CN105699936B - 一种智能家庭室内定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能家庭室内定位方法，包括以下步骤：环境声音检测识别步骤；声音信号上传步骤：所述语音接收装置将匹配识别成功的识别结果及信号强度发送至中央控制器。用户位置定位步骤：中央控制器根据语音接收装置识别到的声音信号强度和语音接收装置的IPV6地址所对应的在家庭空间中的位置，来判断声源的位置。本发明的智能家庭室内定位方法，通过语音接收装置拾取家庭空间中人的声音信号，来确定发音者在空间中的位置，可以减少中央控制器的计算量。采用声音信号确定发音者在空间中的位置，音具有良好的穿透性和衍射性，不易受家具摆放的影响，检测灵敏度高。
Description
技术领域
本发明属于智能家庭技术领域，具体地说，是涉及一种智能家庭室内定位方法。
背景技术
智能家庭是一个多功能网络***，利用先进的计算机、网络通讯、自动控制、无联网等先进技术，对各种智能家电功能进行有机整合，通过家庭网关或其他类型智能化通信设备实现集中控制。人（用户）在智能家庭中所处的空间位置定位是智能家庭应用中的一个基本技术问题。人的室内位置信息可用于调整家电工作状态、精确判断语音命令的对象、运动量估算、事务提醒、安防预警等。
目前室内定位主要有三种实现方式。一是基于被动的探测，例如使用摄像头和计算机图像识别技术“看出”人在空间中的位置。另一种方式是基于对象主动发出信号，通过传感器感知信号的参数和强度，反推计算出信号源的位置。例如wifi基站定位，它实际上检测的是用户身上的wifi设备（手机）这个信号源所在的位置。第三种是混合模式，主动与被动相结合，传感器与用户身上的设备发生信息交互进而感知用户所在的位置。例如蓝牙信标，它定时发出微弱的蓝牙信号，用户身上的智能手机接收到距离最近的几个蓝牙信标发出的信号（信号中包含蓝牙信标的ID信息）之后，通过无线网络根据ID信息查找到它们在物理空间中的位置信息，然后根据它们发出的蓝牙信号强度和位置信息计算出用户所在的位置。以上任何三种定位方式，都需要建立传感器位置信息数据库。以蓝牙信标定位为例，首先需要在地图上标注出每个蓝牙信标的ID和它们所在的位置，蓝牙信标的布置和安装是一个工程问题。信标布置太少，无法达到足够的定位精度。而布置太多也是一种浪费，布置多少蓝牙信标、安装在什么位置上，如何减少家具对蓝牙信号的衰减和干扰，都是一些列困扰工程施工的问题。比如摄像头成本高，工作时耗电大，软件复杂，一旦被黑客攻破之后，容易通过摄像头获得房间内的大量信息，隐私及家庭安全容易被侵犯。体红外装置体积大，安装位置明显（不能遮挡），不能识别多人在场的情况。Wifi定位和蓝牙信标定位只适用于身上携带手机的情况。蓝牙和wifi信号由于存在反射和遮挡等情况，往往需要根据室内实际使用环境，对数据进行调校之后方能正常使用。
发明内容
本发明为了解决现有室内定位方法需要建立传感器位置信息数据库，或者蓝牙和wifi信号由于存在反射和遮挡定位可靠性差的问题，提出了一种智能家庭室内定位方法，基于语音强度以及语音接收装置的IPV6地址进行定位，可以解决上述问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种智能家庭室内定位方法，包括以下步骤：
环境声音检测识别步骤：语音接收装置接收采集环境声音信号，并将其与家庭成员音频特征信号进行匹配识别；
声音信号上传步骤：所述语音接收装置将匹配识别成功的识别结果及信号强度发送至中央控制器。
用户位置定位步骤：中央控制器根据语音接收装置识别到的声音信号强度和语音接收装置的IPV6地址所对应的在家庭空间中的位置，来判断声源的位置。
进一步的，在所述用户位置定位步骤中，把语音接收装置的IPV6地址与它所在的空间位置绑定成一张表格，并存储于所述中央控制器中，所述中央控制器比较出接收语音信号强度最强的语音接收装置，并查找表格，根据该语音接收装置的IPV6地址，确定该语音接收装置的空间位置，并以该空间位置作为对用户定位的位置。
进一步的，在所述环境声音检测识别步骤之前，还包括家庭成员音频特征信号接收步骤：语音接收装置接收中央控制器发送的家庭成员音频特征信号，并进行本地保存。
进一步的，所述声音信号上传步骤包括以下子步骤：
（21）、实时采集环境声音信号，并将其强度与阈值相比较；
（22）、当环境声音信号强度大于阈值时，记录连续若干秒的声音信号；
（23）、将所记录的声音信号与本地保存的家庭成员音频特征信号进行匹配识别。
进一步的，在所述声音上传步骤之后，还包括中央控制器发送停止命令信号的步骤，所述语音接收装置接收停止命令信号，结束本次处理流程。
进一步的，在所述声音上传步骤中，还包括向中央控制器发送未匹配识别成功的声音信号的步骤，语音接收装置将未匹配识别成功的声音信号压缩后发给中央控制器，所述中央控制器分析所接收的声音信号，若中央控制器判断不需要处理后续的声音信号，则向语音接收装置发送停止命令信号，否则，向语音接收装置发送继续采集的命令信号，所述语音接收装置返回步骤（22）。
进一步的，所述步骤（22）中，当环境声音信号强度大于阈值时，记录连续3～15秒的声音信号。
优选的，所述语音接收装置为无线话筒。
优选的，所述中央控制器与所述语音接收装置通过Zigbee通信方式通信。
进一步的，所述环境声音检测识别步骤中，将所采集环境声音信号进行匹配识别的算法为DTW算法。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的智能家庭室内定位方法，通过语音接收装置拾取家庭空间中人的声音信号，来确定发音者在空间中的位置，语音接收装置首先对声音信号进行匹配识别，只对配对成功的声音信号敏感，并将配对结果以及信号强度发送给中央控制器计算。可以减少中央控制器的计算量。采用声音信号确定发音者在空间中的位置，音具有良好的穿透性和衍射性，不易受家具摆放的影响，检测灵敏度高。
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所提出的智能家庭室内定位方法的一种实施例流程图；
图2是本发明所提出的智能家庭室内定位方法的语音接收装置通信网络示意图；
图3是本发明所提出的智能家庭室内定位方法的家庭成员音频特征信号接收步骤流程图；
图4是本发明所提出的智能家庭室内定位方法的声音信号上传步骤的子步骤流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一，本实施例提出了一种智能家庭室内定位方法，如图1所示，包括以下步骤：
环境声音检测识别步骤：语音接收装置接收采集环境声音信号，并将其与家庭成员音频特征信号进行匹配识别；
声音信号上传步骤：所述语音接收装置将匹配识别成功的识别结果及信号强度发送至中央控制器。
用户位置定位步骤：中央控制器根据语音接收装置识别到的声音信号强度和语音接收装置的IPV6地址所对应的在家庭空间中的位置，来判断声源的位置。
本实施例的智能家庭室内定位方法，通过语音接收装置拾取家庭空间中人的声音信号，来确定发音者在空间中的位置，语音接收装置首先对声音信号进行匹配识别，只对配对成功的声音信号敏感，并将配对结果以及信号强度发送给中央控制器计算，可以减少中央控制器的计算量。中央控制器根据声音信号强度，以及已知的语音接收装置的位置定位声源。采用声音信号确定发音者在空间中的位置，音具有良好的穿透性和衍射性，不易受家具摆放的影响，检测灵敏度高。而且，本实施例采用的语音接收装置成本远低于摄像头，而且可以隐藏地安装（仅需要外露一个微小的针孔拾取声音），不会破坏家具或墙壁的美观。房间里的人没有被摄像头监视的压抑感，给用户使用带来心情舒畅的感觉。通过拾取用户声音定位的方式，用户身上不需要携带任何装置——仅需要发出声音即可实现定位。如果用户有发音困难，还可通过拍手、摇铃铛、吹气喇叭等方法发出特定声音来使用本***，，只要将该特定声音音频特征信号采集保存，以便能够进行匹配识别即可，这为残障人士提供了方便。采用声音定位的另外一个优点是：并不需要在每个房间中都安放3个以上的语音接收装置以实现三点定位（三点定位是一种定位技术，通过信号源到三个接收器之间的距离，推算出信号源的坐标。通常蓝牙信标和wifi定位都是使用三点定位技术）。很多情况下我们并不需要十分精确地感知人的位置，我们只需要关注人发出语音命令时所在的位置，例如，人距离哪个语音接收装置最近，即可作为智能家庭制定决策的条件了，三点定位方法计算量大，实时性无法保障，虽然计算的位置相对精确一些，但是对于智能家庭来说是一种资源浪费，很多时候其并不需要那么高的定位精度。
作为一个优选的实施例，在所述用户位置定位步骤中，把语音接收装置的IPV6地址与它所在的空间位置绑定成一张表格，并存储于所述中央控制器中，所述中央控制器比较出接收语音信号强度最强的语音接收装置，并查找表格，根据该语音接收装置的IPV6地址，确定该语音接收装置的空间位置，并以该空间位置作为对用户定位的位置。如表格1所示：
表格 1 语音接收装置的IPV6地址与位置对照表
由于IPV6地址足够多，因此不必担心地址耗尽的问题。一般来说，主要的家电设备都是依墙、依天花板或地板安装，因此不必使用笛卡尔坐标系来精确描述它们的空间位置，这样可以极大地减少数据量。
此外，IPV6是先进的网络技术标准，使用IPV6技术可以为每一个设备节点提供一个独立的IP地址，相对于IPV4可以简化复杂网络的拓扑结构，并提供更高的网络安全性能。IPV6的运用使得本***可以支持大量的节点（远超过IPV4所能支持的200个节点的容量）。理论上，基于IPV6的语音接收装置数量只受实际需求的限制，而不受IP地址的限制。
本实施例中优选所述语音接收装置为无线话筒，如图2所示，所述中央控制器与所述语音接收装置通过Zigbee通信方式通信。
Zigbee网关是链接中央控制器和无线话筒网络的桥梁。Zigbee是一种通讯技术，它支持低功耗、自组网等技术，是智能家庭中常见的通讯手段。Zigbee设备为节约电力，它仅使用最小的功率发送信号，因此不能进行远距离传输。但是每个Zigbee设备都具有路由中继功能，一个较远节点发出的数据包，可以通过沿途的各个Zigbee设备接力传递到Zigbee网关。Zigbee还具有冗余和自适应能力，如果某个中继节点出现故障，它可以自动寻找临近的节点，更新路由路径。
本实施例通过IPV6与Zigbee技术相结合，为本***提供了最具有性价比优势的基础网络通讯架构，兼顾性能、技术难度和可拓展性。
如图3所示，本实施例中，在所述环境声音检测识别步骤之前，还包括家庭成员音频特征信号接收步骤：语音接收装置接收中央控制器发送的家庭成员音频特征信号，并进行本地保存。用户可以在中央控制器上录制特定人群的讲话声音，形成音频特征数据。中央控制器将这些音频特征信号通过Zigbee网络发送给各个无线话筒装置，使整个无线话筒网络只对特定人群的语音信号保持敏感。这样做的优点是：语音接收装置将接收到的声音信号进行本地识别匹配，对于能够匹配的语音信息，语音接收装置只向中央控制器发送匹配识别结果和声音信号强度值，可以减少整个网络的数据流量，低数据流量是保持***高性能运转的关键因素，进而可以使本***高性能运转。
如图4所示，所述声音信号上传步骤包括以下子步骤：
S21、实时采集环境声音信号，并将其强度与阈值相比较；
S22、当环境声音信号强度大于阈值时，记录连续若干秒的声音信号；
S23、将所记录的声音信号与本地保存的家庭成员音频特征信号进行匹配识别。
步骤S21是整个流程的入口条件，当语音接收装置探测到的声音超过一定阈值之后，开始进入本处理流程。一般来说，家庭环境中总是存在这样或那样的噪声，例如户外汽车开过的声音、户外除草机工作的声音、邻居装修造成的噪声等。我们称之为环境本底噪声。如果环境本底噪声小于一定数值，那么无线话筒不进入后续的处理流程，以降低功耗节约电池电力。
进一步的，所述步骤S22中，当环境声音信号强度大于阈值时，记录连续3～15秒的声音信号。
当语音接收装置探测到的声音超过阈值之后，便进入处理环节。处理环节负责记录声音信号。如果声音信号强度超过阈值的持续时间不到10秒钟，则记录到声音小于阈值为止。如果声音信号强度持续高于阈值，则记录前10秒钟至15秒钟的声音数据。考虑到无线话筒的处理能力和功耗，声音记录时间不宜太长，经实验以3～15秒区间为宜。语音中可能存在小于1秒钟的停顿（即声音强度小于阈值），这种情况不算语音中断。语音的采样率可以为8KHz（即每秒钟采集8192个数据点）。
在所述声音上传步骤之后，还包括中央控制器发送停止命令信号的步骤，所述语音接收装置接收停止命令信号，结束本次处理流程。语音接收装置将声音识别结果及信号强度发送至中央控制器后，等待中央控制器的回信，如果中央控制器认为不需要处理后续的声音信号，则回复“停止”命令，语音接收装置收到此命令后结束本处理流程。
进一步的，在所述声音上传步骤中，还包括向中央控制器发送未匹配识别成功的声音信号的步骤，语音接收装置将未匹配识别成功的声音信号压缩后发给中央控制器，所述中央控制器分析所接收的声音信号，若中央控制器判断不需要处理后续的声音信号，则向语音接收装置发送停止命令信号，否则，向语音接收装置发送继续采集的命令信号，所述语音接收装置返回步骤S22。如果中央控制器认为后续的采样有意义，则发送继续采集的命令信号，语音接收装置收到此命令后转入处理环节。
在本实施例中，所述环境声音检测识别步骤中，语音接收装置中带有处理单元DSP，DSP从本地存储器中依次提取家庭成员音频特征信号，与录制的语音信号进行匹配。匹配所使用的算法优选采用DTW算法（Dynamic Time Warping，动态时间规整算法），这是语音识别中较为经典的一种算法。
经过上述步骤后，中央计算机将产生两类计算结果。
第一类计算结果：详见表格2，是已经在***中注册（录制了音频特征）的用户的信息。
表格 2 第一类计算结果。
第二类计算结果：详见表格2，这是陌生人的声音，或者突发的某种背景本底噪声之外的声音（例如敲打桌子、演奏乐器）。
| 参数一 | -1，表示无效的ID |
| 参数二 | 距离声源最近的无线话筒的ID |
| 参数三 | 录音片段，可供其他***使用 |
表格 3 第二类计算结果
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种智能家庭室内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
环境声音检测识别步骤：语音接收装置接收采集环境声音信号，并将其与家庭成员音频特征信号进行匹配识别；
声音信号上传步骤：所述语音接收装置将匹配识别成功的识别结果及信号强度发送至中央控制器；
用户位置定位步骤：中央控制器根据语音接收装置识别到的声音信号强度和语音接收装置的IPV6地址所对应的在家庭空间中的位置，所述语音接收装置具有多个，所述中央控制器比较出接收语音信号强度最强的语音接收装置，来判断声源的位置；
所述声音信号上传步骤包括以下子步骤：
（21）、实时采集环境声音信号，并将其强度与阈值相比较；
（22）、当环境声音信号强度大于阈值时，记录连续若干秒的声音信号；
（23）、将所记录的声音信号与本地保存的家庭成员音频特征信号进行匹配识别。
2.根据权利要求1所述的智能家庭室内定位方法，其特征在于，在所述用户位置定位步骤中，把语音接收装置的IPV6地址与它所在的空间位置绑定成一张表格，并存储于所述中央控制器中，所述中央控制器比较出接收语音信号强度最强的语音接收装置，并查找表格，根据该语音接收装置的IPV6地址，确定该语音接收装置的空间位置，并以该空间位置作为对用户定位的位置。
3.根据权利要求2所述的智能家庭室内定位方法，其特征在于，在所述环境声音检测识别步骤之前，还包括家庭成员音频特征信号接收步骤：语音接收装置接收中央控制器发送的家庭成员音频特征信号，并进行本地保存。
4.根据权利要求1所述的智能家庭室内定位方法，其特征在于，在所述声音上传步骤之后，还包括中央控制器发送停止命令信号的步骤，所述语音接收装置接收停止命令信号，结束本次处理流程。
5.根据权利要求1所述的智能家庭室内定位方法，其特征在于，在所述声音上传步骤中，还包括向中央控制器发送未匹配识别成功的声音信号的步骤，语音接收装置将未匹配识别成功的声音信号压缩后发给中央控制器，所述中央控制器分析所接收的声音信号，若中央控制器判断不需要处理后续的声音信号，则向语音接收装置发送停止命令信号，否则，向语音接收装置发送继续采集的命令信号，所述语音接收装置返回步骤（22）。
6.根据权利要求1所述的智能家庭室内定位方法，其特征在于，所述步骤（22）中，当环境声音信号强度大于阈值时，记录连续3～15秒的声音信号。
7.根据权利要求1-6任一项所述的智能家庭室内定位方法，其特征在于，所述语音接收装置为无线话筒。
8.根据权利要求1-6任一项所述的智能家庭室内定位方法，其特征在于，所述中央控制器与所述语音接收装置通过Zigbee通信方式通信。
9.根据权利要求1-6任一项所述的智能家庭室内定位方法，其特征在于，所述环境声音检测识别步骤中，将所采集环境声音信号进行匹配识别的算法为DTW算法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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