《Natural Language Processing based Context Sensitive, Content
Specific Architecture amp; its Speech based Implementation for Smart Home Applications》
Abstract
The one of the upcoming research stream of Computer Science and Engineering is Natural Language Processing (NLP), which is widely being used in design of Interfaces for Human-Computer Interaction. One of the basic applicati-ons of NLP, is design of “Smart Homes”, in which; based on user input certain actions can be performed either locall-y inside the house or globally outside the house. The smart homes designed are either based on remote input pro-vided to the system from one place in the house or limited to only certain type of actions which the system can handle. The current state of art of the Smart Home design methodologies, does not incl-udes the design of customized systems capable of handling inputs from different gender i.e., in different pitches, simil-arly the methodologies does not provides facilities to handle input in different language. T he systems exist-ing are not capable of understanding the context of situation and determining actions based on context.
The paper describes a Smart Home application which can be used by elderly people living alone in the home t-o serve their basic needs, which specifically includes security issues. The system is initially based on generic architect-ure, and can be further customized to user needs. The main component of the generic architecture is ability to fix a certain language or set of
languages in which the input will be provided to the system. This enables the user to interact with the system in mu-ltiple languages, thus the specific instruction set is not limited to one language. The interface designed is base-d on speech input, can handle multiple languages and is not gender specific. The system designed is also “Context Specific”, to understand the context of current state in which input is given to the system and perform the necessary action. The context understanding feature makes the system more specific to understand th-e urgency of action to be performed based on input. The system can deployed for a building incorporating a wire-less sensor network, and provide a high quality, efficient context-sensitive data transmission facility.
Keywords: Smart Homes, Natural Language Processing, Prosody detection, Context specific, Sensor net-works, Data transfer.
1. Introduction.
The technology has played major role in improving quality of life. The smart home application aim-s at the integration of technology and services in the household environment.
for the improvement of the quality of life, safety and security as well as the communication possibilities with t-he outside world [3]. This aspect plays important role when the elderly peoples are living alone in the hous-e. With sufficient support of technology, even in the old age the persons can remain in their well known living enviro-nment and maintain the social relations with their known ones as well as keep their independence [1,2]. The s-mart home applications can compensate the deficits encountered with advancing age such as decrease in physical st-rength, hearing and visual ability with suitable technical aids and systems.
The system deals with the development of local and global communication networks in the personal environmen--t and its applications. The major focus is on use of new communication facilities such as videophones, ip-phones, e-m-ergency call system and speech communication devices [8]. Further the system is also capable of controlling household technologies and environmental factors such as light, temperature and air humidity with the main aim to achieve an optimum adaption of the needs of older peoples.
The paper majorly describes the design methodologies, findings and results for user interfaces with inte--grated speech processing modules. The system designed has basic facility to recognize the speech input so as to a-ut-henticate the user [6]. The speech interface handles the user registration process; recognize the voice amp; pitc-h of voice, language in which the command is provided. The applications and acceptance aspect of relevant tech-nical solutions are also discussed.
In order to handle context in which the command is issued to the system, the architecture of the system ha-s been designed to provide context-sensitive services in a smart building environment. The speed of data tran-sfer is increased by handling data is wireless environment using wireless protocols [5].
The paper is divided in various sections. In section 2 the architecture of Smart Home Application Syste-m is described. In section 3 the implementation details of the architecture are described. In section 4 the voice cont-rolled user interface is described and in section 5 its implementation is described. In section 6, the various issu-es regarding design of speech interface is discussed. In section 7, conclusion and in section 8, references are disc-ussed.
2. Architecture of Smart Home Application System
The architecture of Smart Home Application System is based on controlling both local services of houseand as well as global services required in general. The architecture is self sufficient to understand the type of se-rvice and necessary action to be performed for the service. Since the entire system and application is meant fo-r old age peoples, who are not very much acquainted with the technological aspect of the system, while designing t-he architecture the user ability to handle to system is ma
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《有关于智能家居，基于具体环境的自然语言处理，具体架构内容和语音基础实现》
摘要
一个即将到来的研究计算机科学与工程是自然流语言处理(NLP),广泛用于为人类—计算机交互设计的接口。NLP的一个基础应用,是“智能家居”的设计。不论是在内部本地或者是外部，在用户输入的某些确信的行为就能被执行。智能家居设计是基于在家中的一处进行远程输入提供给系统或处理仅限于某些特定类型的行为。智能家居的当前状态的艺术设计方法,不包括自定义的设计系统能够处理来自不同性别的输入。也就是说在不同的情况下,（相似地，）这些方法不能够处理不同的语言输入。现有的系统不具备的了解具体语言情景,基于环境来决定行动的能力。
本文描述了一个智能家居的应用,可以满足老年人在家独自生活的基本需求，尤其包括安全问题。系统最初是基于通用的体系结构,可以进一步定制的用户需求。 通用体系结构的主要组件是能够处理一种特定语言或设置语言，作为输入提供给系统。
这使得用户能用多种语言进行与系统的交互,因此,特定的指令集并不局限于一种语言。界面设计是基于语音输入,可以处理多种语言，并不是特定的。系统设计也是符合情景的,理解命令输入系统时的当期情景来执行必要的操作。上下文理解特性使得系统更具体的了解。对特定情景的理解是的系统能够更确定的去理解被输入命令所要执行的行为。系统可以结合无线传感网络部署在建筑中，提供一个高质量高效的对环境情景敏感的数据传输网络。
关键词:智能家居、自然语言处理、韵律检测、结合情景的传感器网络,数据传输。
1、引言
科技在提高生活质量中扮演了主要角色。智能家居应用旨在集成家居环境的技术和提供家庭环境服务。
为了提高生活,安全以及与外部通信的质量[3]。尤其当老人独自生活在房子里时，这些方面将变的举足轻重在足够的科技支持下，老人也可以留在他们熟悉的生活环境中和维护与他们熟悉的人的社交关系以及保持自身的独立性[1,2]。智能家居应用可以使用适当的技术援助系统来弥补人们年龄增长而导致的体力、听觉和视觉能力下降。
系统随着本地和全球通信网络在个人环境和它的应用发展而发展。主要的焦点是在使用的新通信设备如视频电话、ip电话、紧急呼叫系统和语音通信设备[8]。进一步的系统也有能力使用家庭系统技术去控制家庭环境因素如光、温度和空气湿度来实现达到一个最佳的环境以适应老年人的需要的主要目的。
本文主要描述了设计方法,集成语音处理模块来作为用户接口的决定。系统设计有一个基本装置来识别语音输入,验证用户[6]。语音接口处理用户注册过程;识别到声音和音调的声音,命令的语言种类。也讨论了应用程序和接受方面相关的技术解决方案。
为了处理在适合环境下发送给系统的命令，系统架构已经被设计在一个小的建筑环境下提供结合情景的服务。通过在无线环境使用无线协议增加来数据的处理速度来提高数据传输速度[5]。
这篇论文分为不同的部分。在第二节讲述智能家居的体系结构应用系统。在第三节架构的实现细节描述。在第四节语音控制的用户界面,在第五节描述实现描述。在第6节,各种问题讨论了语音界面的设计。在第七节阐述了结论以及第八节是引用了的文献条目。
2、智能家居的体系结构应用系统
智能家居应用系统的架构设计是基于通常情况下本地服务以及全球服务的控制需要。架构能够自主理解的服务类型
和服务说需要的必要执行行为。既然整个系统和应用是为那些对系统技术方面所不了解的老人服务的。因此在设计的体系结构时，用户能够去使用系统是主要考虑的。
一个在老人们之间进行的对智能家居环境的适应的调查来了解他们的意见关于使用智能家居的观点,在以下点:
- 对不能操作的忧虑
- 难以认识到科技的优点
因此,智能家居应用的成功引入取决于能够去实现老人们的需求和要求的程度。因此这个问题需要从社会科学角度彻底检验。因此,设计应该是在效率、可靠性和轻便方面是令人信服的,这需要高水平的人体工程学、设计和构造上的完美。
智能家居的应用程序体系结构的必要先决条件是个人网络和传输媒体环境的发展。主要需要的是整合所有组件体系结构。有两种类型的组件:活动组件，由参与者使用系统代表和被动元件由网络设备(开关、传感器、路由器)代表。这些组件由总线系统集成在一起。组件以双股电缆(六类) ,无线环境(接入点和天线)和电力供应线的形式组成的传输媒介来连接在一起。
以下是在智能家居应用程序的体系结构的主要的问题
1)集成:系统的组件应该集成操作平台。系统中有两种不同类型的组件,有线和无线。需要单独使用接口操作这些组件作为基础。
2)视觉显示:系统的结果应该能直观显示出来。显示应该是清晰并具有高分辨率。如果系统是为安全目的定制的，那么也将提供的操作请求的细节或是连续的图片。同样，如果将执行来自外部的某些服务，那么将现实操作执行的结果。例如,如果有某些银行交易操作被请求,那么显示将这些操作的结果。
3)远程输入装置:该装置是系统用户界面。有了这个设备用户可以访问应用提供的各种服务。这些设备能够根据用户需要来提供本地服务、远程服务和安全问题服务等
《传感器的智能家居技术》
摘要
智能家居是一个配备了科技的住宅能够观测住户以及提供主动式服务。最近,它引入了一个潜在的解决方案来帮助独立生活的残疾人和老年人,以及减轻家庭照顾者和卫生服务提供者的工作负载。智能家居提供的一个关键特性是它能够监视居民的日常生活和保证活动安全,并在检测他们每天日常活动中的变换。随着廉价低功耗传感器、收音机、和嵌入式处理器的普及,目前智能家居通常配备大量的网络化传感器来协作来获得过程中通过住户的行为表现来产生的数据进行处理。本文综述有关于环境探测和基础设施介导的传感器技术应用于智能家居。本文还指出不同传感器技术的优点和局限性,以及从直观、技术、和道德视角讨论挑战和机遇,。传感器技术的智能家居解决实际需求与最终用户,他们的家人和护理人员,他们的医生和治疗师利益相关。在这些传感器应该被广泛部署到实际住宅设置和成功地融入日常生活和医疗保健服务之前，有必要需要更多的对智能家居的适当性、有效性和成本效益分析的传感器技术的证据。
2、材料和方法
三种类型的传感器技术已经证明有能力解决感测在智能家居中的人类活动问题,包括让居民穿戴可穿戴设备,将传感器分布在环境中的直接环境探测组件,和那些现有安装了传感器的基础设施协调系统。传感器所穿的居民可以嵌入到衣服,眼镜,鞋,手表,或者直接放置在身体中(14、15)。他们监测人的生理状态或运动。例如,可穿戴加速器可以用于检测和识别人体活动[16]和穿戴RFID(射频识别)设备的读者可以用来检测与标记对象[17]。直接环境探测组件通常由一组传感器和一个关联的传感器网络(有线或无线)来传输数据到一个融合传感器数据来进行推倒和执行的集中监控系统 [12]。基础设施的系统利用现有的国内基础设施如管道或电气系统来协调[18]。本文专注于直接环境探测组件和基础设施系统技术。本文献综述在专家审查下出版工作。搜索被限制在期刊文章,期刊的章节,会议用英语写和学报》发表在2000年和2010年之间。以PubMed、IEEE Xplore作为关键词来进行了搜索或者使用谷歌的搜索引擎。关键词包括:“智能家居”、“智能环境”、“智能环境”,“传感器技术”,“无处不在的感觉”,“无线传感器网络”、“基础设施介导感应”,“RFID”、“活动识别”、“环境意识”,“智能家电”,”运动探测器”,”二进制传感器”,”接触开关”,“视频传感器”、“隐私”,“道德问题”。这些关键词可以单独使用或结合使用。
3、智能家居所使用的传感器技术
现在很多智能家居采用无处不在的传感器的概念即一个有大量传感器集成的传感器网络来处理获得许多多样的数据流。这些传感数据是分析识别和测控一些在日常生活活动居民的行为如洗澡、穿衣,准备吃饭,吃药的基本。这种方法能使智能家居去捕获可能反映出身体和识别健康状况的数据，然后当人们的身体行为开始偏离一些正常的行为和发生一些典型行为时能够识别判断出可能的问题或者是否需要干预。
3.1。直接环境探测
直接环境探测通常基于许多遍布环境的二进制传感器,摄像机和射频识别技术。这种类型的传感可以对实际活动和环境进行直接的探测,但是成本比较复杂[18]。安装和维护成本高昂,尤其是在处理安装在现有环境下。在摄像机的使用方面还有存在着隐私问题 [20]。最后,，在单一环境下的多人活动还不能够充分检测。
3.1.1
那些对象的状态或运动用一个数字“1”或“0”来表示进行简单的检测的二进制传感器是智能家居中常用的一个特定类型的传感器。应用在智能家居中的各种类型的二进制传感器包括运动探测器,压力传感器,接触开关。运动探测器和压力传感器通常用于检测居住者是否在房子中以及所处的位置[21]。例如,在阿尔伯塔省的智能公寓使用十三个隔开的被动红外运动传感器赖在整个公寓找到主人所处的位置[12]。TigerPlace,一个帮助退休人员的退休社区,在洗澡时使用放置在天花板上的运动传感器来检测洗澡行为[22]。在日本的The Ubiquitous Home使用检测了18厘米times;18厘米二进制压力检测单元遍布于整个公寓的地板上来跟踪居民位置和检测家具位置[6]。在智能家居中接触开关通常是安装在门前、橱柜和电器来提供一些主人执行对象的特定的交互信息。例如, The Ubiquitous Home安装了131接触开关来检测门和抽屉的开关状态[6]。Majeed and Brown通过在六个一般的活动之一,比如睡觉,准备吃饭,接待访客中的模糊规则来分类来自开关和接触运动传感器的数据记录[23]。简单的二进制传感器的优点包括成本低,安装方便,和触犯较低的隐私问题。然而,这些传感器只提供在一个抽象的层面上的信息,当进行推断活动时的得到的信息时非常有限的[21]。例如,它是不可能推断出橱柜里取出的具体东西只需知道橱柜的状态。
3.1.2。摄像机
摄像机被认为是信息量丰富的传感器，它为人类观察或计算机处理提供了丰富的信息来源。然而, 相比简单的二进制传感器，它们通常会引入更多关于存储需求和信息提取的技术挑战,以及社会隐私问题 (20,24)。塔巴等人使用三个网络相机在一个房间里来为一个可穿戴的加速度计作补充检测。当加速度计检测到下降触发的信号，这些摄像机也会被触发,而实时图像处理被用来分析数据和估计主人的姿态。通过这个设置，当没有需要传输的图像数据时能够保护主人的隐私,而且帮助减少因为敏感的加速度计信号造成的假警报的数量 [25]。TigerPlace团队使用一个事件驱动的视频传感器网来络追踪再检测范围的相关数据,并去检测触发[5]。为了保护居民的隐私,他们开发了算法来识别图像并提取轮廓的一个移动的人。PlaceLab,一个在居住者家普适计算的技术实验室, 在他们的公寓的橱柜和办公桌子以及厨房柜台等工作表面，安装了九个红外摄像机, 九个彩色摄像机, 十八个麦克风。在运动和摄像机的环境布局下，使用图像处理算法从四个视频流和音频流中选择一个最能捕获一个居住者的行为。这些数据流与其他传感器数据同步并保存一台便携式磁盘驱动器中[8]。
3.1.3。无线电频率识别(RFID)
射频识别是一种通过使用无线电波在接收者和电子标签之间交换数据出通信技术。当询问一个RFID读写器,标签响应并携带一个在信息中储存的惟一的标识符。通常有两种类型的射频识别标签,,被动标记,没有电源,往往附加到对象检测用户对象的行动中和包含一个电池并能提供更大的范围的主动RFID标签, ,并能作为个人识别被人携带。限制射频识别技术的主要的因素是其可靠性和稳定性尤其是通过液体或金属时。尽管如此,RFID标签能被放在视野之外并且能被跟踪多个目标使其很适合智能家居的应用。本节提供两个例子来展现RFID标签和阅读器和标签如何在环境中检测用户对象交互。短吻鳄科技智能房屋使用基于射频识别技术的SmartPlug系统和SmartWave系统。在SmartPlug系统中,每一个在房子里的电气设备电源插座如灯或收音机的插头配备了RFID读写器和射频识别标签。当一个设备插入一个插座,插座的RFID读写器读写标签和发送数据到主计算机。计算机能够直接识别每个设备及其位置,并且能够进行控制[26]。在国内，对电能使用的监控设备可以在居住者的生活方式方面提供有价值的信息以及帮助检测出可能由功能下降造成的失常。SmartWave system系统是用于烹饪系统中的微波系统,一个RFID阅读器放在工作台面下从数据库中扫面识别出需要烹饪的是哪些食物,并根据指令来自动进行微波烹饪[27]。
3.1.4。其他传感器
各种其他传感器可以部署在智能家居中来帮助推断问题并触发自动服务[8,22,28 - 30]。与简单的二进制传感器相比，这些传感器通常能提供更具体的信息但比摄像机提供更少的细节。PlaceLab使用34个温度传感器,10个湿度传感器、光传感器,和一个气压传感器来捕获和调整公寓的内部条件[8]。TigerPlace将床传感器、气动带安装在床上用品来检测床上是否有人,呼吸是否正常,脉搏是否正常或者高低和床上的行为并提供四级报告给远程护理人员。他们报告了一个在一位具有显著心脏问题独自生活再公寓中的96岁的女人的研究案例。当用来检测她的床上信息收集传感器的数据在事件发生之前,发生了显著的心跳过缓问题 (每分钟行次的脉冲速度缓慢),各个指标在同一时期减少了[22]。陈等人使用一个靠近水槽的微型全向麦克风来检测和分类发生在一个盥洗室的主要活动包括洗澡,刷牙,牙齿,洗手,冲洗,排尿。初步结果是令人鼓舞的，大多数声音分类的准确率在84%以上。他们的目标是能够为看护者和老年临床医生自动生成为被检测人定制的的个人卫生行为报告。显然在浴室等场所使用的图像
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