Windows 10 IoT Serials 5 - 如何为树莓派应用程序添加语音识别与交互功能

    都说语音是人机交互的重要手段，虽然个人觉得在大庭广众之下，对着手机发号施令会显得有些尴尬。但是在资源受限的物联网应用场景下（无法外接鼠标键盘显示器），如果能够通过语音来控制设备，与设备进行交互，那还是很实用的。继上一篇《Windows 10 IoT Serials 4 - 如何在树莓派上使用Cortana语音助手》之后，本文将详细讲述如何为运行Windows 10 IoT Core系统的树莓派添加语音识别和语音交互功能。

1. 硬件准备

• 树莓派2/树莓派3、5V/2A电源、TF卡(8GB以上)
• 麦克风：Microsoft LifeCam HD 3000（该摄像头集成了麦克风），也可以使用其他麦克风，如Blue Snowball iCE Condenser Microphone, Cardioid, Sound Tech CM-1000USB Table Top Conference Meeting Microphone
• 受控对象：这里以两个LED灯为例。用户可以根据实际需求添加受控对象，比如添加继电器模块以后，可以控制强电设备。
• 音频输出设备（可选）：Windows 10 IoT Core系统的树莓派只支持3.5mm接口的音频输出，HDMI的音频输出不支持。所以，可以接一个普通的3.5mm接口的耳机就可以。
• 显示设备（可选）：可以接HDMI接口的显示器，或者使用有源HDMI转VGA模块，转接VGA接口的显示器。

    注意，这里音频输出设备和显示设备是可选的，并不是必须的。

2. 硬件连接

    这里将LED连接到树莓派的GPIO5和GPIO6两个引脚，同时，把麦克风设备插入到树莓派的USB接口。如果准备了音频输出设备（如耳机或音响）和显示设备（显示器），请连接到树莓派的3.5mm音频接口和HDMI接口。

3. 程序编写

    本应用程序使用的开发环境是Windows 10+Visual Studio 2015 Community，注意，Visual Studio需要包含Universal Windows App Development Tools组件。

3.1 新建工程和添加资源

    新建工程时，选用Universal模板，工程命名为RPiVoiceControl，如下图所示。

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    因为要用到GPIO引脚控制LED，所以需要为工程添加Windows IoT Extension for UWP引用，如下图所示。

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    由于需要使用Microphone，所以需要在工程的Package.appxmanifest文件中，勾选Microphone，如下图所示。

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    另外，由于需要使用到语音识别、LED和UI控件等资源，需要为应用程序引入命名空间，如下：

    using System;     using System.Diagnostics;     此处省略若干…

    using Windows.Devices.Gpio; //LED     using Windows.Media.SpeechRecognition;//语音识别     using Windows.Media.SpeechSynthesis;     using Windows.Storage;     using Windows.ApplicationModel;

3.2 新建语音指令定义文件

    为项目添加新的xml文件，命名为Grammar.xml，用于定义语音指令。项目中用到的语音指令符合Speech Recognition Grammar Specification Version 1.0 (SRGS)标准，其具体协议可以参考MSDN上的这个文档：Create Grammars Using SRGS XML (Microsoft.Speech)。

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    之后，打开该文件，为其添加如下语音指令。

<?xml version="1.0" encoding="utf-8" ?> <grammar   version="1.0"   xml:lang="en-US"   root="automationCommands"   xmlns="http://www.w3.org/2001/06/grammar"   tag-format="semantics/1.0">

  <rule id="root">     <item>       <ruleref uri="#automationCommands"/>       <tag>out.command=rules.latest();</tag>     </item>   </rule>

此处省略代码，具体请参考Github上项目的完整代码。

  <rule id="deviceActions">     <one-of>       <item>         light <tag> out="LIGHT"; </tag>       </item>       <item>         led <tag> out="LED"; </tag>       </item>     </one-of>   </rule>

</grammar>

3.3 程序界面设计

    如果不准备给树莓派接显示器的可以直接忽略这一步，如果需要在程序运行过程中查看状态的，可以加入一些简单的控件，这里只是加入了两个指示LED灯状态的Ellipse 控件、两个指示程序运行状态的TextBlock 控件和一个MediaElement 控件，代码如下。

<Grid Background="{ThemeResource ApplicationPageBackgroundThemeBrush}">        <StackPanel HorizontalAlignment="Center" VerticalAlignment="Center">            <Ellipse x:Name="bedroomLED" Fill="LightGray" Stroke="White" Width="100" Height="100" Margin="10"/>            <Ellipse x:Name="kitchenroomLED" Fill="LightGray" Stroke="White" Width="100" Height="100" Margin="10"/>            <TextBlock x:Name="GpioStatus" Text="Waiting to initialize GPIO..." Margin="10,50,10,10" TextAlignment="Center" FontSize="26.667" />            <TextBlock x:Name="VoiceStatus" Text="Waiting to initialize Microphone" Margin="10,50,10,10" TextAlignment="Center" TextWrapping="Wrap" />            <MediaElement x:Name="mediaElement"></MediaElement>        </StackPanel>    </Grid>

3.4 后台代码

    后台代码中，首先需要定义应用程序使用的资源对象，如GPIO、画刷、定时器、部分代码如下，

private const int BedRoomLED_PINNumber = 5; private GpioPin BedRoomLED_GpioPin; private GpioPinValue BedRoomLED_GpioPinValue; private DispatcherTimer bedRoomTimer;

private const int kITCHENLED_PINNumber = 6; private GpioPin kITCHENLED_GpioPin; private GpioPinValue kITCHENLED_GpioPinValue; private DispatcherTimer kITCHENTimer;

private SolidColorBrush redBrush = new SolidColorBrush(Windows.UI.Colors.Red); private SolidColorBrush grayBrush = new SolidColorBrush(Windows.UI.Colors.LightGray);

    然后，在MainPage的构造函数中，添加资源的初始化，部分代码如下：

public MainPage() {             this.InitializeComponent();             Unloaded += MainPage_Unloaded;

            // Initialize Recognizer             initializeSpeechRecognizer();

            InitBedRoomGPIO();             InitKITCHENGPIO();

            bedRoomTimer = new DispatcherTimer();             bedRoomTimer.Interval = TimeSpan.FromMilliseconds(500);             bedRoomTimer.Tick += BedRoomTimer_Tick;

            kITCHENTimer = new DispatcherTimer();             kITCHENTimer.Interval = TimeSpan.FromMilliseconds(500);             kITCHENTimer.Tick += KITCHENTimer_Tick; }

    在initializeSpeechRecognizer函数中，完成语音识别状态改变事件的添加、语音指令文件的加载，部分代码如下：

private async void initializeSpeechRecognizer() {     // Initialize recognizer     recognizer = new SpeechRecognizer();     // Set event handlers     recognizer.StateChanged += RecognizerStateChanged;     recognizer.ContinuousRecognitionSession.ResultGenerated += RecognizerResultGenerated;     // Load Grammer file constraint     string fileName = String.Format(SRGS_FILE);     StorageFile grammarContentFile = await Package.Current.InstalledLocation.GetFileAsync(fileName);     SpeechRecognitionGrammarFileConstraint grammarConstraint = new SpeechRecognitionGrammarFileConstraint(grammarContentFile);

    // Add to grammer constraint     recognizer.Constraints.Add(grammarConstraint);

    SpeechRecognitionCompilationResult compilationResult = await recognizer.CompileConstraintsAsync();     Debug.WriteLine("Status: " + compilationResult.Status.ToString());

    // If successful, display the recognition result.     if (compilationResult.Status == SpeechRecognitionResultStatus.Success)     {         Debug.WriteLine("Result: " + compilationResult.ToString());

        await recognizer.ContinuousRecognitionSession.StartAsync();     }     else     {         Debug.WriteLine("Status: " + compilationResult.Status);     } }

    之后，添加RecognizerResultGenerated和RecognizerStateChanged两个事件的处理，主要用于语音识别结果和状态发生变化的处理。部分代码如下： private async void RecognizerResultGenerated(SpeechContinuousRecognitionSession session, SpeechContinuousRecognitionResultGeneratedEventArgs args) {     // Check for different tags and initialize the variables     String location = args.Result.SemanticInterpretation.Properties.ContainsKey(TAG_TARGET) ?                     args.Result.SemanticInterpretation.Properties[TAG_TARGET][0].ToString() :                     "";

    String cmd = args.Result.SemanticInterpretation.Properties.ContainsKey(TAG_CMD) ?                     args.Result.SemanticInterpretation.Properties[TAG_CMD][0].ToString() :                     "";

    String device = args.Result.SemanticInterpretation.Properties.ContainsKey(TAG_DEVICE) ?                     args.Result.SemanticInterpretation.Properties[TAG_DEVICE][0].ToString() :                     "";

Windows.ApplicationModel.Core.CoreApplication.MainView.CoreWindow.Dispatcher.RunAsync(Windows.UI.Core.CoreDispatcherPriority.Normal, () =>     {         VoiceStatus.Text= "Target: " + location + ", Command: " + cmd + ", Device: " + device;     });

       switch (device)     {         case "hiActivationCMD"://Activate device                               SaySomthing("hiActivationCMD", "On");             break;

        case "LIGHT":             LightControl(cmd, location);             break;

        default:             break;     } }

// Recognizer state changed private async void RecognizerStateChanged(SpeechRecognizer sender, SpeechRecognizerStateChangedEventArgs args) { Windows.ApplicationModel.Core.CoreApplication.MainView.CoreWindow.Dispatcher.RunAsync(Windows.UI.Core.CoreDispatcherPriority.Normal, () =>     {         VoiceStatus.Text = "Speech recognizer state: " + args.State.ToString();     }); }

    定义函数SaySomthing，用于反馈的语音生成，这样，用户就可以听到树莓派的语音反馈了。部分代码如下：

private async void SaySomthing(string myDevice, string State, int speechCharacterVoice = 0) {     if (myDevice == "hiActivationCMD")         PlayVoice($"Hi Jack What can i do for you");     else         PlayVoice($"OK Jack {myDevice}  {State}", speechCharacterVoice);     await Windows.ApplicationModel.Core.CoreApplication.MainView.CoreWindow.Dispatcher.RunAsync(Windows.UI.Core.CoreDispatcherPriority.Normal, () =>     {         VoiceStatus.Text = $"OK -> ===== {myDevice} --- {State} =======";     }); }     最后，在两个定时器的溢出事件处理中，加入对LED灯的处理，部分代码如下：

private void BedRoomTimer_Tick(object sender, object e) {             if (BedRoomLED_GpioPinValue == GpioPinValue.High)             {                 BedRoomLED_GpioPinValue = GpioPinValue.Low;                 BedRoomLED_GpioPin.Write(BedRoomLED_GpioPinValue);                 bedroomLED.Fill = redBrush;             }             else             {                 BedRoomLED_GpioPinValue = GpioPinValue.High;                 BedRoomLED_GpioPin.Write(BedRoomLED_GpioPinValue);                 bedroomLED.Fill = grayBrush;             } }

4. 应用调试

   在Visual Studio中设置编译的平台为ARM，调试设备为Remote Machine，在Debug选项卡中，设置树莓派的IP地址，点击调试。如下图所示。

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    程序运行以后，用户可以通过语音指令与树莓派进行交互。

    首先，用户可以使用“Hi Jack”与设备交互，可以听到设备有回复，用于确认应用程序是否正确运行。

    其次，用户可以使用“Turn On/Off Bedroom Light”和“Turn On/Off kitchen Light ”来控制两个LED灯，同时，在应用程序的界面上还可以看到灯的状态和语音识别的状态，如下图所示。

Screenshot

    应用程序运行的实物图如下：

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5. 代码下载 

  本项目的代码已经发布到Github上，链接如下：https://github.com/shijiong/RPiVoiceControl，欢迎下载使用。