CN109410919A - 一种智能家居控制*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能家居控制***，该***包括：语音信号采集设备通过布设在室内的多个拾音器对室内人员发出的语音信号进行实时采集；语音信号筛选器从采集的语音信号中筛选出信号强度最大的语音信号，并将该语音信号确定为待分析语音信号；语音信号分析器对待分析语音信号进行分析，并将得到的语音特征信息转换为相应的文字信息；文字类别判别器判断文字信息是否为控制类文字信息；控制指令发送器用于当文字类别判别器判定文字信息是控制类文字信息后，生成相应的设备控制指令，并将设备控制指令发送至相应的智能家居设备，以控制相应的智能家居设备的工作状态。本发明无需借助任何手持智能终端，便可以实现对智能家居设备的语音控制。

Description

一种智能家居控制***
技术领域
本发明涉及智能控制技术领域，具体涉及一种智能家居控制***。
背景技术
随着家庭智能化的发展，当前人们可以通过自身产生的声音来对室内的特定电气设备进行控制，如控制智能电视的开启等，从而提高了家庭的智能化水平和住户的便捷性。然而，当前针对家庭电气设备的语音控制技术中，在人们需要通过语音来控制家庭电气设备时，人们需要利用手机等智能终端来接收自己产生的语音，一旦人们的身边没有手机等智能终端，便无法实现对家庭电气设备的语音控制，从而不利于家庭智能化水平的提高。
综上所述可以看出，如何在无需借助任何手持智能终端的前提下，实现对室内电气设备的语音控制，以提高家庭的智能化水平是目前亟待解决的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种智能家居控制***。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
一种智能家居控制***，该智能家居控制***包括：
语音信号采集设备，用于通过布设在室内的多个拾音器，对室内人员发出的语音信号进行实时采集；
语音信号筛选器，用于从多个所述拾音器采集的语音信号中筛选出信号强度最大的一个语音信号，并将该语音信号确定为待分析语音信号；
语音信号分析器，用于对所述待分析语音信号进行语音特征分析，并将得到的语音特征信息转换为相应的文字信息；
文字类别判别器，用于判断所述文字信息是否为控制类文字信息；
控制指令发送器，用于当所述文字类别判别器判定所述文字信息是控制类文字信息后，生成相应的设备控制指令，并将所述的设备控制指令发送至相应的智能家居设备，以控制相应的智能家居设备的工作状态。
优选地，所述的多个拾音器分别布设在室内天花板的每个角落、室内天花板的中部、室内地板的每个角落、沙发底部以及床底部。
优选地，该智能家居控制***还包括声频识别器，所述声频识别器用于在所述语音信号分析器对待分析语音信号进行语音特征分析之前，提取所述待分析语音信号的声音频率，并确定提取到的声音频率与预设的合法用户的声音频率是否一致，若一致，则生成第一控制指令，利用所述第一控制指令控制所述语音信号分析器启动对所述待分析语音信号进行语音特征分析，若不一致，则生成第二控制指令，利用所述第二控制指令控制所述语音信号分析器禁止对所述待分析语音信号进行语音特征分析。
优选地，所述语音信号分析器包括有声区间检测模块、语音去噪模块、端点检测模块、特征提取模块和语音转换模块；所述有声区间检测模块，用于对所述待分析语音信号进行语音检测，以获取语音帧；所述语音去噪模块，用于去除所述语音帧中的随机噪声；所述端点检测模块，用于对去噪后的语音帧进行端点检测，以获取有效语音段；所述特征提取模块，用于对所述有效语音段进行语音特征分析，以获取语音特征信息；所述语音转换模块，用于将获取的语音特征信息转换为相应的文字信息。
优选地，所述的对所述待分析语音信号信号进行语音检测，以获取语音帧，具体是：
(1)对所述待分析语音信号进行分帧、加窗和快速傅里叶变换，并计算每一帧语音信号的幅度谱；
(2)基于得到的幅度谱，利用下方的判决函数计算每一帧语音信号的判决函数值，其中，判决函数为：
式中，Γ(i)为第i帧语音信号的判决函数值，i＝1,2,…,I，I为帧的个数，|Xi+1(k)|、|Xi(k)|、|Xi-1(k)|和|Xi+j(k)|分别为第(i+1)帧、第i帧、第(i-1)帧、第(i+j)语音信号的幅度谱，M为预设的帧数，k为频点；
(3)根据得到各个帧的判决函数值以及语音帧的起始帧和终止帧的判决条件，确定语音帧的起始帧和终止帧，具体地，若从第i帧开始，连接R帧语音信号均满足Γ(i+r)≥λ且|Xi+r(k)|≥A，此时第i帧为语音帧的起始帧，若从第s帧开始，且i、s满足s≥i+R，连续R帧语音信号均满足Γ(s+r)＜λ且|Xs+r(k)|＜A，此时第s帧为语音帧的终止帧；此时第i帧和第s帧之间的语音信号即为语音帧，其中，|Xi+r(k)|为第(i+r)帧语音信号的幅度谱，|Xs+r(k)|为第(s+r)帧语音信号的幅度谱，A为设定的幅度谱阈值，λ为预设的判决阈值，r＝1,2,…,R，R为预设的帧数。
优选地，所述的智能家居设备包括智能空调、智能电视、智能灯光设备、智能冰箱、智能空气净化器、智能清洁机器人和智能影音设备；任一所述的智能家居设备中均包含一个设备控制指令解析模块，通过所述设备控制指令解析模块对接收到的设备控制指令进行解析，以使所述的智能家居设备根据解析结果进入相应的工作状态。
本发明的有益效果为：本发明通过在室内布设多个拾音器，可对室内人员发出的语音信号进行实时采集，并进一步对采集的语音信号进行分析，进而根据分析结果生成相应的设备控制指令，以实现对智能家居设备的控制，可见，本发明无需借助任何手持智能终端的前提下，便可以实现对智能家居设备的语音控制，从而提高了家庭的智能化水平。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例公开的一种智能家居控制***的结构示意图；
图2是本发明实施例公开的语音信号分析器4的框架结构图。
附图标记：语音信号采集设备1；语音信号筛选器2；声频识别器3；语音信号分析器4；文字类别判别器5；控制指令发送器6；智能家居设备7；有声区间检测模块40；语音去噪模块41；端点检测模块42；特征提取模块43；语音转换模块44。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
参见图1，其示出了一种智能家居控制***，该智能家居控制***包括：
语音信号采集设备1，用于通过布设在室内的多个拾音器，对室内人员发出的语音信号进行实时采集；
语音信号筛选器2，用于从多个所述拾音器采集的语音信号中筛选出信号强度最大的一个语音信号，并将该语音信号确定为待分析语音信号；
语音信号分析器4，用于对所述待分析语音信号进行语音特征分析，并将得到的语音特征信息转换为相应的文字信息；
文字类别判别器5，用于判断所述文字信息是否为控制类文字信息；
控制指令发送器6，用于当所述文字类别判别器4判定所述文字信息是控制类文字信息后，生成相应的设备控制指令，并将所述的设备控制指令发送至相应的智能家居设备7，以控制相应的智能家居设备7的工作状态。
优选地，所述的多个拾音器分别布设在室内天花板的每个角落、室内天花板的中部、室内地板的每个角落、沙发底部以及床底部。
优选地，该智能家居控制***还包括声频识别器3，所述声频识别器3用于在所述语音信号分析器4对待分析语音信号进行语音特征分析之前，提取所述待分析语音信号的声音频率，并确定提取到的声音频率与预设的合法用户的声音频率是否一致，若一致，则生成第一控制指令，利用所述第一控制指令控制所述语音信号分析器4启动对所述待分析语音信号进行语音特征分析，若不一致，则生成第二控制指令，利用所述第二控制指令控制所述语音信号分析器4禁止对所述待分析语音信号进行语音特征分析。
优选地，参见图2，所述语音信号分析器4包括有声区间检测模块40、语音去噪模块41、端点检测模块42、特征提取模块43和语音转换模块44；所述有声区间检测模块40，用于对所述待分析语音信号进行语音检测，以获取语音帧；所述语音去噪模块41，用于去除所述语音帧中的随机噪声；所述端点检测模块42，用于对去噪后的语音帧进行端点检测，以获取有效语音段；所述特征提取模块43，用于对所述有效语音段进行语音特征分析，以获取语音特征信息；所述语音转换模块44，用于将获取的语音特征信息转换为相应的文字信息。
优选地，所述的对所述待分析语音信号信号进行语音检测，以获取语音帧，具体是：
(1)对所述待分析语音信号进行分帧、加窗和快速傅里叶变换，并计算每一帧语音信号的幅度谱；
(2)基于得到的幅度谱，利用下方的判决函数计算每一帧语音信号的判决函数值，其中，判决函数为：
式中，Γ(i)为第i帧语音信号的判决函数值，i＝1,2,…,I，I为帧的个数，|Xi+1(k)|、|Xi(k)|、|Xi-1(k)|和|Xi+j(k)|分别为第(i+1)帧、第i帧、第(i-1)帧、第(i+j)语音信号的幅度谱，M为预设的帧数，k为频点；
(3)根据得到各个帧的判决函数值以及语音帧的起始帧和终止帧的判决条件，确定语音帧的起始帧和终止帧，具体地，若从第i帧开始，连接R帧语音信号均满足Γ(i+r)≥λ且|Xi+r(k)|≥A，此时第i帧为语音帧的起始帧，若从第s帧开始，且i、s满足s≥i+R，连续R帧语音信号均满足Γ(s+r)＜λ且|Xs+r(k)|＜A，此时第s帧为语音帧的终止帧；此时第i帧和第s帧之间的语音信号即为语音帧，其中，|Xi+r(k)|为第(i+r)帧语音信号的幅度谱，|Xs+r(k)|为第(s+r)帧语音信号的幅度谱，A为设定的幅度谱阈值，λ为预设的判决阈值，r＝1,2,…,R，R为预设的帧数。
有益效果：在上述实施方式中，通过对待分析语音信号进行分帧、加窗和快速傅里叶变换后，计算每一帧语音信号的幅度谱，之后基于得到的幅度谱，利用自定义的判决函数计算每一帧语音信号的判决函数值，然后基于得到的各个帧的判决函数值以及语音帧的起始帧和终止帧的判决条件，依次对每一帧语音信号是否属于语音帧进行判定，进而实现了对语音帧的准确检测，该检测手段简单易实现，降低减轻了语音去噪模块41、端点检测模块42、特征提取模块43和语音转换模块44的工作负担，即语音去噪模块41、端点检测模块42、特征提取模块43和语音转换模块44只需针对提取到的语音帧进行处理，提高了整个智能家居控制***的工作效率，实现了对智能家居设备的语音控制，提高了家庭的智能化水平。
优选地，所述的智能家居设备7包括智能空调、智能电视、智能灯光设备、智能冰箱、智能空气净化器、智能清洁机器人和智能影音设备；任一所述的智能家居设备中均包含一个设备控制指令解析模块，通过所述设备控制指令解析模块对接收到的设备控制指令进行解析，以使所述的智能家居设备根据解析结果进入相应的工作状态。
本发明的有益效果为：本发明通过在室内布设多个拾音器，可对室内人员发出的语音信号进行实时采集，并进一步对采集的语音信号进行分析，进而根据分析结果生成相应的设备控制指令，以实现对智能家居设备的控制，可见，本发明无需借助任何手持智能终端的前提下，便可以实现对智能家居设备的语音控制，从而提高了家庭的智能化水平。
在一个实施例中，所述的去除所述语音帧中的随机噪声，具体为：
(1)获取所述语音帧的每一帧语音信号的幅度谱、相位谱、功率谱密度值以及噪声的平均功率谱密度值；
(2)根据得到的功率谱密度值以及噪声的平均功率谱密度值，利用下式计算各个帧的增益因子：
式中，g(k,d)为第d帧语音帧的增益因子，d＝1,2,…,D，D为语音帧的帧数，Py(k,d)为第d帧的功率谱密度值，Pσ(k)为噪声的平均功率谱密度值，ζ为预设的衰减因子，其满足0＜ζ＜1，η为预设的增益补偿因子，k为频点；
(3)根据计算得到的增益因子以及幅度谱，计算语音帧中各个帧的幅度谱的估计值：
式中，为第d帧的幅度谱的估计值，|Xd(k)|为第d帧的幅度谱；
(4)对得到的语音帧的各个帧的幅度谱的估计值以及相位谱进行傅里叶逆变换，恢复时域语音信号；
(5)对得到的时域语音信号进行去窗和叠加处理，即可得到降噪后的语音信号。
有益效果：上述实施例中，通过计算语音帧中各个帧的增益因子，进而自适应的对各个帧的幅度谱进行估计，得到语音帧各个帧的幅度谱的估计值，之后再对各个帧进行傅里叶逆变换、去窗、叠加处理，即可得到该语音帧降噪处理后的时域语音信号。该算法能够有效抑制语音帧中的随机噪声，同时增强了非噪声部分，而且根据各个帧的幅度谱与噪声的平均功率谱密度值的关系，选择相应的式子以得到各个帧的增益因子，实现对各个帧的自适应去噪，使得降噪后的语音帧中保留非噪声部分的细节特征，进而有利于后续从降噪后的语音帧中提取语音特征信息，提高了该智能家居控制***的识别准确度，实现了对智能家居设备的准确控制。
在一个实施例中，所述对去噪后的语音帧进行端点检测，以获取有效语音段，具体是：先对去噪后的语音帧进行分帧、加窗和快速傅里叶变换，然后对处理后的语音帧的每帧语音信号进行端点检测，判断各个帧是否是有效语音帧，所有有效语音帧构成的集合即为有效语音段。
其中，对处理后的语音帧的每帧语音信号进行端点检测，判断各个帧是否是有效语音帧。以第p帧语音信号为例，其实现过程是：
(1)将该帧语音信号划分为(2L+1)个均匀的、互不重叠子带，根据所述子带的频谱能量生成子带功率谱熵概率密度，其子带的功率谱熵的概率密度的计算式子为： 其中，plt为第t个子带的功率谱熵的概率密度，E(t)、E(l)分别为第t个子带、第l个子带的频谱能量，t＝1,2,…,(2L+1)，将(2L+1)个子带按照频谱能量值进行降序排列后，表示从排序好的子带频率能量序列取中间值；
(2)对得到的子带的功率谱熵的概率密度进行加权处理，得到该帧语音信号的子带加权功率谱熵，其子带加权功率谱熵的计算式子为：其中，Hp为第p帧语音信号的子带加权功率谱熵，plmax为最大功率谱熵的概率密度，plmin为最小功率谱熵的概率密度，plt为第t个子带的功率谱熵的概率密度；
(3)将得到的该帧语音信号的子带加权功率谱熵与预设的语音端点判决阈值进行比较，若子带加权功率谱熵大于预设的语音段端点判决阈值，则判断该帧语音信号为有效语音帧，反之，则该帧语音信号为噪声帧。
有益效果：通过将每帧语音信号均等的划分为多个子带，并利用上述实施例中的式子计算各个子带的功率谱熵的概率密度，进而根据得到的各个子带的功率谱熵的概率密度以计算每帧语音信号的子带加权功率谱熵，进而完成端点检测工作，该算法提高了端点检测的鲁棒性，能够实现对有效语音段的准确检测，同时该端点检测算法简单、易实现，能够快速完成对有效语音段的提取，以便于后续从该有效语音段中提取语音特征信息。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.一种智能家居控制***，其特征是，包括：
语音信号采集设备，用于通过布设在室内的多个拾音器，对室内人员发出的语音信号进行实时采集；
语音信号筛选器，用于从多个所述拾音器采集的语音信号中筛选出信号强度最大的一个语音信号，并将该语音信号确定为待分析语音信号；
语音信号分析器，用于对所述待分析语音信号进行语音特征分析，并将得到的语音特征信息转换为相应的文字信息；
文字类别判别器，用于判断所述文字信息是否为控制类文字信息；
控制指令发送器，用于当所述文字类别判别器判定所述文字信息是控制类文字信息后，生成相应的设备控制指令，并将所述的设备控制指令发送至相应的智能家居设备，以控制相应的智能家居设备的工作状态。
2.根据权利要求1所述的智能家居控制***，其特征是，所述的多个拾音器分别布设在室内天花板的每个角落、室内天花板的中部、室内地板的每个角落、沙发底部以及床底部。
3.根据权利要求1所述的智能家居控制***，其特征是，还包括声频识别器，所述声频识别器用于在所述语音信号分析器对待分析语音信号进行语音特征分析之前，提取所述待分析语音信号的声音频率，并确定提取到的声音频率与预设的合法用户的声音频率是否一致，若一致，则生成第一控制指令，利用所述第一控制指令控制所述语音信号分析器启动对所述待分析语音信号进行语音特征分析，若不一致，则生成第二控制指令，利用所述第二控制指令控制所述语音信号分析器禁止对所述待分析语音信号进行语音特征分析。
4.根据权利要求1所述的智能家居控制***，其特征是，所述语音信号分析器包括有声区间检测模块、语音去噪模块、端点检测模块、特征提取模块和语音转换模块；
所述有声区间检测模块，用于对所述待分析语音信号进行语音检测，以获取语音帧；
所述语音去噪模块，用于去除所述语音帧中的随机噪声；
所述端点检测模块，用于对去噪后的语音帧进行端点检测，以获取有效语音段；
所述特征提取模块，用于对所述有效语音段进行语音特征分析，以获取语音特征信息；
所述语音转换模块，用于将获取的语音特征信息转换为相应的文字信息。
5.根据权利要求4所述的智能家居控制***，其特征是，所述的对所述待分析语音信号信号进行语音检测，以获取语音帧，具体是：
(1)对所述待分析语音信号进行分帧、加窗和快速傅里叶变换，并计算每一帧语音信号的幅度谱；
(2)基于得到的幅度谱，利用下方的判决函数计算每一帧语音信号的判决函数值，其中，判决函数为：
式中，Γ(i)为第i帧语音信号的判决函数值，i＝1,2,…,I，I为帧的个数，|Xi+1(k)|、|Xi(k)|、|Xi-1(k)|和|Xi+j(k)|分别为第(i+1)帧、第i帧、第(i-1)帧、第(i+j)语音信号的幅度谱，M为预设的帧数，k为频点；
(3)根据得到各个帧的判决函数值以及语音帧的起始帧和终止帧的判决条件，确定语音帧的起始帧和终止帧，具体地，若从第i帧开始，连接R帧语音信号均满足Γ(i+r)≥λ且|Xi+r(k)|≥A，此时第i帧为语音帧的起始帧，若从第s帧开始，且i、s满足s≥i+R，连续R帧语音信号均满足Γ(s+r)＜λ且|Xs+r(k)|＜A，此时第s帧为语音帧的终止帧；此时第i帧和第s帧之间的语音信号即为语音帧，其中，|Xi+r(k)|为第(i+r)帧语音信号的幅度谱，|Xs+r(k)|为第(s+r)帧语音信号的幅度谱，A为设定的幅度谱阈值，λ为预设的判决阈值，r＝1,2,…,R，R为预设的帧数。
6.根据权利要求1所述的智能家居控制***，其特征是，所述的智能家居设备包括智能空调、智能电视、智能灯光设备、智能冰箱、智能空气净化器、智能清洁机器人和智能影音设备；
任一所述的智能家居设备中均包含一个设备控制指令解析模块，通过所述设备控制指令解析模块对接收到的设备控制指令进行解析，以使所述的智能家居设备根据解析结果进入相应的工作状态。
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