分布式智能语音家居控制系统的设计与实现

彭剑 陈卓琳 李永鸿 周家宝

摘  要：针对市面上大部分智能家居系统难安装、开发成本高等问题，本设计使用机智云平台与STM32，实现对设备数据的管理与设备操控，其语音功能由百度提供的语音识别接口和树莓派实现，以使该智能家居系统愈加亲民，愈加智能化。在操作方式方面，提供APP与语音两种便捷控制方式。并且该系统使用分布式设计，满足大众对个别家居进行升级换代需求。

关键词：物联网;智能家居;树莓派3B+;云平台;Wi-Fi

中图分类号：TP399;TP311.52      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）09-0174-04

0  引  言

随着国内经济和物联网技术的飞速发展，民众对生活质量的要求也不断提升，促使智能行业迅速崛起。近年来，智能手机、智能手表层出不穷，信息技术不断地渗透到各个领域，而智能家居行业也朝气蓬勃。

“智能家居”是集信息家电、设备自动化、网络通信、传感为一体，从而实现家电可被远程操控的一种便利、高效、安全的管理系统。但目前智能家居在价格、施工、兼容性、操控、用户体验等方面都存在诸多问题。固然，设计一款高性价比，安装简单且易于用户操控的智能家居系统是使智能家居推广至全体用户的关键。

1  问题描述与模型设计

1.1  问题描述

经市场调研，传统的智能家居系统普遍存在问题如下：

（1）价格问题：目前智能家居大部分面向高消费群体，究其原因是由于其研发投入成本高，耗时长，而后期的维修费用亦较高。

（2）安装问题：智能家居安装不同于传统家居安装，它涉及物理布线、网络组网等多方面设计改造，对施工人员有一定技术要求。

（3）兼容性问题：智能家居生产商缺乏统一的行业标准，使得生产出来的家电规格参差不齐，家电与系统之间难以协调工作。

（4）安全问题：目前家居信息大多采用本地存档，当智能家电接入网络时，那些信息可能会成为攻击目标，安全隐患大。

（5）用户体验问题：目前大多数智能家电都是通过手机APP操控，操控方式单一。忽略了不使用智能手机的老年人和儿童，不够人性化。

1.2  系统构成

本智能语音家居控制系统采用分布式结构。系统由监测模块、单片机、机智云平台、树莓派3B+、百度语音开发板以及手机应用组成。系统总体框架如图1所示。

（1）树莓派3B+。树莓派相当于卡片尺寸的微型电脑。它支持Linux和Windows系统，具有PC的基本功能，如电子表格、文字处理、玩游戏等诸多功能。正因功能强大，所以用户群较大，社区成熟。在本设计中，树莓派负责对录音进行接收与转发，并对百度云返回的文本进行分析处理。

（2）机智云V2.1。机智云是为物联网开发人员提供后台支持、设备远程管理、数据存储分析的云服务平台。机智云架构完善，并且配套自动生成的手机应用代码，大大减少了开发时间。不仅如此，数据储存在云端，保证的用户数据的安全。此外，它还提供机器学习算法，支持二次开发。

（3）百度语音平台。百度语音开放平台为开发者提供免费永久的语音解析服务。通过云端识别返回结果，开发者对此加以利用。识别技术使用深度学习算法，识别准确率高。在本系统中可以对语音进行录制并解析其语义，返回录音文本以及做出相应答复。

（4）ESP8266模块。ESP8266作为一款高度片内集成的Wi-Fi芯片有着很多优点：体积小、功耗低、价格低、数据丢包现象不严重等。ESP8266采用802.11b+19.5dBm的工作模式，使Wi-Fi信号有较大的覆盖范围和良好的穿透效果。在此系统设计中，所有设备和平台间的通信都依赖于Wi-Fi。

（5）傳感器模块。本设计采用DHT11数字温湿传感器;MQ135气体传感器;人体红外模块等传感器来监测空气质量以及人流情况，并定时将数据上传至机智云。

1.3  总体模型设计

该智能家居系统使用分布式设计，方便用户对已有家电改造升级。以Wi-Fi和HTTP作为连接设备和设备以及设备和云平台的桥梁，使得他们得以进行通信和处理数据。使用机智云平台来实现对设备数据的处理和远程操控设备。使用百度云平台提供的语音识别技术进行录音解析，其结果返回树莓派3B+，由树莓派3B+对该文本处理，通过机智云的树莓派接口对数据进行更改并远程操控设备。由此一来在增强数据安全性的同时也有效防止了数据丢失。

在操控方面上，用户有两种智能方式控制家电：

（1）使用手机APP向机智云发送操控命令，机智云控制家电完成相应的操作。

（2）向设备传达语音命令，设备接收语音后将其传送到树莓派，树莓派转发录音至百度云，百度云对用户语音进行分析处理后返回一个应答，应答包括录音文本和录音的智能答复。此时树莓派对应答进行判断，若判定为返回文本为操控命令，则树莓派调用机智云的API接口并通过HTTP向机智云发送操控指令，机智云根据指令远程操控设备完成相应动作。若判定录音文本不是操控命令，则以语音形式向用户传达该问题的智能回复。用户语音操控流程如图2所示。

2  系统实现

2.1  功能设计

智能家居系统的功能是该设计的核心模块，因此必须解决传统智能家居系统存在的问题。要从用户角度出发，保障功能的科学性、合理性，而后对系统进一步完善。从此角度考虑，系统所要克服的功能包含以下几个，分别为数据监测功能、语音控制功能、旧房改造功能。

2.1.1  数据监测功能

此功能可以对室内外空气温度、湿度以及空气质量进行监测。采用DHT11数字温湿传感器以及MQ135气体传感器对数据进行检测采集，且感应器定时将采集数据信息反映到手机应用上。而后经过数据分析，显示推荐措施，以便用户参考。

2.1.2  语音控制功能

此功能不仅要满足用户通过语音对设备自由的操控，还需满足用户的娱乐需求，如了解时事、营造气氛、听歌等等。使系统成为用户生活不可或缺的一部分。因此，本设计选用百度提供的语音识别API和树莓派3B+组合来实现此功能。

2.1.3  旧房改造功能

此功能必须保证该系统可以适用于电路和家电都相对固定的旧房屋。考虑旧房屋的用户占比，旧房改造功能不可忽视。因而，系统采用分布式设计，方便用户添加以及解绑设备。对原有家电的插座添加控件，即可对家电进行通电与否简单操控。而后系统配置红外线操控，解决空调等家电复杂多变的控制问题。

2.2  数据库

数据库使用由机智云提供的云服务，具有安全、方便、稳定、可靠的特点。

2.3  软件设计

基于Android系统的手机应用主要实现用户信息管理、环境参数显示、设备的操控以及添加与解绑等功能。为了降低开发资源投入，缩短开发周期，手机应用是根据机智云自动生成的APP参考代码进行优化UI和优化界面的控制逻辑而完成的。并且该手机应用开发采用MVC架构，为以后的运行维护提供便利。

2.4  界面展示

采用扁平化设计，不仅简洁美观还具有较高可读性，提升用户体验。在配色方面，使用暖色系，给予用户温暖、轻松的感受。手机应用常用界面如图3所示。

3  系统调试与分析

ESP8266有AP、STA、AP+STA三种工作模式，STA模式下作为客户机接入互联网，可以和云端进行通信和数据传输，也可以向其他ESP8266发送操控指令。AP模式下作为服务器，可发送Wi-Fi信号让其他设备接入，组成一个局域网，实现设备和设备之间的通信。因既需要设备间互相通信，又需要与云端进行数据传输，故在该系统中，ESP8266采用AP+STA工作模式。

调试流程：通过向ESP8266发送AT指令、向中控发送语音、使用手机APP这三种方式分别测试卧室风扇是否运作。随后对数据监测模块、语音模块、APP操作模块以及改造模块分别进行测试。

数据监测模块：室内外温湿度是否能正常显示和更新，各个空间的人流是否能正常监测。

语音模块：咨询天气、日期能否正确回应，闹钟的设置、点歌等功能是否正常工作，通过语音对各个家电是否都能正常调控。

APP操作模块：对各个空间各个家电是否均能满足预期。

改造模块：将带变压器的控件安装至插座电路中，测试能否控制插座。

经过大量重复的测试，测试结果均满足预期。但语音模块有待升级，部分口音以及分贝大小都影响测试结果。

4  结  论

该分布式智能语音家居控制系统功能相对完备，且开发安装成本低廉，易于操作，用户体验良好，克服了传统的智能家居系统存在问题，符合预期要求。融合智能语音識别技术，满足用户的休闲娱乐需求，打造语音智能管家系统。同时，系统使用Wi-Fi实现设备和设备以及设备和云平台的通信和数据传输，相比传统的有线传输，Wi-Fi传输节能、速度快。总而言之，该系统展现出较理想的工作效果，是一款符合大众需求的高性价比分布式智能语音家居控制系统。

参考文献：

[1] 彭剑，李永鸿，陈美婷.基于Cortex-M3的智能家居控制系统设计与实现 [J].中国战略新兴产业，2018（24）：4-8.

[2] 杨皓深.基于树莓派的远程家居控制系统的设计 [J].电子制作，2017（17）：32-34.

[3] 张永安.基于树莓派的智能家居系统 [J].电子世界，2016（15）：53.

[4] 邱宏斌.一种基于ESP8266模块的物联网设计思路 [J].电子世界，2017（7）：157.

[5] 范兴隆.ESP8266在智能家居监控系统中的应用 [J].单片机与嵌入式系统应用，2016，16（9）：52-56.

[6] 杨堤.基于物联网的智能家居控制系统设计与实现 [J].电子世界，2012（21）：16-17.

[7] 尹小曼，马俊，陈博行，等.基于zigbee技术的智能家居环境监测系统设计与实现[J].自动化与仪器仪表，2019（3）：96-99.

[8] 卢于辉，秦会斌.基于MQTT的智能家居系统的设计与实现 [J].智能物联技术，2019，51（2）：41-47.

作者简介：彭剑（1974.11-），男，汉族，湖南双峰人，物联网工程系主任，副教授，硕士，研究方向：物联网技术应用。