摘 要

智能家居系统具有使用方便、效率高以及智能化等优点，对于提高人们的生活质量，创造便利的生活环境有着重要的意义。随着时代的发展，尤其是物联网技术的快速发展，人们的生活水平不断提高，智能家居系统短时间内得以快速地发展。而随着智能手机的普及，人们趋于使用手机来控制智能家居系统。控制的方式不仅限于手动控制，语音控制智能家居也成了一种需求。针对目前智能家居所提出的新的要求，本文设计出一套基于Android平台的智能家居语音控制系统。

本文首先根据系统的总体要求提出设计方案，然后选择系统的APP平台、语音识别技术、数据的传输技术与协议和硬件平台。最后确定系统使用科大讯飞的语音SDK 进行语音识别的二次开发，以树莓派3B型开发板做家庭服务器及AP热点，ESP8266模块做控制节点，通过HTTP协议进行通信。系统通过Android手机APP客户端发送控制请求给树莓派家庭服务器，然后服务器转发请求到ESP8266控制模块上实现具体的控制。系统各部分之间使用Wi-Fi技术进行无线通信。

本文基本实现了用户能够在Android客户端进行语音识别控制家居的智能家居语音控制系统的研究与设计，满足目前智能家居系统的基本要求，基本上可以实现对家用电器的控制和管理。

关键字：智能家居；安卓；树莓派；ESP8266；超文本传输协议

Abstract

Smart home systems have its advantages of convenience, high efficiency, intelligence, and etc. Using smart home system is of great significance for improving the quality of life of people and creating a convenient living environment. As time go by, the Internet of Things technology has developed rapidly and people’s living standards have improved significantly. the smart home system has been rapidly developed in a short period of time. The smart home system has been rapidly developed in a short period of time. And with the popularization of smart phones, people tend to use mobile phones to control smart home systems. What’s more, the way of control is not limited to manual control. Using voice to control smart homes has also become a requirement. In response to these new requirements of the smart home system, I designed a smart home voice control system based on the Android platform.

This article first proposes a design scheme based on the overall requirements of the system, and then shows the selections of system’s application’s platform, data transmission technology and protocol, and hardware platform. Finally, it is determined that the system used the voice software development kit of IFLYTEK for secondary development of speech recognition. The Raspberry Pi 3B development board is used as the home server and wireless access point, and the ESP8266 module is used as the control node to communicate to other modules through the HTTP protocol. The system will send a control request to the Raspberry Pi home server by using the client application on the Android mobile phone. And the WEB server will forward the request to the ESP8266 module to achieve the specific control. Wi-Fi technology is used for wireless communication between various parts of the system.

The smart home voice control system designed in this article basically implements the function that the user can perform voice recognition and control at the Android client. Moreover, the system satisfies the basic requirements of current smart home systems and basically enables the control and management of home appliances.

Key words: Smart Home; Android; Raspberry Pi; ESP8266; HTTP

目 录

第1章 绪论 1

1.1 智能家居简介 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究目标、成果及意义 2

1.3.1 研究目的 2

1.3.2 研究成果 3

1.3.3 研究意义 3

1.4 论文章节安排 3

第2章 智能家居语音控制系统结构及方案设计 4

2.1 智能家居语音控制系统需求分析 4

2.2 智能家居语音控制系统总体方案设计 5

2.2.1 APP平台选择 5

2.2.2 语音识别技术选择 6

2.2.3 数据传输技术选择 7

2.2.4 消息传输协议 8

2.2.5 系统硬件平台选择 8

2.3 本章小结 9

第3章 Android客户端语音控制软件设计 10

3.1 Android系统概述 10

3.2 Android开发环境搭建 11

3.3 Android客户端设计 12

3.3.1 程序编写前准备 12

3.3.2 界面UI编写 13

3.3.3 语音识别功能实现 17

3.3.4 图像接收及拍照功能实现 19

3.3.5 控制指令发送 20

3.4 本章小结 22

第4章 树莓派服务器端设计 23

4.1 树莓派3b概述 23

4.2 使用树莓派 23

4.3 使用Create-ap建立热点 24

4.4 基于Node.js的服务器搭建 25

4.4.1 Node.js简介 25

4.4.2 安装并使用Node.js架设WEB服务器 26

4.5 基于MJPG-streamer的图像传输 29

4.6 本章小结 30

第5章 ESP8266节点控制器设计 31

5.1 ESP8266模块概述 31

5.2 Arduino IDE开发ESP8266模块 31

5.3 ESP8266控制程序设计 33

5.4 本章小结 36

第6章 语音控制系统的构建与测试 37

6.1 语音识别功能测试 37

6.2 树莓派组网测试 38

6.3 摄像头图传拍照测试 41

6.4 节点控制器入网控制测试 43

6.5 系统性能分析对比 45

6.6 本章小结 46

第7章 总结与展望 47

7.1 总结 47

7.2 研究展望 47

参考文献 49

附录A Android软件 51

附A1 摄像头图像显示部分代码 51

附A2 摄像头拍照功能部分代码 52

附A3 发送HTTP Get请求功能部分代码 53

附录B 系统测试 54

附B1 系统控制时延测试 54

致谢 55

绪论

智能家居简介

智能家居的概念最早起源于国外，在国外以Smart Home著称，其目标是将家庭中各种与信息相关的家用电器、媒体设备、安防装置等硬件设备连接到一个家庭智能化平台上进行集中或远程监视，并可以在家庭智能化平台上进行控制和调配，使家庭生活环境更加协调^[1]。智能家居与普通家居相比，智能家居在拥有传统家居的居住功能的同时，整合了现代的信息交互功能，兼备设备自动化、信息家电、网络通信等其他的功能^[1]，具有普通家居无法比拟的优势。智能家居的最终目的就是为人们提供更好的生活质量，提高人们的生活水平。

智能家居的概念提出时间很早。美国联合科技公司早在1984年就建造了首栋“智能型建筑”——City Place Building^[2]，就此确定了智能家居系统的雏形。智能家居的主要系统包含家庭自动化、家庭网络等，其中家庭自动化是智能家居的一个重要的系统，家庭自动化使用微处理电子技术集成控制家中的电子产品，是早期智能家居系统的主要部分。而随着现代网络技术的成熟，网络家电/信息家电开始不断在市场上涌现，并凭借自身的优势，融合家庭自动化的产品功能，占据了市场的主体地位。智能家居的核心系统由家庭自动化系统替代成家庭网络/家庭信息系统。

根据功能分类来说，目前的智能家居包含门禁系统、家庭安防、智能家电系统、智能影音控制等等，人们可以远程控制智能家居系统，实时地监控家中情况^[3]。智能家居给人们带来更多的便利性，而且人们可以根据自己的需要来设置自己的家居系统，创造出个性化的、更贴合自身情况的智能家居系统，从某种程度上说更人性化。所以，在智能家居系统成本不断下降、智能控制技术和网络技术不断成熟的今天，智能家居将会在越来越多的家庭中得到应用。

国内外研究现状

我国的智能家居系统的研发比起国外来说起步较晚，智能家居作为国内新兴的产业，受市场的影响，智能家居产业的发展正在稳步上升。智能家居在二十世纪末期引入国内，并开始在中国发展，国内先后有企业投入资金研发智能家居。但智能家居技术研发缓慢，直到2010年左右，国外智能家居产品开始进入中国市场，国内的智能家居企业则发展停滞，智能家居因其功能缺失、可靠性低，不被用户所接受。这时的智能家居控制使用的是X-10电力线载波通讯技术。进入2011年后，市场有了增长的势头，而且网络技术、通信技术和嵌入式技术的不断发展，全球范围内的信息技术创新不断加快，使得宽带得到普及，宽带的速度得到提升，智能家居、物联网行业有了发展的基础。近几年，Wi-Fi技术等无线通信技术的成熟，更是使得各大厂商开始涉猎智能家居领域，国内涌出比如小米、紫光物联等智能家居产品方案供应商。智能家居产品使用的物联技术不在是单一的一种，有线和无线技术开始进行有机结合应用于产品中。智能家居也由原来的独立控制整合成一套完整的系统。

但由于智能家居产品价格的高昂，以及大量厂家过分夸大智能家居的功能，目前国内大多数家庭尚不具备使用智能家居的条件。对于大部分家庭来说，智能家居只是一个概念产品，且价格昂贵，不具有较好的实用性^[4]。尽管如此，人们还是不断尝试推出新的智能家居产品，家电智能化已经从最初的联网和APP化逐渐转向语音、图像、手势控制，智能化程度得到明显的提高^[4]。随着智能手机的发展，人们对于家居智能化的需求不断加大，如何在手机上实现随时随地控制家居、获取智能家居的信息，成为迫切的需求^[5]。

在语音识别技术方面，目前在智能控制领域大致有两种解决方案：一种是使用云技术，将语音信息传递给第三方语音技术提供商进行处理，然后从云端取回处理结果；第二种是搭建本地的语音处理服务器进行语音信息的处理。以目前的发展来说，前者的优势是拥有成熟的语音处理技术，可以提供快速可靠准确的语音识别效果，且在本地占用较少的资源；后者的好处是可以进行离线操作，并且可以针对特定人进行专门的语音识别训练，但其缺点明显，使用前要进行大量的训练，不同人使用效果存在较大差异。而第一种方案的代表有科大讯飞和MIT语音内核，分别代表国内和国外的在线语音服务。科大讯飞作为国内最大的智能语音技术提供商，提供包含中文语音识别、语音听写等完整的语音处理方案^[4]。

智能家居控制系统整合语音识别技术，可以得出语音控制的智能家居系统。根据上述的两种语音识别方案，现在的产品有两种智能家居解决方案，一种是语音云结合智能手机APP和本地控制系统，形成一个完整的智能家居控制系统；另一种则是使用本地计算机作为服务器，以智能手机进行音频采集，传递给计算机或其他服务器进行语音识别^[6]，或是采用集成的语音识别模块辅以单片机构成一个简单的控制系统^[7]。

研究目标、成果及意义

研究目的

本次毕业设计的题目是基于Android的智能家居语音控制系统，课题来源于现代社会智能家居迅猛发展的启发。通过本次毕业设计的研究，需要实现手机语音识别与家居智能控制相结合，用户只需要通过移动安卓设备的APP软件就可以远程控制家中的家居如电视、电灯、和摄像头等。而利用科大讯飞提供的语音技术，我们可以在手机上实现语音识别的功能，然后通过常用的消息传输协议整合嵌入式单片机做成的控制模块来做成一个智能家居的控制系统。

研究成果

本文主要研究基于Android平台的智能家居语音控制系统。系统使用科大讯飞的语音SDK 进行语音识别的二次开发，以树莓派3B型开发板做家庭服务器及AP热点，ESP8266模块做控制节点，通过HTTP协议进行通信。本文基本实现了用户能够在安卓客户端进行语音识别控制家居的智能家居语音控制系统的研究与设计。

研究意义

智能家居系统具有使用方便、效率高以及智能化等优点，对于提高人们的生活质量，创造便利的生活环境有着重要的意义。而且目前政府也在大力支持发展该新兴产业，据相关报告指出，随着智能家居系统越来越轻便、系统成本不断下降，智能家居系统在普通百姓家庭中的普及率的增加，2010年智能家居的比例已达到20%左右，按照智能家居每年500万套的速度发展^[8]。而且根据已有的调查，在2015年，有700万套自动控制系统被投入使用，到2020年使用中的设备估计会有3000万套^[9]，智能家居市场的需求量不断增长，而智能家居系统的缺陷还很多，继续研究智能家居控制系统是非常有必要的。

论文章节安排

第一章：对智能家居做一个简单的介绍，然后介绍智能家居的国内外现状和当代语音识别技术的发展，根据毕业设计的要求结合现状制定目标，简要阐述本次毕设成果。

第二章：对本次毕业设计所做的智能家居语音控制系统进行系统的需求性分析，然后选择合适的技术完成本次的方案设计。

第三章：简单介绍Android系统及其开发环境的搭建，并详细介绍如何实现本次毕业设计的智能家居系统的Android APP的设计。

第四章：简单介绍本次设计架设家庭服务器的开发板——树莓派3B，然后说明如何使用树莓派架设本次设计的智能家居控制系统所需的服务器。

第五章：简单介绍本次设计所选用的ESP8266模块并使用Arduino IDE进行ESP8266开发板的开发，实现系统子控制器的功能。

第六章：对本次设计出的智能家居语音控制系统进行各功能部分的测试，最后进行性能分析，总结出本次设计出的智能家居语音控制系统的优点与不足。

智能家居语音控制系统结构及方案设计

智能家居语音控制系统需求分析

语言不仅是人们交流信息的工具，也希望被用做作为人与机器之间进行通信的重要工具，用语音控制机器设备，是人们长久以来的梦想^[10]。使用语音控制机器设备，也是解放人类双手，提高人们生活水平的体现。在智能家居控制系统中加入语音识别功能，能够提升使用者的使用体验，简化用户操作，提高系统软件的便利性。

本文主要研究基于Android平台的智能家居语音控制系统，希望能够研究实现一个完整的智能家居控制系统。由于想要使用手机通过公共网络连接家庭服务器必须拥有自己的域名服务器或者租用第三方的服务器，本次毕业设计仅作研究与设计，故仅在局域网内进行操作。

本次的毕业设计是设计基于Android平台的智能家居语音控制系统，要求客户端能够运行在主流的Android设备上，并具有语音控制的功能。系统的性能要求为：

（1）能运行在主流的Android设备上，即APP要能在安卓手机或安卓平板上安装和使用；

（2）支持中文语音识别和中文语言理解，即用户对系统客户端说出指令，系统能够识别理解并做出相应的动作；

（3）能够支持多个受控设备，即系统能够连接多个智能家居组件并能够在一个 Android APP上控制多个组件；

（4）支持常用的消息传输协议，如HTTP协议、MQTT协议。

根据上面的要求，本次设计需要在当下使用用户较多的Android版本上运行系统的客户端软件。目前的Android系统基本覆盖在4.4版本到8.0版本之间，而基于Android 4.0的应用软件是能够在上述系统上运行的。设计要求的第二个目标是支持中文的语音识别，即要求软件可以理解用户所说的短语句，支持普通话的语音识别，提供较为准确的翻译以确保系统能够提取关键词进行词组匹配控制。为了能够实际使用，手机控制的子模块设备数量在三到二十之间，且最好能够控制摄像头这种具有安防功能的设备。

本次毕业设计要设计出一个支持普通话语音识别、能控制三个设备以上、控制通信延迟较短、通信距离可满足日常使用的需求、使用现代物联网无线传输协议的智能家居控制系统。

智能家居语音控制系统总体方案设计

本次智能家居语音控制系统经过系统的需求性分析，采用了以Android平台为系统客户端，用户使用APP进行语音识别，软件识别语音中的指令后发送指令信息给家庭主机（树莓派服务器），家庭主机转发指令给具体的控制子节点，ESP8266节点模块完成相应动作后返回信息给APP客户端。方案的总体设计如图2.1所示。

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