CN102815279B - 基于嵌入式***的语音直接启动汽车与防盗的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于嵌入式***的语音直接启动汽车与防盗的方法及装置。其中中央控制单元将语音提示命令发送至语音提示单元，语音提示单元收到命令后通过扬声器播放提示语音；用户听到提示语音后说出原先录入的语音命令，语音采集单元将语音命令转换为模拟电信号送至语音编解码器，语音编解码器对其进行采样编码后转换为数字信号送至中央控制单元；中央控制单元对输入的语音数字信号进行计算处理与对比识别；识别通过后将启动汽车命令发送至汽车启动控制单元，汽车启动单元接收到此命令后则发动汽车。本发明以嵌入式***作为实现平台，利用语音声学特征的唯一性实现汽车防盗功能。
Description
技术领域
本发明涉及汽车的启动和防盗，具体地说是基于嵌入式***的语音直接启动汽车与防盗的方法及装置。
背景技术
嵌入式***是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用***，对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机***。其有体积小、专用性强、可靠性高、实时性强、执行速度快，可扩展性好等优点。它一般由微处理器(MPU)或微控制器(MCU)、***硬件设备、嵌入式操作***、特定的应用程序等几部分组成。利用嵌入式***可以较好地实现模式识别。
模式识别技术是人工智能的基础技术，其中语音识别技术、生物认证技术和声纹识别技术是模式识别中比较重要的技术。由于汽车启动的传统方式是利用钥匙开启，其易丢失、易重复和易复制的缺点使得利用模式识别技术的方便携带、唯一性和保密性等优点得到了充分的显现，模式识别技术使车主摆脱了钥匙的束缚，利用自身独有的生物特征实现启动汽车以及汽车防盗的功能。
汽车防盗***基本上是现在每辆汽车上所必备的安全设备。现有的防盗***多数只是进行报警，对盗车人起到警示的作用，但没有从根本上解决车辆被盗窃，而且误报率很高，车辆喇叭声音、放鞭炮及打雷等等都会使其误报警。一些***可以通过GSM网路以信息或电话的方式将报警信息告知给车主，不过一旦误报率高，会影响车主的正常工作生活，导致当车辆真的被盗了，车主却认为是误报警，不去理会。再有一旦车主将钥匙丢失，其他人就可以非常轻易地将车开走。这些防盗设备没有从根本上解决汽车被盗窃的问题。
基于此，就很有必要设计一种可以利用嵌入式***的语音通过声纹识别技术来实现汽车防盗和直接启动汽车的控制装置。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供基于嵌入式***的语音直接启动汽车与防盗的方法及装置，利用语音声学特征的唯一性实现汽车防盗功能。该方法和装置以嵌入式***作为实现平台，利用专用的拾音器拾取说话者的语音，通过模式识别技术分析认证说话人的身份，进而判断是否直接启动汽车。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于嵌入式***的语音直接启动汽车与防盗的方法，其步骤为：
1)、中央控制单元将语音提示命令发送至语音提示单元，语音提示单元收到命令后通过扬声器播放提示语音；
2)、用户听到提示语音后说出原先录入的语音命令，语音采集单元将语音命令转换为模拟电信号送至语音编解码器，语音编解码器对其进行采样编码后转换为数字信号送至中央控制单元；
3)、中央控制单元对输入的语音数字信号进行计算处理，并和存储单元中语音模型进行对比识别；
4)、识别通过后将启动汽车命令发送至汽车启动控制单元，汽车启动单元接收到此命令后则发动汽车。
基于嵌入式***的语音直接启动汽车与防盗的方法中，还包括遥控接收单元接收到遥控器发出的无线信号后进行解码，然后将解码后的命令发送至中央控制单元。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于嵌入式***的语音直接启动汽车与防盗的装置，其结构包括遥控器、语音采集单元、扬声器、连接电源的汽车启动控制器；其中汽车启动控制器包括中央控制单元、语音编解码器、遥控接收单元、语音提示单元；所述中央控制单元分别通过遥控接收单元、语音编解码器、语音提示单元连接至遥控器、语音采集单元、扬声器；所述汽车启动控制器还包括与中央控制单元相连的汽车启动控制单元、存储单元。
所述中央控制单元采用嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、数字信号处理器其中之一。
嵌入式微处理器采用S3C2410或S3C2440系列的芯片；嵌入式微控制器采用STM32系列的单片机、PIC32系列单片机、LPC21XX、LPC22XX、LPC23XX系列单片机；数字信号处理器可以采用TMS320C5000、TMS320C6000系列芯片。
所述存储单元采用EEPROM存储器和SDRAM存储器。
所述汽车启动控制单元为继电器点火电路或者三极管电子点火电路。
所述语音编解码器采用立体声音频编解码芯片TLV320AIC23。
所述遥控接收单元采用304M接收模块。
所述语音提示单元采用芯片为ISD4003-04M。
本发明的基于嵌入式***的语音直接启动汽车与防盗的方法及装置和现有技术相比，具有以下有益效果：
传统的汽车启动时采用机械钥匙或电子钥匙，它们有一个共同的缺点就是容易被复制，任何人只要拿到钥匙就可以发动汽车。本发明方法和装置采用声纹识别技术，采用的自身独有的生物特征，具有唯一性、不容易被复制、不会遗失、无须记忆、使用方便等优点。
中央控制单元采用嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、数字信号处理器等其中之一组成。嵌入式微处理器可以采用三星的ARM9处理器S3C2410或S3C2440系列的芯片。嵌入式微控制器可以采用STM32系列的单片机、PIC32系列单片机、NXP的LPC21XX、LPC22XX、LPC23XX系列单片机。数字信号处理器可以采用TI公司的TMS320C5000、TMS320C6000系列芯片。中央控制单元是整个***的核心部分，所以上述采用的芯片都是性能稳定、应用最广的芯片，完全可以满足使用要求，具有低功耗、处理速度快等优点。中央控制单元的作用是对语言信号进行运算处理，得出识别结果，同时协调控制***的各个模块单元。
存储单元采用EEPROM存储器和SDRAM存储器，用于存储应用程序、语音模型及程序运行过程中的一些变量和标志位。SDRAM与中央控制单元采用并行数据接口，提高程序的执行效率。
语音采集单元采用高灵敏度的拾音器，具有低噪音、低失真、体积小工作电压范围宽等特点。其作用是将语音命令转换为模拟电信号。
语音编解码器采用TI公司TLV320AIC23，它是TI公司推出的一款高性能的立体声音频编解码芯片，其模数转换及数模转换部件高度集成在芯片内部，采用了先进的Sigma-delta过采样技术，可以在8K到96K的频率范围内提供16bit，20bit，24bit和32bit的采样，模数转换和数模转换的信噪比分别可以达到90DB和100DB。它可以跟DSP的多通道缓冲串口无缝连接，将经过解码后的数字语音信号实时的传输给DSP进行处理。
语音提示模块采用ISD4003-04M芯片。该单片录放时间4分钟，音质好，采用CMOS技术，内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存储阵列，录制的声音信息可在断电情况下保存100年(典型值)，反复录音10万次。其作用为提供一种人机交互接口，提示当前***的工作状态和操作步骤。
遥控接收单元采用PT2272无线解码芯片，将遥控器发射的无线编码芯片进行解码，然后送至中央控制单元。***设有遥控密码，通过遥控器输入密码后才可执行相应的操作。通过遥控器可以注册语音口令、取消和恢复语音识别功能、直接启动汽车、修改密码。
汽车启动控制单元针对不同车型采用不同的电路来实现。对于普通的点火开关，将继电器的常开触点串接到点火线中，语音口令识别通过后将继电器触点吸合，点火线接通，汽车立即启动。对于高档车的电子式点火开关和智能汽车的启动按钮，用三极管来控制电子式点火开关中或启动按钮中的点火信号，语音口令识别通过后使三极管导通，从而输出点火信号，汽车立即启动。汽车启动控制单元的作用是接收到中央控制器发出的启动汽车命令后，控制汽车的启动***来发动汽车，达到语音命令直接启动汽车的效果，省去了手动拧钥匙或按启动按钮的步骤，使用方便。
附图说明
图1为本发明的基于嵌入式***的语音直接启动汽车与防盗的装置的结构流程图；
图2为本发明的基于嵌入式***的语音直接启动汽车与防盗的装置的模型训练部分流程图；
图3为本发明的基于嵌入式***的语音直接启动汽车与防盗的装置的识别部分流程图。
具体实施方式
接下来参照说明书附图对本发明的基于嵌入式***的语音直接启动汽车与防盗的方法及装置作以下详细地说明。
基于嵌入式***的语音直接启动汽车与防盗的方法，其步骤为：
1)、中央控制单元将语音提示命令发送至语音提示单元，语音提示单元收到命令后通过扬声器播放提示语音；
2)、用户听到提示语音后说出原先录入的语音命令，语音采集单元将语音命令转换为模拟电信号送至语音编解码器，语音编解码器对其进行采样编码后转换为数字信号送至中央控制单元；
3)、中央控制单元对输入的语音数字信号进行计算处理，并和存储单元中语音模型进行对比识别；
4)、识别通过后将启动汽车命令发送至汽车启动控制单元，汽车启动单元接收到此命令后则发动汽车。
基于嵌入式***的语音直接启动汽车与防盗的方法中，还包括遥控接收单元接收到遥控器发出的无线信号后进行解码，然后将解码后的命令发送至中央控制单元。
基于嵌入式***的语音直接启动汽车与防盗的装置，其结构包括遥控器、语音采集单元、扬声器、连接电源的汽车启动控制器；其中汽车启动控制器包括中央控制单元、语音编解码器、遥控接收单元、语音提示单元；所述中央控制单元分别通过遥控接收单元、语音编解码器、语音提示单元连接至遥控器、语音采集单元、扬声器；所述汽车启动控制器还包括与中央控制单元相连的汽车启动控制单元、存储单元。
中央控制单元采用嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、数字信号处理器等其中之一组成。嵌入式微处理器可以采用三星的ARM9处理器S3C2410或S3C2440系列的芯片。嵌入式微控制器可以采用STM32系列的单片机、PIC32系列单片机、NXP的LPC21XX、LPC22XX、LPC23XX系列单片机。数字信号处理器可以采用TI公司的TMS320C5000、TMS320C6000系列芯片。中央控制单元是整个***的核心部分，所以上述采用的芯片都是性能稳定、应用最广的芯片，完全可以满足使用要求，具有低功耗、处理速度快等优点。中央控制单元的作用是对语言信号进行运算处理，得出识别结果，同时协调控制***的各个模块单元。
存储单元采用EEPROM存储器和SDRAM存储器，用于存储应用程序、语音模型及程序运行过程中的一些变量和标志位。SDRAM与中央控制单元采用并行数据接口，提高程序的执行效率。
语音采集单元采用高灵敏度的拾音器，具有低噪音、低失真、体积小工作电压范围宽等特点。其作用是将语音命令转换为模拟电信号。
语音编解码器采用TI公司TLV320AIC23，它是TI公司推出的一款高性能的立体声音频编解码芯片，其模数转换及数模转换部件高度集成在芯片内部，采用了先进的Sigma-delta过采样技术，可以在8K到96K的频率范围内提供16bit，20bit，24bit和32bit的采样，模数转换和数模转换的信噪比分别可以达到90DB和100DB。它可以跟DSP的多通道缓冲串口无缝连接，将经过解码后的数字语音信号实时的传输给DSP进行处理。
语音提示模块采用ISD4003-04M芯片。该芯片录放时间4分钟，音质好，采用CMOS技术，内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存储阵列，录制的声音信息可在断电情况下保存100年(典型值)，反复录音10万次。其作用为提供一种人机交互接口，提示当前***的工作状态和操作步骤。
遥控接收单元采用PT2272无线解码芯片，将遥控器发射的无线编码芯片进行解码，然后送至中央控制单元。***设有遥控密码，通过遥控器输入密码后才可执行相应的操作。通过遥控器可以注册语音口令、取消和恢复语音识别功能、直接启动汽车、修改密码。
汽车启动控制单元针对不同车型采用不同的电路来实现。对于普通的点火开关，将继电器的常开触点串接到点火线中，语音口令识别通过后将继电器触点吸合，点火线接通，汽车立即启动。对于高档车的电子式点火开关和智能汽车的启动按钮，用三极管来控制电子式点火开关中或启动按钮中的点火信号，语音口令识别通过后使三极管导通，从而输出点火信号，汽车立即启动。汽车启动控制单元的作用是接收到中央控制器发出的启动汽车命令后，控制汽车的启动***来发动汽车，达到语音命令直接启动汽车的效果，省去了手动拧钥匙或按启动按钮的步骤，使用方便。
***详细工作过程：
如果是首次使用该***，开机时则有语音提示需要先进行语音口令注册。根据***的提示音进行六次同一语音口令的录入，然后***对录入的语音口令进行运算处理并建立识别模型，在处理过程中及结束时***会有语音提示。当提示注册成功后，说明模型已建立成功并保存到存储单元中。***重启后，即可正常的使用语音口令直接启动汽车。
正常使用时，首先打开汽车电源，在听到***的提示音后说出语音口令，***对语音口令进行分析识别，身份识别确认后，***立即发动汽车。若识别未通过则提示再次说出语音口令，若连续三次没有通过，则要重启***，连续六次没有通过，***会锁定，只有通过遥控器输入密码才可解锁。
通过遥控器输入密码后可以对***进行功能设定。设定的功能有立即发动汽车、取消/恢复语音身份识别功能、修改密码、重新注册语音口令。
软件算法部分：
本发明的重点在于声纹识别技术。利用拾音器和语音编码器对说话者的语音进行采样和量化，将数字化的语音输入到嵌入式***装置，其处理过程主要包括预处理、特征提取、模型训练、匹配识别和决策判断等五部分组成。
预处理部分包括对语音信号进行端点检测、预加重、分帧、加窗等四部分。
特征提取部分对经加窗后的语音帧进行时域或者频域分析，并用相应的特征参数来描述整个语音信号的特征，则用各帧语音的特征参数所组成的参数序列描述。对于语音识别和说话人识别，特征的选取至关重要。能够表征说话人个性的特征有：短时能量、短时平均幅度、短时过零率、短时基音周期和基音频率、线性预测系数(LPC)、部分相关系数(PARCOR)特征、线谱对(LSP)特征、短时频谱、共振峰频率及带宽、倒谱特征、美尔倒谱系数(MFCC)和2维美尔倒谱系数等。本发明采用的是美尔倒谱系数(MFCC)。
模型训练是将经特征提取后的语音参数经过一定的算法为每一个待识别的说话人训练出与之相匹配的参数。主要的模式训练方法有：动态时间规整法(DTW)、矢量量化法(VQ)、隐马尔科夫模型法(HMM)、人工神经网络法(ANN)、支持向量机法(SVM)、小波变换法(WT)等。本发明采用的是隐马尔科夫模型法(HMM)。
匹配识别部分可采用距离法或相似度法。
决策判断部分是预先设定一个阈值，用匹配识别后得出的值与阈值相比较，如果小于则认为是合法用户，否则为非法。
若说话者语音被认定为合法，则***输出控制信号触发汽车直接启动。反之，则汽车不启动。
如图2所示为模型训练部分流程图。首先要对***的参数进行初始设定，然后将采样、量化后的语音信号进行端点检测，去除静音部分和短暂的噪声，将有用的语音信号经过预加重、分帧、加窗处理后输入到特征提取模块计算MFCC倒谱参数和差分MFCC倒谱参数，将多个MFCC特征参数进行聚类得到初始HMM参数，利用Baum-Welch法对初始HMM参数进行迭代运算，直到满足迭代条件后将计算得到的HMM参数值作为最终的模型参数，并输入存储器保存结果。
如图3所示为识别部分流程图，说话人只需再次说出已录口令，经过预处理和特征提取部分得到MFCC参数，用Viterbi法计算该特征参数与模板匹配的相似度，利用匹配准则判断说话人是否为合法用户，如果是即可通过并启动汽车，否则不予通过。
以上所述实施例，只是本发明较优选的具体的实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.基于嵌入式***的语音直接启动汽车与防盗的方法，其步骤为：
1)、中央控制单元将语音提示命令发送至语音提示单元，语音提示单元收到命令后通过扬声器播放提示语音；
2)、用户听到提示语音后说出原先录入的语音命令，语音采集单元将语音命令转换为模拟电信号送至语音编解码器，语音编解码器对其进行采样编码后转换为数字信号送至中央控制单元；
遥控接收单元接收到遥控器发出的无线信号后进行解码，然后将解码后的命令发送至中央控制单元；
3)、中央控制单元对输入的语音数字信号进行计算处理，并和存储单元中语音模型进行对比识别；
4)、识别通过后将启动汽车命令发送至汽车启动控制单元，汽车启动单元接收到此命令后则发动汽车；
其中，所述嵌入式***的处理包括预处理、特征提取、模型训练、匹配识别和决策判断五部分组成；
预处理部分包括对语音信号进行端点检测、预加重、分帧、加窗四部分；
特征提取部分对经加窗后的语音帧进行时域或者频域分析，并用相应的特征参数来描述整个语音信号的特征，则用各帧语音的特征参数所组成的参数序列描述，对于语音识别和说话人识别，表征说话人个性的特征有：短时能量、短时平均幅度、短时过零率、短时基音周期和基音频率、线性预测系数(LPC)、部分相关系数(PARCOR)特征、线谱对(LSP)特征、短时频谱、共振峰频率及带宽、倒谱特征、美尔倒谱系数(MFCC)和2维美尔倒谱系数；
模型训练是将经特征提取后的语音参数经过一定的算法为每一个待识别的说话人训练出与之相匹配的参数，模式训练方法有：动态时间规整法(DTW)、矢量量化法(VQ)、隐马尔科夫模型法(HMM)、人工神经网络法(ANN)、支持向量机法(SVM)、小波变换法(WT)；
匹配识别部分采用距离法或相似度法；
决策判断部分是预先设定一个阈值，用匹配识别后得出的值与阈值相比较，如果小于则认为是合法用户，否则为非法；
若说话者语音被认定为合法，则***输出控制信号触发汽车直接启动，反之，则汽车不启动。
2.基于嵌入式***的语音直接启动汽车与防盗的装置，其特征在于：其结构包括遥控器、语音采集单元、扬声器、连接电源的汽车启动控制器；其中汽车启动控制器包括中央控制单元、语音编解码器、遥控接收单元、语音提示单元；所述中央控制单元分别通过遥控接收单元、语音编解码器、语音提示单元连接至遥控器、语音采集单元、扬声器；所述汽车启动控制器还包括与中央控制单元相连的汽车启动控制单元、存储单元；所述中央控制单元采用嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、数字信号处理器其中之一；嵌入式微处理器采用S3C2410或S3C2440系列的芯片；嵌入式微控制器采用STM32系列的单片机、PIC32系列单片机、LPC21XX、LPC22XX、LPC23XX系列单片机；数字信号处理器可以采用TMS320C5000、TMS320C6000系列芯片；所述存储单元采用EEPROM存储器和SDRAM存储器；所述汽车启动控制单元为继电器点火电路或者三极管电子点火电路；所述语音编解码器采用立体声音频编解码芯片TLV320AIC23；所述遥控接收单元采用304M接收模块；所述语音提示单元采用芯片为ISD4003-04M；
嵌入式***装置的处理包括预处理、特征提取、模型训练、匹配识别和决策判断；
预处理包括对语音信号进行端点检测、预加重、分帧、加窗四部分；
特征提取对经加窗后的语音帧进行时域或者频域分析，并用相应的特征参数来描述整个语音信号的特征，则用各帧语音的特征参数所组成的参数序列描述，对于语音识别和说话人识别，表征说话人个性的特征有：短时能量、短时平均幅度、短时过零率、短时基音周期和基音频率、线性预测系数(LPC)、部分相关系数(PARCOR)特征、线谱对(LSP)特征、短时频谱、共振峰频率及带宽、倒谱特征、美尔倒谱系数(MFCC)和2维美尔倒谱系数；
模型训练是将经特征提取后的语音参数经过一定的算法为每一个待识别的说话人训练出与之相匹配的参数，模式训练方法有：动态时间规整法(DTW)、矢量量化法(VQ)、隐马尔科夫模型法(HMM)、人工神经网络法(ANN)、支持向量机法(SVM)、小波变换法(WT)；
匹配识别采用距离法或相似度法；
决策判断是预先设定一个阈值，用匹配识别后得出的值与阈值相比较，如果小于则认为是合法用户，否则为非法；若说话者语音被认定为合法，则***输出控制信号触发汽车直接启动，反之，则汽车不启动。
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