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基于红外线通信和语音识别技术的计算机控制系统
　　一、 绪论
　　1.1 红外线通信技术[8]
　　60年代初，一些发达国家开始研究民用产品的遥控技术，但由于受当时技术条件的限制，遥控技术发展很缓慢。70年代末，随着大规模集成电路和计算机技术的发展，遥控技术才得到快速的发展。在遥控方式上大体经历了从有线到无线的超声波、从振动子到红外线、再到使用总线的微机红外遥控这样几个阶段。无论采用何种方式，准确无误传输信号，最终达到满意的控制效果是非常重要的。最初的无线遥控装置采用的是电磁波传输信号，由于电磁波容易产生干扰，也易受干扰，因此逐渐采用超声波和红外线媒介来传输信号。与红外线相比，超声传感器频带窄，所能携带的信息量少，易受干扰而引起误动作。较为理想的是光控方式，逐渐采用红外线的遥控方式取代了超声波遥控方式，出现了红外线多功能遥控器，成为当今时代的主流。由于红外线在频谱上居于可见光之外，所以抗干扰性强，具有光波的直线传播特性，不易产生相互间的干扰，是很好的信息传输媒体。信息可以直接对红外光进行调制传输，例如，信息直接调制红外光的强弱进行传输，也可以用红外线产生一定频率的载波，再用信息对载波进调制，接收端再去掉载波，取到信息。从信息的可靠传输来说，后一种方法更好，这就是我们今天看到的大多数红外遥控器所采用的方法。红外遥控技术在这十年来得到了迅猛发展，尤其在家电领域如彩电、DVD、空调等，也在其它电子领域得到广泛应用，随着人们生活水平的提高，对产品的追求是使用更方便、更具智能化，红外遥控技术正是一个重点的发展方向。
　　红外线是波长在750nm至1mm之间的电磁波，它的频率高于微波而低于可见光，是一种人的眼睛看不到的光线。红外通信一般采用红外波段内的近红外线，波长在0.75um至25um之间。目前广泛使用的家电遥控器几乎都是采用的红外线传输技术。作为无线局域网的传输方式，红外线方式的最大优点是不受无线电干扰，且它的使用不受国家无线管理委员会的限制。红外数据协会（IRDA）成立后，为了保证不同厂商的红外产品能够获得最佳的通信效果，红外通信协议将红外数据通信所采用的光波波长的范围限定在850至900nm之内。
　　1.2 语音信号识别技术
　　语音识别是机器通过识别和理解过程把语音信号转变为相应的文本文件或命令的高技术。作为专门的研究领域，语音识别又是一门交叉学科，它与声学、语音学、语言学、数字信号处理理论、信息论、计算机科学等众多学科紧密相连。语音识别经过四十多年的发展，已经显示出巨大的应用前景。让机器识别语音的困难在某种程度上就像一个外语不好的人听外国人讲话一样，它和不同的说话人、不同的说话速度、不同的说话内容、以及不同的环境条件有关。语音信号本身的特点造成了语音识别的困难。这些特点包括多变性，动态性，瞬时性和连续性等。
　　语音识别的研究工作大约开始于50年代，当时AT& T Bell实验室实现了第一个可识别十个英文数字的语音识别系统——Audry系统。
　　60年代，计算机的应用推动了语音识别的发展。这时期的重要成果是提出了动态规划（DP）和线性预测分析技术（LP），其中后者较好地解决了语音信号产生模型的问题，对语音识别的发展产生了深远影响。
　　70年代，语音识别领域取得了突破。在理论上，LP技术得到进一步发展，动态时间归正技术（DTW）基本成熟，特别是提出了矢量量化（VQ）和隐马尔可夫模型（HMM）理论。在实践上，实现了基于线性预测倒谱和DTW技术的特定人孤立语音识别系统。
　　80年代，语音识别研究进一步走向深入，其显著特征是HMM模型和人工神经元网络（ANN）在语音识别中的成功应用。HMM模型的广泛应用应归功于AT＆ T Bell实验室Rabiner等科学家的努力，他们把原本艰涩的HMM纯数学模型工程化，从而为更多研究者了解和认识。ANN和HMM模型建立的语音识别系统，性能相当。
　　进入90年代，随着多媒体时代的来临，迫切要求语音识别系统从实验室走向实用。许多发达国家如美国、日本、韩国以及IBM、Apple、AT＆T、NTT等著名公司都为语音识别系统的实用化开发研究投以巨资。
　　我国语音识别研究工作一直紧跟国际水平，国家也很重视，并把大词汇量语音识别的研究列入“863”计划，由中科院声学所、自动化所及北京大学等单位研究开发。鉴于中国未来庞大的市场，国外也非常重视汉语语音识别的研究。美国、新加坡等地聚集了一批来自大陆、台湾、香港等地的学者，研究成果已达到相当高水平。因此，国内除了要加强理论研究外，更要加快从实验室演示系统到商品的转化。
　　目前，语音识别研究工作进展缓慢，主要表现在理论上一直没有突破。虽然各种新的修正方法不断涌现，但其普遍适用性都值得商榷。具体来讲，困难主要表现在：
　　1、 语音识别系统的适应性差，主要体现在对环境依赖性强，即在某种环境下采集到的语音训练系统只能在这种环境下应用，否则系统性能将急剧下降；另外一个问题是对用户的错误输入不能正确响应，使用不方便。
　　2、 高噪声环境下语音识别进展困难，因为此时人的发音变化很大，像声音变高，语速变慢，音调及共振峰变化等等，这就是所谓Lombard效应，必须寻找新的信号分析处理方法。
　　3、 语言学、生理学、心理学方面的研究成果已有不少，但如何把这些知识量化、建模并用于语音识别，还需研究。而语言模型、语法及词法模型在中、大词汇量连续语音识别中是非常重要的。
　　4、 我们对人类的听觉理解、知识积累和学习机制以及大脑神经系统的控制机理等分面的认识还很不清楚；其次，把这方面的现有成果用于语音识别，还有一个艰难的过程。
　　5、 语音识别系统从实验室演示系统到商品的转化过程中还有许多具体问题需要解决，识别速度、拒识问题以及关键词（句）检测技术（即从连续语音中去除诸如“啊”、“唉”等语音，获得真正待识别的语音部分）等等技术细节要解决。
　　语音识别有诸多的困难，但有效识别的关键是其依据的模型和算法。模型算法是计算机描述语音的能力能否抓住人的语音的本质的关键。在语音识别领域，固然有资金实力、人力资源等的竞争，但最根本是其关键核心技术——模型和算法的竞争。
　　1.3 本作品设计的目的及基本思路
　　本作品利用PC来实现红外线控制技术和语音信号识别技术在家用电器或工业电气设备的智能控制，以及在PC软件系统方面的应用，如智能家电控制系统、多媒体教学控制系统等。此外，利用红外线和语音识别技术的加密手段，实现对计算机系统或文件进行有效加密。
　　随着社会的发展和国家经济水平的提高，如今越来越多的PC进入了普通老百姓的家庭、工业领域以及学校的教学领域中。本作品利用了现有PC强大的功能，结合红外线控制技术和语音识别技术来实现对家用电器或工厂电器设备进行灵活的控制和生动活泼的多媒体教学手段。在尽量利用PC资源但又不占用太多PC资源情况下，实现前端硬件系统的最小化和成本的最低化。此外，采用了无线控制技术和红外线通信技术的完美结合，避开了单纯的红外线通信所受空间限制的影响和单纯无线通信与现有红外线电器设备不兼容的问题，使系统控制更加灵活。另外，系统通过和互联网相连还可以实现对设备的远程控制。
　　1、用一个红外线接收电路通过PC上的USB口识别各种红外遥控器发来的信号，然后，对信号进行分析和存储，最后通过USB口输出给无线电接收及红外线发射控制器，再现其红外线控制信号，进而实现对设备的控制。如图1-1所示。这个过程PC充当了一个学习型遥控器的角色。与普通单片机开发的学习型遥控器相比，该方法可以免去另外增加硬件成本的优势，此外，PC强大的处理功能是普通学习型遥控器所不及的。

　　图1-1 设备控制示意图
　　2、本作品的语音信号通过MIC输入，利用语音信号识别技术结合PC的强大处理功能对不同人的语音信号进行有效的识别，处理之后，将语音信号转换为红外控制信号或其它有效信号，对PC应用软件控制或输出实现对设备的控制。

　　3、系统配备一个PC专用遥控器（如图1-4），可以用此遥控器对PC软件层和外部设备进行控制，相当于一个学习型遥控器，利用这个特制的红外遥控器，还可以实现灵活多变的多媒体教学手段。如图1-3所示。

　　图1-3多媒体教学控制 图1-4 PC专用遥控器
　　4、传统的键盘密码输入，木马很容易记录输入的按键信息，或通过微型摄相头记录你的按键信息。建立在红外线分析和语音识别技术上的密码技术，可以更加方便有效地实现对系统和文件进行加密。
　　1.4 当前国内外同类课题研究水平概述
　　在中华人明共和国国家知识产权局和中国专利信息网提供的专利查询数据库中尚无该产品的注册情况参考网址同时在中国专利信息网联接的国外检索（如欧洲专利局，美国专利局）无该产品的注册情况。
　　1、红外线遥控技术发展比较成熟，学习型遥控就是很好的例子，它是将原家电遥控器对准学习型遥控器的接收器逐一按键从而准确地记录该遥控器的波形，应用时再将这一波形再现、发射出去，但受存储器的限制，存储信号有限。专利检索后发现国内外也有用红外线遥控PC的产品，日本株氏会社也在中国申请了计算机遥控专利，产品大都是利用RS232或PS2口控制PC,还没有一个基于USB接口的控制家用电器的产品出现。
　　2．利用硬件实现的语音控制产品也很多，如智能玩具机器狗，日本的机器狗“爱宝”和英国的机器狗“威克”，都是基于语音控制的电子宠物，但造价不菲。目前IBM、Apple、AT＆T、NTT等著名公司都为语音识别系统的实用化开发研究投以巨资，主要产品是语音输入法，并没有把语音这种灵活的控制方式用于设备控制中。
　　3．纯硬件实现的家居智能控制系统传统五花八门，利用红外、无线技术的占多数，语音控制家居类产品还没出现，这些家居控制类产品没有计算机接口，无法用计算机实现家居管理。
　　4．传统的用户认证一般都是通过键盘，如进行系统加密或文件加密。国内外还没有过提出利用红外线分析或语音识别实现计算机认证的方法。注册的专利为密码识别类产品一般都是密码锁，及通信密码认证技术。
　　1.5 作品使用说明
　　1.5.1硬件安装
　　在PC声卡处插入MIC，红外线接收及无线电发射器（图1-5）插入PC的USB接口，无线电接收及红外线发射控制器（图1-6）安装于正对被控设备的方位，后接220V电源，当被控设备不具备红外接口时，可将被控设备电源插头插入此模块上，实现对设备的电源控制。

　　图1-5红外线接收及无线电发射器

　　图1-6无线电接收及红外线发射控制器

　　1.5.2软件使用
　　软件最低配置要求：内存64M，奔腾2处理器，WIN98/ME/2K/XP系统。
　　软件安装后，会出现如图1-7所示的控制窗口，进入设置一栏，选择遥控器类型后，将被控设备遥控器对准红外线接收及无线电发射器（图1-5）可以输入红外遥控信号，语音信号的录入可以同时进行，操作完毕即完成了一路红外信号和语音信号的录入，其它路数据的录入也照此法，录入完毕后可选择其他遥控器类型。本作品除了对电视机、空调、热水器进行控制外，还可以对PC本身进行控制。此外还可以进行自定义控制其它的电器设备。如图1-8选择网络一栏可对远程设备进行控制。具体使用方法软件帮助中都有提示，操作十分简单。

　　1.6 市场分析与预测
　　1、本作品硬件成本低（200元以下），USB设备支持热插拔，用户安装和使用都很方便。软件系统和Microsoft Office 工具建立联接，能通过遥控和语音控制电教系统及周边设备，如实现多媒体文档的演示与切换及实现灯饰和音响的变换。
　　2、配备计算机的家庭群体庞大，蕴涵着巨大商机，家庭用户可以使用本产品提供的娱乐控制功能，如用遥控或语音实现对语音或视频播放器的操作，及用遥控和语音对游戏软件的控制，当然，它的智能化家电控制，更能使用户体会到信息技术带来的便利。目前网络发展迅猛，除PC外，大部分便携式设备也支持网络通信，利用网络实现对电器设备的远程控制也必将受到大家的欢迎。
　　3、基于红外线分析和语音识别的密码体系可以防止计算机内部信息被他人复制或更改，而且操作比传统的按键密码输入更容易。可以大大提高个人和企业的信息与资料保密的安全性和可靠性。

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