能

查询天气功能

后期考虑开发更多硬件控制功能，如语音控制空凋、窗帘等；加入温度、湿度传感器，感知并智能提醒以及调控；开发APP，用户可通过APP进行个性化定制，如，设置自己的唤醒词，定时发送天气预报到自己邮箱，定时提醒，定时进行某些硬件控制。

整个系统的实现代码链接:https://download.csdn.net/download/EmithFla/12682313