語音控制技術讓家中的每一件電器都能說話和傾聽

這是一個場景：你下班或放學回家，你告訴電視你想看什么節目，它會自動打開并切換到你喜歡的頻道。或者，也許您告訴爐子準備低火和慢火烹飪，以便晚餐在合適的時間以合適的溫度烹飪。今天，家用電器能夠執行這些功能。通過語音控制，在工作或學習了一天的勞累之后，你可以躺在沙發上放松一下，并向這些乖乖聽從你指揮的電器發出指令。

復雜的架構和廣泛的連接是物聯網的標志。越來越多的公司選擇云托管物聯網系統，因為云架構安全、快速、方便。通過使用多層加密和身份驗證，系統變得更加安全。一鍵完成自然語言處理等基于AI的模型訓練和部署。物聯網云通常包括嵌入家用電器中的傳感器，通過 Wi-Fi 連接到互聯網。用于接收數據并將其傳輸到云數據庫中，以便在云環境中進行分析和處理。本文以云架構為框架，講解語音控制技術如何讓家電服從口頭指令并做出響應。

家電中的語音控制技術

隨著人工智能和物聯網的不斷發展，人機交互(HMI)已經出現了更高端的體驗。語音控制技術是當今應用最為廣泛和熱門的研究課題之一。語音控制在家用電器中的應用，消除了對熟悉的遙控器的需要，并使電器僅使用口頭命令即可運行，這對大多數人來說是新的。人工智能、機器學習、語音識別、物聯網和云計算使語音控制的家用電器成為可能。

Azure 云語音控制和語音識別技術

語音控制系統包括：

語音識別

自然語言理解

對話管理

自然語言生成

語音合成

語音識別是指信息從語音到文本的轉換。Azure平臺的TTS(text-to-speech)是使用微軟現有數據訓練的通用語言模型，部署在云端。該模型可用于創建和訓練自定義語言模型。它可以選擇一個特定的詞典，并根據需要將其添加到訓練數據中。

自然語言分析/自然語言處理是機器學習的一部分，設計模型并進行訓練。

對話管理的任務包括三個要點：

用戶意圖預測

根據對話內容進行分析，機器學習模型預測并確認下一步要做什么。

提供與后端/任務模型

交互的接口作為應用接口，實現與服務器或模型的請求交互，獲取反饋結果，生成文本結果。

為語義分析的結果提供期望值。

它根據用戶的問題通過語義解析來響應以滿足用戶的期望。

響應文本是根據模型對用戶命令的分析生成的。語音合成技術的主要作用是將文本轉化為人性化的語音。基本的 Azure 云語音合成使用語音 SDK 或 REST 應用程序編程接口 (API) 協議(請參閱下面的詳細信息)來實現具有神經或自定義語音的文本到語音。

在家用電器中，對話模型的情感要求較低，因為大多數用戶命令只是功能性請求，例如打開設備和請求溫度或濕度。

云語音控制技術基本解決方案步驟

云語音控制技術的基本解決方案包括：

對話模式：對話模式是人機語言交互的中心樞紐;所有其他模式都源于此。只要用戶發出命令，系統就會切換到對話模式。Azure 使用 UWP 應用程序平臺開發了一個接口，用于監控是否成功接收到人聲觸發(例如對平臺說：“嗨，云!”)。

聽寫模式：用戶說出較長的短語或句子，等待語音識別結果。在說出初始觸發器“'嗨，云!”之后，用戶可以向機器發出實際命令。語音內容傳輸到語義分析系統 (Azure LUIS)，實時語音轉文本服務初始化通用語言模型。通過REST API/語音軟件開發包(SDK)完成操作。

交互模式：當用戶發出簡短請求并希望應用程序做出響應時，使用交互模式，由于應用程序中嵌入了語音識別和文本到語音轉換功能，該過程才有效。在本文的示例中，部署在 Azure 云中的語音控制系統的交互模式使用用戶交互通用 Windows 平臺 (UWB) 應用程序發揮作用。UWP上提供了一個簡單的接口供用戶操作，或者供開發者測試使用。

通用 Windows 平臺 (UWP)

借助通用 Windows 平臺，相同的 API 可以普遍應用于計算機、智能手機或其他 Windows 10 設備。換句話說，相同的代碼可以在不同的終端上運行，而無需為不同的平臺編寫不同版本的代碼。

認知服務語音識別 SDK 和 REST API

語音 SDK 軟件允許制造商通過對汽車免提應用(例如駕駛艙設備中的語音識別)使用語音頻帶音頻處理來提高免提應用中的語音質量。

官方文檔指出：“作為語音 SDK 的替代方法，語音服務允許使用 REST API 將語音轉換為文本。每個可訪問的端點都連接到特定區域。應用程序需要使用的端點的訂閱密鑰. REST API 非常有限，因為它們只能在語音 SDK 不可用的情況下使用。”

以語音識別為例：在向服務器發送 HTTP 請求之前，必須獲取 REST API 的密鑰。認證通過后，服務器將轉換后的音頻返回本地。此圖是在應用程序中創建和使用 REST 客戶端然后調用它的示例(圖 1)。調用 REST 客戶端時，輸入會轉換為 HTTP 請求并發送到 REST API。來自通信端點的響應是 HTTP 響應。REST 客戶端將其轉換為應用程序可以識別的類型并將其返回給應用程序。

圖 1：在應用程序中創建和使用 REST 客戶端。(來源：gunnarpeipman.com)

我們選擇不公開披露我們應用程序的 REST 客戶端的詳細信息，因此可以添加一個用于與外部服務器通信的適配器。適配器從應用程序接收已知類型的參數，適配器將相同的數據返回給外部服務器。

語言理解智能服務(LUIS)

Azure 的 LUIS 是一種基于云的對話 AI 服務，可以讓機器理解人類語言。操作模式可以概括如下：客戶端通過應用程序直接向 LUIS 發送語音請求。LUIS 中的自然語言處理功能將命令轉換為 JSON 格式。分析后，答案也以JSON格式返回。LUIS平臺為用戶提供訓練模型服務。該模型具有“持續學習”功能，可以響應客戶的要求，通過持續自動修正來提高準確性。

現在，讓我們以住宅濕度監控系統為例了解 LUIS 的工作原理。如果您希望用戶發出“檢查濕度”命令怎么辦?LUIS 包含自然語言處理的基本組件：

目的(動詞)：在這里，“檢查”是動詞。LUIS 模型最多接受 80 個客觀詞。

完整的語言內容：這是用戶給出的完整命令。LUIS 模型最多接受 500 個單詞的語音請求。

實體(名詞)：在這里，“濕度”是名詞。LUIS 模型最多可以接受 30 個實體名詞。

用戶可以根據自己的需要自定義 LUIS 特征，這意味著當你的模型不能輕易識別一個或幾個單詞時，它可以自動添加新數據進行再訓練。

在 Windows 10 IoT Core 上運行 Raspberry Pi 3

Raspberry Pi 是一塊可以連接不同類型傳感器的開發板。Raspberry Pi 可以與 Web 服務器一起使用。這樣的服務器接收不同的解釋命令并發送電信號來控制安裝在智能家居中的家電。

語音控制技術如何應用于家電

語音控制讓家居環境更加智能，帶來家電自動化(圖2)。我們可以這樣定義它：通過使用提供與健康、多媒體、娛樂和能源領域相關的不同服務的技術來改善房主的生活質量。

圖 2：語音控制技術識別音頻命令以操作連接的家用電器。(來源：Andrey Suslov/Shutterstock.com)

示例應用程序：具有云服務的智能濕度監測器

下面我們以云架構為例，看看家電語音控制技術如何與智能聲控濕度監測器協同工作。

核心技術

在 Raspberry Pi 3 上運行通用 Windows 平臺 (UWP) 時，語音識別 API 和傳感器會與用戶交互。在 LUIS 中進行語義分析，Raspberry Pi 3 輸入用戶的問題。答案最終來自認知服務的語音識別API。

建筑學

云計算已成為數據架構的首選，以確保數據傳輸安全、數據處理快速、模型預測準確。云部署還可以顯著減少設備操作，提升設備性能，同時提升用戶體驗，實現雙贏。這里選擇的云架構是最近在人工智能和物聯網領域引起重大發展和創新的微軟 Azure 云平臺。

職能

數據存儲：通過傳感器收集的數據存儲在云端。

語音轉文本和文本轉語音 API 用于識別用戶的問題并使用語音進行回答。

LUIS 語音識別和語義分析可以使用先前訓練的模型預測對用戶命令的正確響應。

家電可以通過Raspberry Pi 3的語音輸入和認知服務的語音識別來回答用戶的問題。

解決方案

有關創建此類解決方案的示例，請參閱以下 GitHub 鏈接。

數據發送到云端

使用當今的數據架構已經可以完成從傳感器到云數據庫的數據傳輸。客戶可以直接使用不同類型的數據庫來滿足不同的需求。

進行語音對話：UWP 應用程序

例子：用戶想知道他們家里的濕度是多少，所以他們說，“嘿，云!房間里現在的濕度是多少?” 問題的文本是使用在設備上的 Raspberry Pi 3 中運行的 UWP 提供的。該應用程序將與所有傳感器和執行器通信，然后觸發系統將問題發送到 LUIS 進行語義分析。

通過連接 LUIS 分析問題

LUIS 用于理解從 Raspberry Pi 3 收到的命令。通過模型訓練，應用程序可以識別命令的意圖是檢測室內濕度。之后，將 LUIS API 添加到 UWP 應用程序中。當用戶說出觸發命令“嘿，云!”時，所有內容都會通過 API 發送到 LUIS 并進行分析。在 UWP 中調用 LUIS，它接收輸入并分析意圖。根據預測意圖的置信度，向用戶提供正確答案。然后向物聯網中心發送命令以從傳感器獲取溫度。

開發網絡應用程序

可以開發用于設備管理的網絡應用程序。該應用程序可以顯示物聯網中心接收到的所有傳感器數據，使設備的管理更容易，并實現重啟和固件更新的功能。

人機交互

UWP 應用程序和 Web 應用程序相互交互，給客戶端一個響應，Web 應用程序負責將命令發送到指定的傳感器，檢測特定傳感器當前的室內濕度，并回答用戶的問題。最后，通過文本轉語音 API 向用戶提供當前室內濕度。

結論

物聯網時代，擁有語音控制和響應能力的家電，讓人類實現高品質便捷生活的夢想成為可能。家電的語音控制功能是結合人工智能、機器學習、自然語言處理、物聯網、云計算、數據傳輸和傳感器等技術設計的。

語音控制技術在家電中的應用是一個非常具有前瞻性的應用。未來的家肯定會是一個充滿可以與用戶交談的智能設備的地方。希望這項技術能夠吸引更多的科學家投入到這一研究領域，不斷創新發展。

審核編輯：湯梓紅