分布式智能語音家居控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

彭劍 陳卓琳 李永鴻 周家寶

摘? 要：針對市面上大部分智能家居系統(tǒng)難安裝、開發(fā)成本高等問題，本設(shè)計使用機智云平臺與STM32，實現(xiàn)對設(shè)備數(shù)據(jù)的管理與設(shè)備操控，其語音功能由百度提供的語音識別接口和樹莓派實現(xiàn)，以使該智能家居系統(tǒng)愈加親民，愈加智能化。在操作方式方面，提供APP與語音兩種便捷控制方式。并且該系統(tǒng)使用分布式設(shè)計，滿足大眾對個別家居進行升級換代需求。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);智能家居;樹莓派3B+;云平臺;Wi-Fi

中圖分類號：TP399;TP311.52? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）09-0174-04

0? 引? 言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，民眾對生活質(zhì)量的要求也不斷提升，促使智能行業(yè)迅速崛起。近年來，智能手機、智能手表層出不窮，信息技術(shù)不斷地滲透到各個領(lǐng)域，而智能家居行業(yè)也朝氣蓬勃。

“智能家居”是集信息家電、設(shè)備自動化、網(wǎng)絡(luò)通信、傳感為一體，從而實現(xiàn)家電可被遠程操控的一種便利、高效、安全的管理系統(tǒng)。但目前智能家居在價格、施工、兼容性、操控、用戶體驗等方面都存在諸多問題。固然，設(shè)計一款高性價比，安裝簡單且易于用戶操控的智能家居系統(tǒng)是使智能家居推廣至全體用戶的關(guān)鍵。

1? 問題描述與模型設(shè)計

1.1? 問題描述

經(jīng)市場調(diào)研，傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)普遍存在問題如下：

（1）價格問題：目前智能家居大部分面向高消費群體，究其原因是由于其研發(fā)投入成本高，耗時長，而后期的維修費用亦較高。

（2）安裝問題：智能家居安裝不同于傳統(tǒng)家居安裝，它涉及物理布線、網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)等多方面設(shè)計改造，對施工人員有一定技術(shù)要求。

（3）兼容性問題：智能家居生產(chǎn)商缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使得生產(chǎn)出來的家電規(guī)格參差不齊，家電與系統(tǒng)之間難以協(xié)調(diào)工作。

（4）安全問題：目前家居信息大多采用本地存檔，當(dāng)智能家電接入網(wǎng)絡(luò)時，那些信息可能會成為攻擊目標(biāo)，安全隱患大。

（5）用戶體驗問題：目前大多數(shù)智能家電都是通過手機APP操控，操控方式單一。忽略了不使用智能手機的老年人和兒童，不夠人性化。

1.2? 系統(tǒng)構(gòu)成

本智能語音家居控制系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由監(jiān)測模塊、單片機、機智云平臺、樹莓派3B+、百度語音開發(fā)板以及手機應(yīng)用組成。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

（1）樹莓派3B+。樹莓派相當(dāng)于卡片尺寸的微型電腦。它支持Linux和Windows系統(tǒng)，具有PC的基本功能，如電子表格、文字處理、玩游戲等諸多功能。正因功能強大，所以用戶群較大，社區(qū)成熟。在本設(shè)計中，樹莓派負(fù)責(zé)對錄音進行接收與轉(zhuǎn)發(fā)，并對百度云返回的文本進行分析處理。

（2）機智云V2.1。機智云是為物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員提供后臺支持、設(shè)備遠程管理、數(shù)據(jù)存儲分析的云服務(wù)平臺。機智云架構(gòu)完善，并且配套自動生成的手機應(yīng)用代碼，大大減少了開發(fā)時間。不僅如此，數(shù)據(jù)儲存在云端，保證的用戶數(shù)據(jù)的安全。此外，它還提供機器學(xué)習(xí)算法，支持二次開發(fā)。

（3）百度語音平臺。百度語音開放平臺為開發(fā)者提供免費永久的語音解析服務(wù)。通過云端識別返回結(jié)果，開發(fā)者對此加以利用。識別技術(shù)使用深度學(xué)習(xí)算法，識別準(zhǔn)確率高。在本系統(tǒng)中可以對語音進行錄制并解析其語義，返回錄音文本以及做出相應(yīng)答復(fù)。

（4）ESP8266模塊。ESP8266作為一款高度片內(nèi)集成的Wi-Fi芯片有著很多優(yōu)點：體積小、功耗低、價格低、數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象不嚴(yán)重等。ESP8266采用802.11b+19.5dBm的工作模式，使Wi-Fi信號有較大的覆蓋范圍和良好的穿透效果。在此系統(tǒng)設(shè)計中，所有設(shè)備和平臺間的通信都依賴于Wi-Fi。

（5）傳感器模塊。本設(shè)計采用DHT11數(shù)字溫濕傳感器;MQ135氣體傳感器;人體紅外模塊等傳感器來監(jiān)測空氣質(zhì)量以及人流情況，并定時將數(shù)據(jù)上傳至機智云。

1.3? 總體模型設(shè)計

該智能家居系統(tǒng)使用分布式設(shè)計，方便用戶對已有家電改造升級。以Wi-Fi和HTTP作為連接設(shè)備和設(shè)備以及設(shè)備和云平臺的橋梁，使得他們得以進行通信和處理數(shù)據(jù)。使用機智云平臺來實現(xiàn)對設(shè)備數(shù)據(jù)的處理和遠程操控設(shè)備。使用百度云平臺提供的語音識別技術(shù)進行錄音解析，其結(jié)果返回樹莓派3B+，由樹莓派3B+對該文本處理，通過機智云的樹莓派接口對數(shù)據(jù)進行更改并遠程操控設(shè)備。由此一來在增強數(shù)據(jù)安全性的同時也有效防止了數(shù)據(jù)丟失。

在操控方面上，用戶有兩種智能方式控制家電：

（1）使用手機APP向機智云發(fā)送操控命令，機智云控制家電完成相應(yīng)的操作。

（2）向設(shè)備傳達語音命令，設(shè)備接收語音后將其傳送到樹莓派，樹莓派轉(zhuǎn)發(fā)錄音至百度云，百度云對用戶語音進行分析處理后返回一個應(yīng)答，應(yīng)答包括錄音文本和錄音的智能答復(fù)。此時樹莓派對應(yīng)答進行判斷，若判定為返回文本為操控命令，則樹莓派調(diào)用機智云的API接口并通過HTTP向機智云發(fā)送操控指令，機智云根據(jù)指令遠程操控設(shè)備完成相應(yīng)動作。若判定錄音文本不是操控命令，則以語音形式向用戶傳達該問題的智能回復(fù)。用戶語音操控流程如圖2所示。

2? 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1? 功能設(shè)計

智能家居系統(tǒng)的功能是該設(shè)計的核心模塊，因此必須解決傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)存在的問題。要從用戶角度出發(fā)，保障功能的科學(xué)性、合理性，而后對系統(tǒng)進一步完善。從此角度考慮，系統(tǒng)所要克服的功能包含以下幾個，分別為數(shù)據(jù)監(jiān)測功能、語音控制功能、舊房改造功能。

2.1.1? 數(shù)據(jù)監(jiān)測功能

此功能可以對室內(nèi)外空氣溫度、濕度以及空氣質(zhì)量進行監(jiān)測。采用DHT11數(shù)字溫濕傳感器以及MQ135氣體傳感器對數(shù)據(jù)進行檢測采集，且感應(yīng)器定時將采集數(shù)據(jù)信息反映到手機應(yīng)用上。而后經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，顯示推薦措施，以便用戶參考。

2.1.2? 語音控制功能

此功能不僅要滿足用戶通過語音對設(shè)備自由的操控，還需滿足用戶的娛樂需求，如了解時事、營造氣氛、聽歌等等。使系統(tǒng)成為用戶生活不可或缺的一部分。因此，本設(shè)計選用百度提供的語音識別API和樹莓派3B+組合來實現(xiàn)此功能。

2.1.3? 舊房改造功能

此功能必須保證該系統(tǒng)可以適用于電路和家電都相對固定的舊房屋。考慮舊房屋的用戶占比，舊房改造功能不可忽視。因而，系統(tǒng)采用分布式設(shè)計，方便用戶添加以及解綁設(shè)備。對原有家電的插座添加控件，即可對家電進行通電與否簡單操控。而后系統(tǒng)配置紅外線操控，解決空調(diào)等家電復(fù)雜多變的控制問題。

2.2? 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫使用由機智云提供的云服務(wù)，具有安全、方便、穩(wěn)定、可靠的特點。

2.3? 軟件設(shè)計

基于Android系統(tǒng)的手機應(yīng)用主要實現(xiàn)用戶信息管理、環(huán)境參數(shù)顯示、設(shè)備的操控以及添加與解綁等功能。為了降低開發(fā)資源投入，縮短開發(fā)周期，手機應(yīng)用是根據(jù)機智云自動生成的APP參考代碼進行優(yōu)化UI和優(yōu)化界面的控制邏輯而完成的。并且該手機應(yīng)用開發(fā)采用MVC架構(gòu)，為以后的運行維護提供便利。

2.4? 界面展示

采用扁平化設(shè)計，不僅簡潔美觀還具有較高可讀性，提升用戶體驗。在配色方面，使用暖色系，給予用戶溫暖、輕松的感受。手機應(yīng)用常用界面如圖3所示。

3? 系統(tǒng)調(diào)試與分析

ESP8266有AP、STA、AP+STA三種工作模式，STA模式下作為客戶機接入互聯(lián)網(wǎng)，可以和云端進行通信和數(shù)據(jù)傳輸，也可以向其他ESP8266發(fā)送操控指令。AP模式下作為服務(wù)器，可發(fā)送Wi-Fi信號讓其他設(shè)備接入，組成一個局域網(wǎng)，實現(xiàn)設(shè)備和設(shè)備之間的通信。因既需要設(shè)備間互相通信，又需要與云端進行數(shù)據(jù)傳輸，故在該系統(tǒng)中，ESP8266采用AP+STA工作模式。

調(diào)試流程：通過向ESP8266發(fā)送AT指令、向中控發(fā)送語音、使用手機APP這三種方式分別測試臥室風(fēng)扇是否運作。隨后對數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、語音模塊、APP操作模塊以及改造模塊分別進行測試。

數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊：室內(nèi)外溫濕度是否能正常顯示和更新，各個空間的人流是否能正常監(jiān)測。

語音模塊：咨詢天氣、日期能否正確回應(yīng)，鬧鐘的設(shè)置、點歌等功能是否正常工作，通過語音對各個家電是否都能正常調(diào)控。

APP操作模塊：對各個空間各個家電是否均能滿足預(yù)期。

改造模塊：將帶變壓器的控件安裝至插座電路中，測試能否控制插座。

經(jīng)過大量重復(fù)的測試，測試結(jié)果均滿足預(yù)期。但語音模塊有待升級，部分口音以及分貝大小都影響測試結(jié)果。

4? 結(jié)? 論

該分布式智能語音家居控制系統(tǒng)功能相對完備，且開發(fā)安裝成本低廉，易于操作，用戶體驗良好，克服了傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)存在問題，符合預(yù)期要求。融合智能語音識別技術(shù)，滿足用戶的休閑娛樂需求，打造語音智能管家系統(tǒng)。同時，系統(tǒng)使用Wi-Fi實現(xiàn)設(shè)備和設(shè)備以及設(shè)備和云平臺的通信和數(shù)據(jù)傳輸，相比傳統(tǒng)的有線傳輸，Wi-Fi傳輸節(jié)能、速度快。總而言之，該系統(tǒng)展現(xiàn)出較理想的工作效果，是一款符合大眾需求的高性價比分布式智能語音家居控制系統(tǒng)。

參考文獻：

[1] 彭劍，李永鴻，陳美婷.基于Cortex-M3的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) [J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2018（24）：4-8.

[2] 楊皓深.基于樹莓派的遠程家居控制系統(tǒng)的設(shè)計 [J].電子制作，2017（17）：32-34.

[3] 張永安.基于樹莓派的智能家居系統(tǒng) [J].電子世界，2016（15）：53.

[4] 邱宏斌.一種基于ESP8266模塊的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計思路 [J].電子世界，2017（7）：157.

[5] 范興隆.ESP8266在智能家居監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2016，16（9）：52-56.

[6] 楊堤.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) [J].電子世界，2012（21）：16-17.

[7] 尹小曼，馬俊，陳博行，等.基于zigbee技術(shù)的智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化與儀器儀表，2019（3）：96-99.

[8] 盧于輝，秦會斌.基于MQTT的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) [J].智能物聯(lián)技術(shù)，2019，51（2）：41-47.

作者簡介：彭劍（1974.11-），男，漢族，湖南雙峰人，物聯(lián)網(wǎng)工程系主任，副教授，碩士，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用。