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智能音箱的设计与实现.docx
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智能音箱的设计与实现.docx
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智 能 音 箱 的 设 计 与 实 现
摘 要
随 着 社 会 的 发 展 和 人 们 生 活 需 求 的 变 化 , 智 能 音 箱 已 经 开 始 步 入 我 们
的 生 活 , 影 响 着 千 家 万 户 。 但 是 人 们 对 智 能 音 箱 的 要 求 也 越 来 越 高 , 需 求
变 的 多 种 多 元 化 。 从 最 早 亚 马 逊 的 echo 智 能 音 箱 到 国 内 早 期 的 叮 咚 音 箱 ,
再 到 现 如 今 的 天 猫 精 灵 、 小 度 音 箱 、 小 米 音 箱 的 蓬 勃 发 展 , 人 工 智 能 和 机
器 学 习 的 大 力 发 展 和 推 动 , 带 动 了 语 音 识 别 技 术 的 的 发 展 。 语 音 识 别 技 术
是 实 现 一 款 良 好 智 能 音 箱 的 基 础 , 而 且 随 着 时 代 朝 向 智 能 化 的 发 展 , 智 能
音 箱 将 是 智 能 家 居 的 控 制 中 心 。
本 文 主 要 是 对 智 能 音 箱 的 设 计 和 实 现 进 行 讨 论 。 首 先 对 关 于 语 音 识 别
技 术 基 本 原 理 进 行 概 述 , 研 究 分 析 语 音 识 别 的 大 概 过 程 。 最 后 对 整 个 智 能
音 箱 系 统 的 语 音 识 别 方 案 和 实 现 方 法 进 行 说 明 。
关 键 词 : 智 能 音 箱 人 工 智 能 语 音 识 别
Design and realization of intelligent speaker
北 京 理 工 大 学 珠 海 学 院 2020 届 本 科 生 毕 业 设 计
Abstract
With the development of society and the change of people's living needs,
smart speakers have begun to enter our lives, affecting thousands of
households. But people's requirements for smart speakers are also higher and
higher, and the demand is diversified. From the earliest echo intelligent
speaker of Amazon to the early DingDong speaker in China, to the vigorous
development of Tmall genie, Xiaodu speaker and Xiaomi speaker, the
vigorous development and promotion of artificial intelligence and machine
learning have driven the development of speech recognition technology.
Speech recognition technology is the foundation of a good smart speaker, and
with the development of the times towards intelligence, smart speaker will be
the control center of smart home.
This paper mainly discusses the design and implementation of
intelligent speaker. Firstly, the basic principle of speech recognition
technology is summarized, and the general process of speech recognition is
studied and analyzed. Finally, the speech recognition scheme and
implementation method of the whole intelligent speaker system are explained.
Keywords: Intelligent speaker Artificial intelligence Speech
recognition
北 京 理 工 大 学 珠 海 学 院 2020 届 本 科 生 毕 业 设 计
目 录
1 引言 ...............................................................................1
1.1 背景概述 .........................................................................1
1.2 研究的目的和意义 .................................................................1
1.3 智能音箱行业发展概况 .............................................................1
1.4 语音识别系统的发展和应用 .........................................................2
1.4.1 国外发展状况: ...............................................................2
1.4.2 国内发展状况: ...............................................................2
1.4.3 语音识别系统的应用 ...........................................................3
1.5 各大语音识别平台的对比 ...........................................................3
2 语音识别技术基本原理 ...............................................................6
2.1 语音识别原理概述 .................................................................6
2.2 语音识别预处理概述 ...............................................................6
2.2.1 端点检测 .....................................................................7
2.2.2 预加重 .........................................................7
2.2.3 分帧 .........................................................................7
2.2.4 加窗 .........................................................................7
2.3 语音识别特征参数提取 .............................................................7
2.4 语音识别算法概述 .................................................................8
2.4.1 动态时间规整(DTW) ..........................................................8
2.4.2 隐马尔科夫模型(HMM) ........................................................8
2.4.3 深度神经网络(DNN) ..........................................................8
2.4.4 循环神经网络(RNN) ..........................................................9
2.5 本章小结 .........................................................................9
北 京 理 工 大 学 珠 海 学 院 2020 届 本 科 生 毕 业 设 计
3 系统总体方案设计 ..................................................................10
3.1 系统硬件设计 ....................................................................10
3.1.1 树莓派 4B 介绍 ...............................................................10
3.1.2 ReSpeaker 4-Mics Pi HAT(ReSpeaker4 麦克风阵列) ...........................11
3.1.3 3.5mm 小音箱 ................................................................12
3.2 系统软件配置和安装 ..............................................................13
3.2.1 树莓派系统的配置和安装 ......................................................13
3.2.2 4-Mics 阵列板系统的配置和安装 ...............................................16
3.2.3 安装 python 和创建虚拟环境 ...................................................17
3.3 本章小结 ........................................................................18
4 语音控制系统的设计与实现 ..........................................................19
4.1 基于百度语音平台的在线语音识别功能实现 ........................................19
4.2 更改唤醒词 ....................................................................21
4.3 语音控制智能音箱 ..............................................................23
4.3.1 智能音箱实现的功能 ..........................................................23
4.4 本章小结 ......................................................................24
5 系统测试 ..........................................................................25
5.1 语音识别准确率测试 ............................................................25
5.2 语音识别抗噪性测试 ............................................................26
5.3 本章小结 ......................................................................27
6 论文总结 ..........................................................................28
参考文献 ............................................................................29
致 谢 ...............................................................................30
附 录 ...............................................................................31
1
1 引 言
1.1 背 景 概 述
在 2015 年 两 会 提 出 的 互 联 网 + , 到 现 在 已 经 过 去 了 五 年 。 不 但 是
中 国 , 而 是 整 个 世 界 也 进 入 了 互 联 网 +的 新 时 代 。 从 一 开 始 智 能 手 环 、
智 能 手 表 的 兴 起 , 还 有 一 些 所 谓 的 智 能 空 调 、 空 气 净 化 器 等 加 若 干 个
传 感 器 就 号 称 智 能 设 备 。 其 实 这 些 是 智 能 设 备 的 一 个 雏 形 , 一 个 非 常
初 级 的 应 用 。 真 正 的 智 能 设 备 应 该 是 解 放 人 的 双 手 , 进 行 人 机 语 音 交
互 。 随 着 通 信 技 术 和 互 联 网 技 术 的 融 合 , 以 及 亚 马 逊 echo 的 发 售 , 代
表 着 基 于 语 音 交 互 技 术 的 智 能 音 箱 开 始 逐 渐 成 熟 起 来 和 商 品 化 。
我 们 都 知 道 手 机 到 智 能 手 机 的 发 展 , 完 全 改 变 了 人 们 的 生 活 方 式 。
从 一 开 始 只 是 单 纯 的 通 信 , 到 现 在 越 来 越 复 杂 的 功 能 。 繁 琐 的 手 机 操
作 , 使 人 们 想 要 解 放 双 手 , 而 且 年 轻 人 重 要 的 娱 乐 方 式 之 一 就 是 听 音
乐 。 每 天 习 惯 收 听 音 乐 的 人 应 该 占 大 多 数 ; 每 天 听 听 歌 时 间 较 长 人 也
不 少 ; 而 且 拥 有 多 个 音 乐 app 的 人 也 占 多 数 。 智 能 音 箱 的 诞 生 不 是 偶
然 ,比 较 与 传 统 音 箱 ,如 蓝 牙 音 箱 或 者 插 卡 音 箱 。传 统 音 箱 显 得 落 伍 、
单 一 、 反 应 慢 , 已 经 跟 不 上 互 联 网 和 智 能 时 代 的 发 展 和 节 奏 。 传 统 音
箱 升 级 后 产 物 就 是 智 能 音 箱 了 , 消 费 者 能 够 通 过 语 音 指 示 控 制 智 能 音
箱 进 行 上 网 ,随 后 完 成 消 费 者 的 语 音 指 示 。比 如 在 线 点 播 、网 上 购 物 、
天 气 预 报 的 播 报 等 。 随 着 语 音 技 术 的 成 熟 、 智 能 硬 件 的 不 断 推 出 、 智
能 音 箱 性 能 和 消 费 者 体 验 的 不 断 提 升 , 智 能 音 箱 最 终 会 成 为 改 变 人 类
生 活 习 性 的 另 一 科 技 产 物 。
1.2 研 究 的 目 的 和 意 义
现 如 今 , 市 面 上 的 智 能 音 箱 种 类 很 多 , 比 如 京 东 的 叮 咚 、 阿 里 的 天 猫
精 灵 、 百 度 的 小 度 等 等 。 基 本 来 讲 就 是 由 传 统 音 箱 实 现 的 智 能 音 箱 。 所 以
本 项 目 就 是 将 传 统 音 箱 与 语 音 交 互 技 术 结 合 起 来 , 实 现 一 款 可 自 由 设 计 的
智 能 音 箱 , 以 此 来 满 足 用 户 的 基 本 体 验 。 比 如 更 好 的 音 乐 体 验 , 便 捷 的 语
音 交 流 等 。 而 且 传 统 音 箱 到 智 能 音 箱 的 实 现 , 将 激 发 更 多 人 的 学 习 乐 趣 和
动 手 能 力 , 使 得 智 能 音 箱 的 普 及 度 更 广 。
1.3 智 能 音 箱 行 业 发 展 概 况
探 索 期 : 2011-2018 年 , 亚 马 逊 的 lab126 实 验 室 开 始 在 2011 年 进 行
echo 的 研 发 。 2014 年 11 月 的 时 候 , echo 成 为 亚 马 逊 推 出 的 第 一 款 智 能 音
箱 , 全 球 智 能 音 箱 热 潮 从 此 开 始 。 “ 叮 咚 ” 智 能 音 箱 是 的 出 现 则 引 发 了 国
内 市 场 智 能 音 箱 竞 争 的 开 始 。
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