基于PID控制算法的热水器智能控制系统设计最终版.doc
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1、北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计基于PID控制算法的热水器智能控制系统设计语音识别系统设计摘 要伴随着物联网、大数据、人工智能的发展,对于语音识别有了更高要求,同时也意味着,我们生活中的家居产品越来越智能,走进了我们生活中的方方面面,我们作为消费者,生活品质得到了提高。家电的智能化已经成为了家电市场发展的一个必要趋势,为了达到更加人性,更加节约资源以及提供更便携的服务等作用,因此,全方位实现生活中信息交互功能显得十分有必要!往往被忽略的电热水器再智能发面有着巨大的发展前景。除了要满足了一定的舒适度,与其同时,也希望能够做到语音智能,但市面上已有的热水器主要是储水式电热水器和即热式热
2、水器。而其中,储水式电热水器被广为使用,因为它的各项优势更符合的家庭安装的要求,所以,这对于产品的更新换代有了一定的群众基础。以储水式热水器作为基础,进行功能上的改进以及增加,结合了语音识别系统,主要包括了以下内容,针对现在语音识别主要算法的进行介绍,做进一步分析,了解了不同算法的原理之后,对几种算法进行操作难度的比较,并结合了本设计的主体进行筛选,选出合适的算法。对本设计的主体,储水式电热水器参与了方案设计,介绍了它的结构设计,与语音识别所相关的,水温控制以及水位控制做相关调整,基于动态时间规整的算法,首先提取语音内容,使用了计算机的声卡收集,对所收集到的语音进行数字化和预处理,与此同时,对
3、于语音的端点检测也至关重要,通过以处理过的语音进行特征提取,获取所需内容,最后对其进行训练和识别,通过实验验证,该方法可以初步实现语音识别,达到通过语音控制电热水器的基本操作,满足了日常所需。提高了使用的舒适性关键词:储水式电热水器;智能控制;语音识别系统;节能保温;动态时间规整算法Design of Intelligent Control System of Water Heater Based on PID Control AlgorithmDesign of Speech Recognition SystemAbstractWith the development of the Inte
4、rnet of Things, big data and artificial intelligence, there are higher requirements for voice recognition, which also means that the household products in our lives are becoming more and more intelligent, entering all aspects of our lives, we as consumers , The quality of life has been improved. The
5、 intelligentization of home appliances has become a necessary trend in the development of the home appliance market. In order to achieve more humanity, save resources and provide more portable services, it is very necessary to realize all-round information interaction in life! Electric water heaters
6、, which are often overlooked, have huge development prospects in terms of intelligent development. In addition to satisfying a certain degree of comfort, at the same time, it also hopes to achieve voice intelligence, but the existing water heaters on the market are mainly storage type electric water
7、 heaters and instant water heaters. Among them, the storage type electric water heater is widely used, because its advantages are more in line with the requirements of home installation, so this has a certain mass base for the replacement of products. Based on the storage water heater, it has been i
8、mproved and increased in function, combined with a voice recognition system, mainly including the following content.According to the introduction of the main algorithms of speech recognition, after further analysis, after understanding the principles of different algorithms, the operation difficulty
9、 of several algorithms is compared, and combined with the main body of the design to select the appropriate algorithm. For the main body of the design, the storage type electric water heater participated in the scheme design, introduced its structural design, related to speech recognition, water tem
10、perature control and water level control, related adjustments,The algorithm based on dynamic time warping first extracts the voice content, uses the computers sound card collection, digitizes and preprocesses the collected voice, and at the same time, it is also crucial for the detection of voice en
11、dpoints. Feature extraction of speech to obtain the required content, and finally training and recognition, through experimental verification, this method can initially achieve speech recognition, to achieve the basic operation of electric water heaters by voice control, to meet daily needs. Improve
12、d comfortKeywords: Water storage electric water heater; intelligent control; voice recognition system; energy saving and heat preservation; dynamic time warping algorithm 目 录1 前言81.1 本设计的目的和意义81.2 本设计的发展现状与趋势91.2.1 本设计的现状91.2.2 本设计的发展趋势101.3 本设计的研究内容和目标122 语音识别系统工作原理132.1 主要算法132.1.1 动态时间规整132.1.2 隐
13、马尔可夫172.1.3 人工神经网络182.1.4 深度神经网络192.2 本章小结213 热水器的总体方案设计223.1 总体方案介绍223.1.1 结构设计223.1.2 温度控制系统223.1.3 水位监测系统233.2 语音识别系统方案设计243.3 本章小结254 基于动态时间规整的语音识别算法实现264.1 语言学知识264.2 语音识别系统软件流程图264.3 语音信号的数字化和预处理274.3.1 数字化274.3.2 预处理284.4 端点检测314.5 特征参数提取314.6 训练和识别324.7 语音识别系统实验验证324.8 本章小结335 总结与展望345.1 总结3
14、45.2 展望34参考文献35谢辞36附录371 前言由于目前我们生活水平的提高,加上科研专家的不断研发,以及商家的营销,我们的生活中已经被各式各样的智能家居所包围,与此同时,作为生活中的必备品热水器,有着不可捍卫的坚固地位,小到家庭,大到酒店,热水器已经是装潢的必备产品之一了,但是早期由于燃气热水器的安全性有所欠缺,且燃气热水器所引起的爆炸、中毒事件,数量庞大,也使得人们对燃气热水器具有一定的恐惧心理,加上燃气热水器的安装条件有限制,对水压有较高的要求,而普遍的家用水压较难达到这个要求,导致燃气热水器逐渐的被市场淘汰。取而代之的就是电热水器。由于电热水器在中国的市场已经发展了十多年,在其经历
15、过一段不尽人意的市场后,在二十世纪90年代末,有部分国外品牌发现了我们中国的市场,开始向国内引进,由于国外品牌的进入,开始转而关注电热水器,相比燃气热水器,电热水器的有点显而易见,他的安装方式对技术没有很高的要求,在使用上更简洁方便,最重要的就是,不会产生大量的废气,避免了空气的污染,同时也避免了中毒的危险,更安全更卫生,不仅如此,还能适应天气的变化。目前,市面上销售的大部分电热水器已经能够基本满足生活的需求,然而学者们不断的完善的已有的产品,力求其更安全,更智能,更稳定。对于电热水器的水温控制、水位系统以及储水容量等设计方面,目前在我国专家的不懈努力下,已经取得了很大的成就,并且一直在不断完
16、善和开发新功能1.1 本设计的目的和意义随着我们对物质生活水平的要求逐渐不断提高,以及对生活舒适性的要求越来越高,许多智能家居控制系统已进入我们的生活。但由于热水器种类众多,控制方式不统一,因此智能家居控制系统很少包含对于热水器的控制模块。现今,燃气式热水器出现的问题越来越明显,水压受限,较差的安全性能,频繁的出现过因为废气中毒、燃气爆炸等事故,导致燃气热水器渐渐退出市场,而天气的原因,对太阳能热水器的影响较大,也逐渐被市场淘汰。目前市场上主要是有两种电热水器。 当代年轻人比较少有人知道的是连续水流式电热水器,另一种就是我们生活中,家庭装潢首选的储水式电热水器。连续水流式电热水器之所以鲜为人知
17、的一个原因就是,它的缺点非常明显,它所需的功率相比器家庭中,是非常大的,因此对路线要求很高,但是它的优点也十分显著,对于水温的加加热速度非常快,实用性很高,而且它的体积娇小,不占过多的地方,但是它的。而储水式电热水器吸取了流水式电热水器的使用经验,尽可能地避开了它的设计缺点,采用了机械式的设计方法,但鱼与熊掌不可兼得,这样设计的所带来的问题也比较多,对于温度的控制过于简单,同时设计精度低、加热的时间偏长、并且,它的功能单一,无法做到多功能。但将两者进行相比过后,绝大部分家庭更倾向于购买储水式电热水器,毕竟作为生活必须品,它具安全,更符合家装要求,因此,储水式电热水器比流水式电热水器在家装方面更
18、具有市场,相比之下,应用也更广泛,但节能,智能控制等方面仍有待提高,同时,市面上大部分的储水式热水器着重于提高储水量,而忽略了对热水器的智能化和个性化的需求。为满足人们对高质量生活的需求,以及处于环保节能的倡导理念下,有必要对于储水式电热水器进行改良,使其温度控制系统要求更高,更加的节能,更加方便人们在使用过程中对热水器的智能控制。当热水器在不用的时候,可以及时的关闭,以及防止热量在散发的过程中导致的浪费。当热水器在使用的时候,可以做到人性化的使用,提高使用的舒适度。1.2 本设计的发展现状与趋势1.2.1 本设计的现状经过近十多年的一个发展,电热水器在整个技术上取得了持续性的进步,例如,大众
19、比较了解的防电墙、防电门的创新技术,在专业领域所熟知的3D快速加热,变频功能的扩展等等,类似这样的创新性产品逐渐在行业后再蔓延开来。我们最关注安全性,节能,加热速率,出水量等,也在不断改进。对目前的电热水器的市场进行查阅后,电热水器的主要市场以储水式电热水器和水流式电热水器各占据半壁江山。一种是被广泛的运用于家庭中的储水式电热水器,它的显著特征在于他的容量选择上,据销量显示,选择50L的居多,小户家庭由于空间受限,更看重储水式电热水器的空间占比,倾向于选择较少的储水量,例如40L,也有家庭人员较多,空间较充裕的就选择更大的出水容量,例如60L,甚至高达到100L以上,家用一般都是40L-60L
20、。由于储水式热水器的加热管采用的是低功率,导致每次使用前的,预热时间较长,早期的热水器加热需要高达1个小时及以上,如今部分热水器的加热时间可以缩短到40-60分钟,也加入了预约加热等功能,但仍然不便于人们的使用,同时,在节能节水方面,仍然有待提高。另外,使用过程中,大部分热水器没有考虑到用户体验,也需要加以改善。而水流式电热水器,具有小巧,即热快的优点,主要是弥补了储水式电热水器的缺点,借助加热管的高功率,冷水被快速加热,水温升温很快,因此可以做到立即打开和关闭的效果,以此来节约用水。 但是,由于使用大功率加热管,使用条件有限,必须使用专门的线路还能安装,对出水量的要求也很多,出水量不能过大,
21、会影响使用效果。因此储水式电热水器更广泛的运用于家庭。随着技术的不断进步,人工智能近年来发展迅速。不知不觉中,人工智能已经进入我们的生活每一个地方,从Apple手机中的Siri到无人机和无人驾驶车辆。 都是体现了人工智能的应用。 而语音识别技术作为一项含有高科技的技术,实现过程看似简单,但实际操作也十分复杂,对使用的机器是有所要求的,需使用特定的产品,通过对语音进行识别,然后分析以及理解,将机器所得到的语音信号进行一个转换,从而得到相应的文本或命令,进而执行。这对于计算机而言,语音识别的存在,就好比是我们人的耳朵,大脑和嘴巴配合着工作一样。属于人工智能中极其重要的一部分。中国的语音识别研究要从
22、上世纪五十年代开始,由于近年来需求猛增,促使了发展迅猛。我国的研究水平已经走出实验室了,逐渐走向国际。在上世纪八十年代。我国实施国家863计划开始,我国的专家组为此特别设立了语音识别技术研究的项目,据了解,这个语音识别研究项目每两年进行一次。在专家们和各项人才的研究下,中国的语音识别技术的研究水平基本已经赶上了国外水平。其次,中国语音识别技术体现了独特的功能和优势,例如方言等等,甚至可以说,已经达到了国际先进水平。据了解,我国的几所知名院校,例如清华大学、北京大学、哈尔滨工业大学等,对语音识别技术这方面都有进行过深入的研究。清华大学电子工程系的一个研究组,经过不断的研究,已经开发出一种非特定人
23、的中文数字字符串连续语音识别系统,部分识别精度高达98.7。这是目前国际上最好的识别结果之一,几乎接近实用水。1.2.2 本设计的发展趋势语音是大规模环境中语音识别研究的主题之一。 它不仅仅作为语音信号处理的一个重要研究方向,还是模式识别的一个分支。 它做涉及的领域非常广泛,包括人类生理学,心理学,语言学,计算机科学,计算机信号处理,甚至人类语言(例如人与人之间的交流时)。此技术可以用来帮助我们理解时对方的面部表情,手势和其他行为,但都是朝着以一个方向,其最终目标是实现人与机器之间的自然语言交流。语音识别技术正在迅速普及,为更多用户提供了方便自然的交互体验。语音识别技术目前已在移动互联网得到广
24、泛的应用了,而可穿戴、智能家居、智能汽车等领域的也已经开始应用了语音识别技术,并且越来越多的其他智能产品终端也开始引入语音功能。伴随着网络的快速发展,目前5G高速网络及大数据服务平台的广泛应用,语音识别技术的发展有望从“听/说”的初步应用发展到能够“理解/思考”的人工智能,如果能实现这一技术,用户体验效果将得到很大幅度的提升,从而迎来更大的发展机遇期。新技术,新产品和新服务(例如可穿戴设备,智能家居和无人驾驶汽车)将使用语音作为人机交互设计和开发的手段。智能语音识别技术将影响新兴产业数万亿美元的发展。在围绕智能语音技术开发新产品和服务的过程中,对产业链中的所有环节,可能会进行重新调整,从制造商
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