基于嵌入式Linux的智能家居機(jī)器人技術(shù)研究

王培屹

摘要：隨著我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展，智能家居成為與人民生活密切相關(guān)的信息載體。智能家居主要通過(guò)嵌入式硬件、數(shù)字網(wǎng)絡(luò)等，來(lái)完成家居環(huán)境中的智能交互與信息互聯(lián)。而本文提出的智能家居機(jī)器人技術(shù)，主要包括智能家居系統(tǒng)、語(yǔ)音機(jī)器人兩方面內(nèi)容，通過(guò)運(yùn)用嵌入式Linux、芯片控制器和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，能夠?qū)崿F(xiàn)用語(yǔ)音機(jī)器人來(lái)操控智能家居，從而滿足人們對(duì)高品質(zhì)家居生活的需求。

關(guān)鍵詞：嵌入式；Linux；智能家居；機(jī)器人

中圖分類號(hào)：TP273.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018） 5（b）-0000-00

智能家居技術(shù)與其他計(jì)算機(jī)技術(shù)的最大區(qū)別，在于智能家居技術(shù)主要通過(guò)人機(jī)交互，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與信息傳遞。因此智能家居機(jī)器人在人機(jī)交互中，主要負(fù)責(zé)人類命令與硬件設(shè)備之間的連接，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)命令信息的執(zhí)行。本文采用嵌入式Linux軟件系統(tǒng)，結(jié)合芯片控制、信息采集、傳感器與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等硬件模塊，來(lái)完成對(duì)家居智能設(shè)備的語(yǔ)音控制。

1嵌入式Linux智能家居機(jī)器人系統(tǒng)的總體框架

在智能家居機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，主要運(yùn)用語(yǔ)音、圖像及其他傳感器的識(shí)別技術(shù)，來(lái)完成家居環(huán)境中智能硬件設(shè)備的控制。因此智能家居機(jī)器人在整個(gè)操作系統(tǒng)中，主要起到管家與信息傳達(dá)的功能。而智能家居控制系統(tǒng)的目標(biāo)，是擺脫鼠標(biāo)、鍵盤等傳統(tǒng)人機(jī)交互模式的限制，達(dá)到人與硬件設(shè)備之間的實(shí)時(shí)信息交流。嵌入式Linux的智能家居系統(tǒng)，主要硬件設(shè)備、智能家居機(jī)器人等組成部分，這兩個(gè)組成部分又包含硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)兩方面內(nèi)容。其中智能家居機(jī)器人的硬件系統(tǒng)，主要包括芯片控制器、信息采集、語(yǔ)音識(shí)別模塊、傳感器等。這些智能家居硬件，可以借助于嵌入式Linux系統(tǒng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等，進(jìn)行人機(jī)對(duì)話與命令識(shí)別。因此智能家居系統(tǒng)中軟硬件的結(jié)合，能夠完成智能家居的信息檢測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸和任務(wù)執(zhí)行。

2嵌入式Linux智能家居機(jī)器人系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1芯片控制器模塊

嵌入式Linux 語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的體積較小，且在單位時(shí)間內(nèi)的功耗與效率高。因此在智能家居芯片控制器模塊選擇中，需結(jié)合芯片體積、成本、功能、穩(wěn)定性和功耗等，進(jìn)行芯片控制硬件的選擇。本文選用Samsung公司的S3C2440 ARM處理芯片，作為智能家居硬件平臺(tái)的核心。S3C2440 ARM芯片主要包括語(yǔ)音轉(zhuǎn)換、信息處理與內(nèi)存等模塊，CPU最大總線頻率可達(dá)533 MHz。其中語(yǔ)音轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)高速數(shù)字信號(hào)的處理，內(nèi)存模塊主要完成數(shù)據(jù)的讀取與存儲(chǔ)（讀取速率可達(dá)16 kB/s）。因此S3C2440 ARM芯片控制器模塊，能夠?yàn)閼?yīng)用程序的高速運(yùn)行提供保障。

2.2信息采集模塊

智能家居機(jī)器人系統(tǒng)的信息采集模塊，主要對(duì)家居空間中的語(yǔ)音、圖像信息進(jìn)行采集。其中圖像信息采集使用OmniVision公司的OV9650傳感器，OV9650具有1280x1024分辨率、130萬(wàn)像素，且寄存器控制協(xié)議為SSCB接口。因此可以通過(guò)SSCB接口，將OV9650傳感器與S3C2440 ARM芯片控制器進(jìn)行連接，來(lái)完成空間圖像的采集、識(shí)別與傳輸。而且運(yùn)用S3C2440 ARM芯片控制器進(jìn)行圖像處理，能夠提高信息處理的速率。

2.3語(yǔ)音識(shí)別模塊

語(yǔ)音識(shí)別模塊為智能家居機(jī)器人的核心模塊，也是語(yǔ)言學(xué)習(xí)、語(yǔ)音識(shí)別與信息處理的模塊。而且語(yǔ)音識(shí)別模塊也是借助于S3C2440 ARM芯片控制器，來(lái)完成語(yǔ)音編碼、語(yǔ)音解碼，以及控制指令的輸出與命令執(zhí)行。在智能家居系統(tǒng)的語(yǔ)音識(shí)別過(guò)程中，首先系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行人類語(yǔ)言的學(xué)習(xí)，之后對(duì)家居空間的語(yǔ)音進(jìn)行識(shí)別。這里語(yǔ)音編解碼芯片就會(huì)根據(jù)輸入的語(yǔ)音內(nèi)容，進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)的轉(zhuǎn)換計(jì)算，并通過(guò)系統(tǒng)中的數(shù)碼管，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的輸出與顯示，以便于操控者對(duì)執(zhí)行的任務(wù)進(jìn)行處理。

3嵌入式Linux智能家居機(jī)器人系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1嵌入式Linux平臺(tái)的設(shè)計(jì)

由于嵌入式Linux系統(tǒng)具有源代碼開放，應(yīng)用程序資源豐富、內(nèi)核功能或驅(qū)動(dòng)可裁剪等特征，因此運(yùn)用Linux系統(tǒng)進(jìn)行智能家居機(jī)器人的設(shè)計(jì)，能夠完成更快的系統(tǒng)響應(yīng)與信息處理。在嵌入式Linux系統(tǒng)的構(gòu)建過(guò)程中，首先要使用交叉編譯器，創(chuàng)設(shè)出可在其他平臺(tái)中進(jìn)行編譯的環(huán)境。然后通過(guò)對(duì)U-boot加載程序的移植，進(jìn)行各個(gè)硬件設(shè)備初始化以及內(nèi)存空間映射的建立，以完成適合軟硬件運(yùn)行的環(huán)境搭建。之后對(duì)Linux系統(tǒng)內(nèi)核中多余的功能或驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行裁剪或編譯的處理。最后通過(guò)對(duì)內(nèi)核鏡像的創(chuàng)建與壓縮，來(lái)實(shí)現(xiàn)根文件系統(tǒng)的創(chuàng)設(shè)。

3.2無(wú)線通信模塊的設(shè)計(jì)

在智能家居機(jī)器人系統(tǒng)的信息交互中，需要通過(guò)GPRS無(wú)線通信模塊，來(lái)完成Internet網(wǎng)絡(luò)連接與數(shù)據(jù)傳輸。首先需要利用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行語(yǔ)音數(shù)據(jù)封裝，然后再經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)與Internet路由器進(jìn)行連接，最后將語(yǔ)音數(shù)據(jù)包傳輸至特定的IP地址中。

3.3嵌入式Web服務(wù)器

當(dāng)前嵌入式Linux系統(tǒng)主要使用BOA 服務(wù)器，搭配通用網(wǎng)關(guān)接口程序（CGI），來(lái)完成用戶http的單任務(wù)請(qǐng)求。但BOA 服務(wù)器本身為http的單任務(wù)處理服務(wù)器，其只能按照用戶任務(wù)請(qǐng)求的次序，來(lái)依次完成網(wǎng)頁(yè)信息的處理。而通用網(wǎng)關(guān)接口程序（CGI）加入到BOA 服務(wù)器中，能夠分叉出多個(gè)任務(wù)處理進(jìn)程，并建立起具有多路連接的http請(qǐng)求列表，來(lái)對(duì)用戶請(qǐng)求信息進(jìn)行處理。同時(shí)在BOA 服務(wù)器中可以建立多個(gè)CGI程序，因此其能最大程度節(jié)約可執(zhí)行代碼，以保障整個(gè)系統(tǒng)快速流暢的運(yùn)行。通過(guò)BOA 服務(wù)器的通用網(wǎng)關(guān)接口程序，進(jìn)行智能家居設(shè)備的控制，主要包括以下幾個(gè)步驟：（1）進(jìn)行BOA 服務(wù)器配置。（2）配置通用網(wǎng)關(guān)接口程序的腳本儲(chǔ)存路徑。（3）BOA 服務(wù)器在收到Web請(qǐng)求后，通過(guò)CGI程序進(jìn)行請(qǐng)求信息的處理，并輸出HTML網(wǎng)頁(yè)代碼。

4嵌入式Linux智能家居機(jī)器人系統(tǒng)的調(diào)試與功能實(shí)現(xiàn)

在嵌入式Linux智能家居機(jī)器人系統(tǒng)，完成整個(gè)軟硬件框架的搭建后，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試與功能測(cè)試。首先需要對(duì)語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音合成等的程序命令進(jìn)行編寫，測(cè)試控制命令的識(shí)別狀況、執(zhí)行狀況等。然后再進(jìn)行不同智能家居模塊的功能測(cè)試，功能測(cè)試主要包括人機(jī)對(duì)話、語(yǔ)音控制兩部分。人機(jī)對(duì)話需要發(fā)出相應(yīng)的命令請(qǐng)求，然后智能家居機(jī)器人會(huì)接收到新聞資訊、天氣查詢等命令，并通過(guò)語(yǔ)音合成的形式進(jìn)行執(zhí)行。語(yǔ)音控制主要控制智能家居中的硬件設(shè)備，包括電燈、電扇、門窗和空調(diào)等設(shè)備，其能夠根據(jù)用戶的控制指令來(lái)完成任務(wù)執(zhí)行。最后在嵌入式Linux智能家居機(jī)器人系統(tǒng)的后期調(diào)試環(huán)節(jié)，需要做好硬件驅(qū)動(dòng)、軟件bug排除等工作，以保障整個(gè)Linux智能家居系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

5結(jié)語(yǔ)

嵌入式Linux智能家居機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是對(duì)原有家居控制方式的改革創(chuàng)新。當(dāng)前大多數(shù)智能家居，都通過(guò)智能手機(jī)來(lái)完成命令的控制，但智能手機(jī)在人機(jī)交互與控制命令執(zhí)行方面，存在較大的操作與控制問題。因此智能家居機(jī)器人語(yǔ)音控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，能夠解決人機(jī)對(duì)話中的交互與信息理解障礙，從而實(shí)現(xiàn)智能家居語(yǔ)音控制、硬件設(shè)備的功能，以推動(dòng)人民生活的智能化。

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