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基于DSP和ZigBee无线智能语音控制系统设计_边红昌Proceedings of the 26th Chinese Control ConferenceJuly 26-31, 2007, Zhangjiajie, Hunan, China基于DSP和ZigBee无线智能语音控制系统设计边红昌，程德福，祁玉林，张坤吉林大学-TI DSP联合实验室, 长春130026E-mail:***********************.cn摘要：介绍了以DSP为语音控制模块与以PIC单片机和无线传输芯片CC2420为核心构成的ZigBee无线传输模块建立的无线智能语音控制系统。
给出了系统硬件总体结构及各模块的具体设计方案，语音识别算法和系统软件的实现方法。
针对DSP对语音识别算法进行优化，且对ZigBee协议栈进行优化精简，最终实现了独立运行、识别率高及操作方便的家庭智能语音控制系统。
关键词：语音识别, DSP, ZigBee, 智能控制Design of Wireless Intelligent Speech Control SystemBased on DSP and ZigBeeBian Hongchang, Cheng Defu, Qi Yulin, Zhang KunJilin University-TI DSP Laboratory, Changchun 130026, P. R. ChinaE-mail:***********************.cnAbstract: Introduce a Wireless Intelligent Speech Control System based on DSP as Speech Control Model and PIC Micro-controller & wireless transmit chip CC2420 as the ZigBee Wireless Transmit Model. Hardware design, Speech Recognition Algorithm and Program design are given in this paper. Especially Speech Recognition Algorithm is optimized toward DSP and ZigBee Protocol Stack is reduced. Independent, high recognition rate and convenient operation family intelligent speech control system is realized in our system.Key Words: Speech Recognition, DSP, ZigBee, Intelligent Control1 引言(Introduction)随着智能设备微型化、人工智能化、多功能化等功能的发展，而通常的人机控制如按键、图形菜单等不再能满足用户的需求，因而本文提出了基于DSP 和ZigBee无线智能语音控制系统。
内容提要本文设计并实现了基于DSP和ZigBee的智能设备无线语音控制系统。
系统分为两个模块：一模块是以DSP为核心独立运行的语音命令识别模块，另一模块以ZigBee无线收发协议为核心并利用PIC单片机和CC2420实现ZigBee协议栈及应用程序。
两模块间通过中断方式进行命令或数据发送，且相互独立。
因此系统具有良好的扩展性，针对特定的任务可以更改任一模块的功能设置。
语音控制模块针对DSP系统对语音识别算法进行优化，并集成FLASH 可以保存模板信息也可实现在线训练及保存。
在PIC单片机上完成对ZigBee 协议的实现及精简，ZigBee节点分为全功能设备主节点和精简功能从节点。
主节点需要频繁的检测从节点的加入或接收数据等功能，侧重于功能实现。
从节点主要实现非频繁的任务执行，在保证传输正确性的同时侧重于在程序上设置如休眠等功能以降低功耗。
最后对本系统进行了测试及演示说明，实现无线语音控制功能。
关键词：DSP；ZigBee；语音控制；CC2420；智能设备；无线传输；目录第一章 绪 论 (1)1.1 语音识别 (1)1.2 无线通信技术 (2)1.3 智能设备功能特点和发展趋势 (3)1.4 论文研究意义 (5)1.5 本文研究的主要内容 (6)第二章 语音识别理论 (7)2.1 语音信号时域处理 (7)2.2 语音信号频谱分析 (10)2.3 语音信号参数提取 (12)2.4 语音识别算法 (15)第三章 ZIGBEE无线传输技术 (18)3.1 无线通信技术 (18)3.2 Z IG B EE技术 (20)3.3 Z IG B EE协议栈 (20)3.4 Z IG B EE网络拓扑结构 (22)第四章 控制系统的硬件设计 (24)4.1 系统总体结构 (24)4.2 DSP语音识别模块 (25)4.3 Z IG B EE无线传输模块 (30)第五章 控制系统的软件设计 (35)5.1 DSP应用程序及优化 (35)5.2 Z IG B EE传输协议实现 (39)第六章 系统测试及分析 (46)6.1 语音识别及实时性测试 (46)6.2 Z IG B EE模块配置演示和性能测试 (48)第七章 结论 (54)7.1 工作总结 (54)7.2 需进一步开展的工作 (54)参考文献 (55)摘 要 (I)ABSTRACT (III)致 谢 (V)硕士期间发表的论文 (VI)第一章绪论智能设备或智能仪器是以处理器为主体，将计算机技术与测量控制技术及软件结合在一起，组成的“智能化测量控制系统”。
基于ZiigBee技术的无线智能家居系统设计的开题报告一、选题背景和意义随着物联网技术的发展，在智能家居领域，越来越多的企业和个人开始研发智能家居系统。
智能家居系统可以将家庭中的各种设备、电器、传感器等组合起来，形成一个互联互通的系统，实现家居的自动化、智能化。
目前较为常用的智能家居系统有基于ZigBee、WiFi、蓝牙、Z-Wave等无线通信技术的系统。
ZigBee技术是一种低功耗、低速率、短距离无线通信技术，适用于家庭环境。
ZigBee使用IEEE 802.15.4标准作为物理层和MAC层协议，具有自组织、自适应、低成本等特点，适用于多种应用场景。
在智能家居领域，基于ZigBee技术的无线智能家居系统具有低功耗、高可靠性、安全性等特点，受到广泛关注。
因此，本课题选用基于ZigBee技术的无线智能家居系统作为研究对象，旨在探究如何设计一种低功耗、高可靠、安全的无线智能家居系统，提高家庭生活智能化水平，增加人们的便利性和生活品质。
二、研究内容和研究方法本课题的主要内容是基于ZigBee技术的无线智能家居系统的设计与实现，主要包括以下方面：1. 系统架构设计：根据智能家居应用的需求和ZigBee技术的特点，设计系统的总体框架和架构。
2. 硬件设计：包括节点硬件设计和网关硬件设计。
节点通过ZigBee 芯片实现与网关的通信；网关通过连接局域网或Internet实现对外通信。
3. 软件设计：包括节点软件设计和网关软件设计。
节点软件包括嵌入式系统设计、无线通信协议实现、传感器数据采集与处理等；网关软件包括数据传输协议实现、通信接口设计、云服务器连接协议设计等。
4. 功能实现：实现智能家居系统的各项功能，包括传感器数据采集、温度控制、电器控制、安防监控等，同时支持手机APP和语音控制。
本课题采用文献调研和实验研究相结合的方法，通过查阅相关文献和参考资料，了解基于ZigBee技术的无线智能家居系统的基本原理和实现方法；同时，采用实验研究的方法，进行系统硬件和软件的搭建与调试。
DSP的智能语音控制系统设计孙启摘要语音识别研究即让机器了解人的话语，懂得人的意图，并执行相关命令，当前智能语音控制系统已被应用到语言识别的多领域内。
而本文则重点阐述了基于DSP的智能语音控制系统设计，该系统应用领域广泛，能为人机交互提供有力参考方案。
【关键词】DSP 职能语音控制系统设计语音识别技术起源自20世纪50年代，通过将近几十年的发展，技术已趋于成熟。
我国语音识别技术研究起步晚，不过近年发展却相当快速，DSP的智能语音控制系统设计是当前备受关注的研究领域，关注DSP智能语音控制系统硬件设计与软件实现意义重大。
1 DSP的智能语音控制系统硬件设计该系统硬件结构框图见图1，其中核心处理芯片用的是T1公司的TMS320VC5509芯片，特有的高速率、低功耗优势，被应用到便携式设备终端信号处理、语音处理等多领域。
语音编解码芯片TLV320AIC23B用到了现代化Sigma-Delta采样技术，可在8-96kHz采样率范围中提供16位、20位、24位与32位采样，ADC与DAC信噪比各自能达90dB与100dB，此芯片被广泛应用到不同音频信号处理领域。
无线部分则用到了基于nRF401无线通信芯片设计的PTR2000模块，此模块发射功耗低，灵敏性强，为现今低功耗无线电传输最佳选择。
系统上电后，首先测试者需利用麦克风或线性输入模式把语音信号成功传至音频编码芯片TLV320AIC23B，再记住MCBSP串口传送至系统核心处理芯片（DSP）。
此后，DSP成功接收语音控制信号后通过对应算法展开分析，分辨出其中的语音控制命令。
最后，系统把辨别出的结果部分传至LCD显示模块利于后期观察，而另外的则被传送至无线收发模块，实现与智能化控制设备的远程交互。
通过键盘可对显示电路给予控制使其显示，对监控系统工作情况给予实时监控。
2 DSP的智能语音控制系统软件实现整个系统软件实现流程框图见图2。
首先系统使用片上支持库初始化语音编码芯片、无线收发模块、时钟、存储器等片上资源。
基于ZigBee和WiFi的智能语音家居控制系统杨永强;张思;刘智敏;胡祖永;拔贤;杨钟愉【期刊名称】《计算机科学与应用》【年(卷),期】2024(14)1【摘要】电子信息技术的高速发展为智能家居控制系统的设计提供了多样化选择,传统的智能家居无线组网方式更多地偏向于WiFi单种无线组网方式,相较于ZigBee组网技术WiFi技术在功耗、成本以及空间覆盖面上都存在一定的弊端。
为了兼具低功耗、低成本、空间覆盖面广的特点,本文设计了一种混合了ZigBee及WiFi技术的混合式组网智能语音家居控制系统。
该系统以STM32系列单片机作为主控芯片,感知层以ZigBee技术作为传感器的无线组网方式,网络层结合了ZigBee与WiFi技术开发了物联网网关,由网关统一进行数据转发,应用层则主要使用了SpringBoot框架及Vue框架开发了一个控制页面负责实时显示数据和远程控制硬件设备,同时在系统设计中加入语音控制模块提高了用户体验。
本系统高效、节能、便捷,兼具模块化、自动化和智能化,可以实现对家庭室内环境参数指标进行采集和显示,为现代智能家居物联网系统设计提供了一种混合式无线组网方案。
【总页数】13页(P41-53)【作者】杨永强;张思;刘智敏;胡祖永;拔贤;杨钟愉【作者单位】普洱学院理工学院普洱【正文语种】中文【中图分类】TN9【相关文献】1.基于ZigBee、WiFi无线传感网络的智能家居环境监测系统的研究与实现2.基于ZigBee/WiFi技术的无线数据采集与控制系统3.基于ZigBee、WiFi和云服务器集群的智能家居系统设计4.基于无线WiFi技术的智慧家居控制系统的研究与设计因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于ZigBee节点的智能家居系统语音控制设计赵奎兵;段富海【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2012(035)020【摘要】为实现基于S3C6410核心处理器与ZigBee技术的智能家居系统的语音控制,研究设计了基于SPCE061A单片机的ZigBee语音子节点.凌阳单片机SPCE061A能够进行语音信号的采集、处理以及语音识别,并与无线射频芯片CC2530之间通过串口进行通信.由语音识别系统以及ZigBee无线收发模块等所组成的语音子节点通过ZigBee无线网络与网关进行通信,通过网关来控制其他的ZigBee子节点.该系统实现了对开关型以及红外型家电的智能语音控制.该智能家居语音控制系统具有识别率高,控制使用方便等特点,有一定的发展前景.%In order to realize the speech control of the smart home system based on S3C6410 core processor and ZigBee technologies, a ZigBee voice sub-node based on Lingyang MCU SPCE061A was designed. The MCU can collect, process and recognize the speech signal, and communicate with the wireless RF CC2530 chip though the serial port. This speech sub-node composed of the speech recognition system and wireless transceiving module can communicate with the gateway though ZigBee wireless network, and then control other ZigBee sub-nodes though the gateway. The speech control on the switch-type and infrared type of the smart home systems was realized. This smart home system with high recognition rate has a bright future and is convenient ID use.【总页数】4页(P5-8)【作者】赵奎兵;段富海【作者单位】大连理工大学机械学院,辽宁大连116024;大连理工大学机械学院,辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】TN919-34【相关文献】1.基于Zigbee无线网络节点控制的智能家居系统设计 [J], 刘双雄;王刚;任朝阳2.基于 ZigBee 的智能家居通用节点设计 [J], 董哲;邵晓琳3.基于ZigBee远程语音控制的智能家居系统 [J], 赵飞翔;张园;张彦军;张佩文;王明宇4.基于Zigbee智能家居的低功耗节点设计 [J], 徐海峰5.基于Zigbee的语音控制智能家居系统 [J], 刘济坚;陈寿宏;刘军因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于DSP的嵌入式语音处理平台设计
边红昌;张世雄;祁玉林;程德福
【期刊名称】《电讯技术》
【年(卷),期】2006(046)004
【摘要】介绍了一种基于TMS320VC5402 DSP芯片实现的嵌入式语音处理通用平台.该平台利用巧妙的译码电路,在实现扩展最大48K外部数据SRAM的同时,也完成了系统的独立平行加载.同时平台还扩展了良好的人机交互模块.给出了系统硬件结构图、主程序流程图及实现系统并行自举的具体步骤.
【总页数】4页(P140-143)
【作者】边红昌;张世雄;祁玉林;程德福
【作者单位】吉林大学,TI DSP 联合实验室,长春,130026;吉林大学,TI DSP 联合实验室,长春,130026;吉林大学,TI DSP 联合实验室,长春,130026;吉林大学,TI DSP 联合实验室,长春,130026
【正文语种】中文
【中图分类】TN912.3
【相关文献】
1.基于FPGA和DSP的自适应光学系统在线性能评估的嵌入式处理平台设计 [J], 母杰;饶长辉;李梅;郑文佳
2.基于ADSP-TS201的嵌入式图像处理平台 [J], 酒乐;胡雅萍;管吉兴;张士强
3.基于6000系列DSP的嵌入式图像处理平台设计 [J], 蔡松涛;张祺;贺荣峰;张超君
4.基于嵌入式与DSP的语音识别机器人研究 [J], 李占明;宫璇
5.基于DSP、FPGA的嵌入式实时视频处理平台设计 [J], 褚迎东;许建平;曾范昌因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
Proceedings of the 26th Chinese Control ConferenceJuly 26-31, 2007, Zhangjiajie, Hunan, China基于DSP和ZigBee无线智能语音控制系统设计边红昌，程德福，祁玉林，张坤吉林大学-TI DSP联合实验室, 长春130026E-mail: hongchangbian@摘要：介绍了以DSP为语音控制模块与以PIC单片机和无线传输芯片CC2420为核心构成的ZigBee无线传输模块建立的无线智能语音控制系统。
给出了系统硬件总体结构及各模块的具体设计方案，语音识别算法和系统软件的实现方法。
针对DSP对语音识别算法进行优化，且对ZigBee协议栈进行优化精简，最终实现了独立运行、识别率高及操作方便的家庭智能语音控制系统。
关键词：语音识别, DSP, ZigBee, 智能控制Design of Wireless Intelligent Speech Control SystemBased on DSP and ZigBeeBian Hongchang, Cheng Defu, Qi Yulin, Zhang KunJilin University-TI DSP Laboratory, Changchun 130026, P. R. ChinaE-mail: hongchangbian@Abstract: Introduce a Wireless Intelligent Speech Control System based on DSP as Speech Control Model and PIC Micro-controller & wireless transmit chip CC2420 as the ZigBee Wireless Transmit Model. Hardware design, Speech Recognition Algorithm and Program design are given in this paper. Especially Speech Recognition Algorithm is optimized toward DSP and ZigBee Protocol Stack is reduced. Independent, high recognition rate and convenient operation family intelligent speech control system is realized in our system.Key Words: Speech Recognition, DSP, ZigBee, Intelligent Control1 引言(Introduction)随着智能设备微型化、人工智能化、多功能化等功能的发展，而通常的人机控制如按键、图形菜单等不再能满足用户的需求，因而本文提出了基于DSP 和ZigBee无线智能语音控制系统。
该系统在DSP芯片上实现对语音控制信号的识别，通过低功耗ZigBee 无线发射模块将控制命令发送至智能设备。
由于识别模块与发送模块相互独立，所以此系统有很好的扩展性。
大规模集成电路的发展给高运算量的信号处理设备带来了方便，利用TI-54系列DSP从而可以实现小词汇量语音的实时识别。
且可以外扩人机接口方便用户，扩展数据FLASH用于程序的并行加载，从而实现系统的独立运行。
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，适合于自动控制和远程控制领域。
它的传输距离10～75 米的范围内，且在有障碍时也可以进行传输，因而适合作为家庭智能化传输的媒介。
结合上述，研制了基于DSP和ZigBee无线智能语音控制系统。
该系统可应用于智能家居、消费类电子、智能仪器等设备的无线智能语音控制。
本文结构如下：无线智能语音控制系统的结构设计在第2节介绍；在第3节介绍控制系统的软件设计，包括语音识别算法、DSP应用程序和命令无线发送；第4节总结本文。
2 控制系统结构设计(Design of Control Sys-tem Structure)2.1 系统总体结构(Whole Structure of System )无线智能语音控制系统结构主要由基于DSP的语音控制模块和基于ZigBee的无线发射模块构成。
两模块之间通过中断方式对控制命令进行发送。
如图1所示为主节点硬件结构图。
从节点由ZigBee模块和被控制对象组成。
本文中无线控制网络的拓扑形式为星型，即一个主节点与多个从节点采用星形方式连接。
语音控制模块针对DSP系统对语音识别算法进行优化，并集成FLASH可以保存模板信息和实现在线训练及保存。
ZigBee无线发射模块由低功耗PIC 单片机PIC18LF4620和CC2420组成，两者通过SPI 进行通信。
PIC单片机实在上层软件和ZigBee协议栈精简，CC2420实现物理层数据无线收发及数据校验。
ZigBee节点分全功能设备主节点和精简功能从节点。
2.2 语音控制模块(Speech Control Module)该模块主要由DSP、音频CODEC、存储器及外围电路组成。
DSP利用TI-TMS320VC5402 (简称VC5402)芯片。
VC5402具有高性能的改进哈佛总线结构，具有17×17 bit的并行乘法器和专用的40 bit加法器相结合完成乘加操作(MAC)，单周期定点指令执行时间为58910 ns，且提供了强大的片内外围电路如增强型8位并行口(HPI)、两个16位定时器、两个多通道缓冲串行口、6通道DMA控制器等。
适合于中小语音信号处理平台的设计。
图1 主节点硬件结构音频CODEC利用TI-TLC320AD50C(简称AD50)，为A/D和D/A转换功能集成在一起的模拟接口电路(AIC)，采用过模样Σ-Δ技术，且为专用音频芯片，与DSP实现无缝连接。
语音信号输入时首先经过低通滤波器，并把单输入变为差分信号输入到AD50。
输出时可经过功率放大器(用户选择)以提高输出的负载能力。
外部数据、程序SRAM扩展采用CYPRESS公司出产的CY7C1021，外部数据FLASH扩展采用SST 公司生产的SST39VF400实现独立并行加载。
2.3 ZigBee模块(ZigBee Module)该模块由PIC控制器和ZigBee射频电路组成。
PIC控制器采用PIC18LF4620芯片，它具有64K 字节FLASH程序存贮器、3986字节SRAM存贮器、1024字节EEPROM存贮器、10位13通道AD转换器及支持SPI数据通信。
空闲模式电流降至2.5μA，休眠模式电流仅为100nA。
ZigBee射频电路采用Chipcon公司推出的一款符合 2.4GHz IEEE 802.15.4标准的无线收发芯片CC2420，物理层采用O-QPSK调制。
无线通信设备支持数据传输率高达250 kbps支持16个信道,可以实现多点对多点的快速组网。
CC2420只需要少量的外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。
控制器通过SPI总线与射频电路相连。
PIC控制器充当SPI主器件而射频收发器充当从器件。
控制器实现了IEEE 892.15.4 MAC层和ZigBee协议层及特定应用的逻辑。
CC2420实现物理层数据收发和底层控制。
3 控制系统软件设计(Design of Control Sys-tem Software)系统软件主要包括语音识别算法、DSP应用程序和ZigBee模块程序。
3.1 语音识别算法(Speech Recognition Algorithm)语音识别的流程如图2。
语音特征参数为13维MFCC。
利用动态时间规划算法进行模板匹配。
图2 语音识别流程图预处理主要包括预加重、端点实时检测。
预加重的目的是提升高频部分，使信号的频谱变得平坦，以便于进行频谱分析。
由于在此为小词汇量语音识别，端点检测利用短时平均能量与适时过零率结合的方法。
通过自适应的阈值，实时检测出有效语音进行下一步分析。
分帧处理实质上就是用一个有限长的窗滑动截取语音信号，将其分为约20 ms一帧。
加窗的主要目的是将非平稳信号的语音信号加窗后转化为平稳信号进行处理。
在此选用哈明窗，利用有平滑的低通特性和最低的旁瓣高度以减少对信号特征的影响。
MFCC参数提取中的Mel频率滤波器组主要为平滑频谱系统。
Mel频率滤波器组是根据人耳听觉特性的非线性而得到。
Log对数能量有利用于使语音能量谱更具有统计特性，而且还可以防止数据溢出。
离散余弦变换(DCT)运算一方面可以使变换后能量更集中于低维，另一方面可以去掉信号的相关性从而使统计性独立的假设更为准确。
模板匹配利用动态时间规划(DTW)算法对每个词条进行匹配识别。
3.2 DSP应用程序(Application of DSP)DSP应用程序主要包括对系统的初始化、录音、语音识别算法的实现及向ZigBee模块发送控制命令。
主程序和串口中断子程序流程图如图3。
将语音识别算法移植至DSP需要考虑到存储空间效率及算法的实时性。
针对54系列DSP将程序作以下优化：①参数提取在整个识别过程中占据了较大的运算量。
其中FFT和DCT的优化最为关键，DCT的系数()C k与FFT系数()eX k有πj2()e()kNeC k X k-éù=êúëû。
可以调用CSL(Chip Support Library)中的FFT用于优化MFCC参数提取的实时性。
②Mel频率滤波器组为两维(29128´)稀疏矩阵，仅在对角线附近有值，其余为0。
通过仅保存有值点的行和列值，大大减少了其存储空间占用量。
③DTW算法在模板匹配的过程中，可在帧参数距离矩阵(N M´;N为模板帧数，M为输入语音帧数)590中可在原距离矩阵中替代路径代价函数矩阵而减少内存存储量开销。
图3 DSP主程序和中断子程序3.3 ZigBee模块程序(Program of ZigBee Module)ZigBee模块可分为全功能的主节点(FFD, Full Function Device)和精简功能节点(RFD, Reduced Function Device)。
RFD是FFD的精简版，在此主要介绍FFD的功能设置。
ZigBee协议栈层次结构主要由应用层、应用接口层、网络层、数据链路层和物理层组成。
其中数据链路层和物理层由IEEE802.15.4协议负责，其他由ZigBee联盟负责。
