黃玲　王霄　邵健　胡娟　張譯

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)家居家電設(shè)備很難直接與市場(chǎng)上的語(yǔ)音助手結(jié)合，同時(shí)高技術(shù)產(chǎn)品價(jià)格很難惠民，智能家居控制系統(tǒng)因設(shè)計(jì)成本過(guò)高很難實(shí)現(xiàn)普及的現(xiàn)象，本文提出將樹(shù)莓派和NodeMCU開(kāi)發(fā)板聯(lián)合開(kāi)發(fā)一款性價(jià)比極高的智能語(yǔ)音交互家居系統(tǒng)。設(shè)計(jì)使用樹(shù)莓派4B+在Linux系統(tǒng)下運(yùn)行百度云平臺(tái)提供的SDK加上麥克風(fēng)陣列和CSI攝像頭實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音合成和人臉識(shí)別等功能。利用Pythonserial庫(kù)實(shí)現(xiàn)與Arduino串口通信，樹(shù)莓派將語(yǔ)音識(shí)別到的指令下發(fā)至Arduino，從而實(shí)現(xiàn)人與硬件設(shè)備語(yǔ)音交互。NodeMCU通過(guò)內(nèi)置ESP8266芯片使用ArduinoIDE編譯將傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)TCP協(xié)議與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程存儲(chǔ)，家庭環(huán)境信息的遠(yuǎn)程觀測(cè)和遠(yuǎn)程控制。運(yùn)行結(jié)果顯示，實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸與語(yǔ)音交互的功能要求，設(shè)計(jì)成本低廉，功能強(qiáng)大且擴(kuò)展方便。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多平臺(tái)交互，提高了多任務(wù)并行處理能力。

關(guān)鍵詞：智能家居;樹(shù)莓派;語(yǔ)音識(shí)別;NodeMCU;傳感器;物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)

【Abstract】Inviewofthefactthattraditionalhomeappliancesaredifficulttodirectlyintegratewithvoiceassistantsonthemarket，thepriceofhigh-techproductsisdifficulttobenefitthepeople，andsmarthomecontrolsystemsaredifficulttoachievepopularizationduetohighdesigncosts，thisarticleproposesRaspberryPiisusedtodevelopahighcost-performancesmartvoiceinteractivehomesystemjointedwithNodeMCUdevelopmentboard.ThedesignusestheRaspberryPi4B+toruntheSDKprovidedbytheBaiducloudplatformundertheLinuxsystem，plusthemicrophonearrayandCSIcameratorealizefunctionssuchasspeechrecognition，speechsynthesisandfacerecognition.ThePythonseriallibraryisusedtocommunicatewiththeArduinoserialport，andtheRaspberryPisendsthevoice-recognizedinstructionstotheArduinotorealizethevoiceinteractionbetweenhumansandhardwaredevices.NodeMCUusesthebuilt-inESP8266chiptocompilewithArduinoIDEtoconnectthedatacollectedbythesensortotheIoTcloudplatformthroughtheTCPprotocolforrealizingremotestorageofdata，remoteobservationandremotecontrolofhomeenvironmentinformation.Theoperationresultsshowthatwirelesstransmissionofhomeenvironmentdataandthefunctionalrequirementsofvoiceinteractionarerealized，thedesigncostislow，thefunctionispowerfulandtheexpansionisconvenient.Thesystemrealizesmulti-platforminteractionandimprovesthemulti-taskparallelprocessingcapability.

【Keywords】smarthome;RaspberryPi;voicerecognition;NodeMCU;sensors;IoTcloudplatform

作者簡(jiǎn)介：黃玲（1997-），女，碩士研究生，主要研究方向：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);王霄（1985-），男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng);邵?。?995-），男，碩士研究生，主要研究方向：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);胡娟（1992-），女，碩士研究生，主要研究方向：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);張譯（1995-），男，碩士研究生，主要研究方向：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

0引言

數(shù)據(jù)時(shí)代快速發(fā)展，電子技術(shù)及其電子產(chǎn)品在現(xiàn)實(shí)生活中廣泛普及，給人們的生活帶來(lái)極大的便利。開(kāi)發(fā)智能家居技術(shù)產(chǎn)品更是提供人們享受生活的重要平臺(tái)，智能家居系統(tǒng)使用網(wǎng)絡(luò)將各種家居設(shè)備連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)智能化的控制、監(jiān)測(cè)、提醒等功能[1]，既能給用戶提供舒適、健康、方便的生活環(huán)境，還能夠遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)家庭環(huán)境信息并能夠遠(yuǎn)程控制家電開(kāi)關(guān)，提高了居民生活的安全性[2]。

目前，智能家居的控制方式主要采用無(wú)線控制或手動(dòng)控制[3]。其中，手動(dòng)控制精確性比較高，但對(duì)于那些肢體有障礙或者年紀(jì)比較大反應(yīng)遲緩的人而言，手動(dòng)控制不太適用，當(dāng)下采用無(wú)線控制的方式成為了學(xué)界的研究熱點(diǎn)，只是現(xiàn)如今的傳統(tǒng)家居家電設(shè)備很難直接與市場(chǎng)上的語(yǔ)音助手結(jié)合，而且高技術(shù)產(chǎn)品價(jià)格也并不惠民，智能家居控制系統(tǒng)存在因設(shè)計(jì)成本過(guò)高而難以做到大范圍普及的現(xiàn)象。尤其在時(shí)下的老齡化社會(huì)，對(duì)于某些老人群體而言，則很難跟上這個(gè)智能化的社會(huì)發(fā)展。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出用樹(shù)莓派和NodeMCU開(kāi)發(fā)板聯(lián)合開(kāi)發(fā)一款性價(jià)比極高的智能語(yǔ)音交互家居系統(tǒng)，通過(guò)樹(shù)莓派在Linux系統(tǒng)下運(yùn)行百度云平臺(tái)提供的SDK加上麥克風(fēng)陣列和CSI攝像頭實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音合成、人臉檢測(cè)等主要功能。讓其足不出戶便能知道天下事，還能通過(guò)安全門(mén)連接攝像頭來(lái)實(shí)現(xiàn)人臉監(jiān)測(cè)，安全區(qū)域預(yù)警等功能，室內(nèi)檢測(cè)老人是否摔倒，心率和血壓檢測(cè)實(shí)時(shí)發(fā)送至云端存儲(chǔ)，既滿足了家人遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的需求，還能實(shí)時(shí)控制家用電器并進(jìn)行一些救助措施。

1系統(tǒng)總體框架圖

對(duì)智能家居系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，為保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，需要軟硬件的聯(lián)合運(yùn)行。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)以樹(shù)莓派和NodeMCU聯(lián)合作為控制器，來(lái)實(shí)現(xiàn)家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)、家用電器控制、室內(nèi)外控制、安防管理及家庭設(shè)備語(yǔ)音交互等功能，樹(shù)莓派通過(guò)百度云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音合成及人臉識(shí)別功能，通過(guò)麥克風(fēng)陣列對(duì)人聲進(jìn)行錄音，傳輸至云服務(wù)器平臺(tái)來(lái)做語(yǔ)音識(shí)別，再將識(shí)別的文字提取出來(lái)。如果有對(duì)應(yīng)的文字指令則通過(guò)串口傳送至Arduino執(zhí)行需要處理的文字對(duì)應(yīng)程序。Arduino再發(fā)送AT指令給NodeMCU，建立TCP透?jìng)髂Ｊ綄?shí)現(xiàn)云服務(wù)數(shù)據(jù)通信。使用ArduinoIDE環(huán)境來(lái)編寫(xiě)NodeMCU程序，在配置環(huán)境時(shí)添加ESP8266安裝即可。這樣就可以使用該環(huán)境實(shí)現(xiàn)程序下載，對(duì)于NodeMCU而言只提供了3V的輸出電壓，不能滿足一些傳感器5V的工作電壓。為解決這一問(wèn)題，將ArduinoNano的5V電源提供給NodeMCU的VIN引腳，傳感器5V連接到VIN引腳提供工作電壓。與Tlink物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器建立TCP透?jìng)髂Ｊ綌?shù)據(jù)通信。傳感器選用DHT.11、MQ_2、PIR、水泵、減速電機(jī)、麥克風(fēng)雙陣列、CSI攝像頭。使用LabVIEW作為上位機(jī)在PC機(jī)上進(jìn)行調(diào)試，利用虛擬儀器平臺(tái)實(shí)時(shí)采集家居環(huán)境信息便于調(diào)試家用電氣設(shè)備，使用更加簡(jiǎn)潔、方便的無(wú)線傳輸方式—物聯(lián)網(wǎng)通信，就能夠?qū)鞲衅鞲兄降男畔l(fā)送至云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確顯示、存儲(chǔ)和反饋。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

2系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能主要有利用樹(shù)莓派和NodeMCU與百度AI交互平臺(tái)通信實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音合成、人臉識(shí)別功能及實(shí)時(shí)控制家電設(shè)備，與此同時(shí)將家庭環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至云端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程訪問(wèn)、遠(yuǎn)程控制等功能。對(duì)此擬展開(kāi)研究論述如下。

2.1語(yǔ)音識(shí)別功能

本智能家居設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要利用的是百度AI交互平臺(tái)的語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)。首先利用與樹(shù)莓派連接的麥克風(fēng)雙陣列對(duì)人聲進(jìn)行錄音，然后樹(shù)莓派再利用自帶的WiFi模塊將錄音傳送至服務(wù)器，服務(wù)器再將數(shù)據(jù)傳送至百度AI交互平臺(tái)的語(yǔ)音識(shí)別API。語(yǔ)音識(shí)別API經(jīng)過(guò)內(nèi)部的一系列處理將語(yǔ)音識(shí)別成文字傳送至服務(wù)器，服務(wù)器再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理后發(fā)送到樹(shù)莓派，主控裝置通過(guò)接收的指令再操控各種家庭設(shè)備[4]。在環(huán)境優(yōu)良的情況下采集的錄音，API的語(yǔ)音識(shí)別率高達(dá)99%，借助現(xiàn)成的應(yīng)用技術(shù)封裝好的接口，百度AI開(kāi)放平臺(tái)提供的Python的SDK在樹(shù)莓派上運(yùn)行。百度智能云提供的應(yīng)用接口如圖2所示。

由圖2可知，先是在百度云上注冊(cè)賬號(hào)，創(chuàng)建應(yīng)用，在創(chuàng)建中添加應(yīng)用名稱、應(yīng)用接口、接口選擇和應(yīng)用描述。此后平臺(tái)會(huì)自動(dòng)生成三元組，這3個(gè)與云平臺(tái)提供的SDK用來(lái)連接自己創(chuàng)建的應(yīng)用。將樹(shù)莓派上的Linux系統(tǒng)上配置好Python編譯環(huán)境，下載語(yǔ)音識(shí)別PythonSDK客戶端通過(guò)AipSpeech庫(kù)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別的程序。

2.2語(yǔ)音合成功能

語(yǔ)音合成是通過(guò)機(jī)械的、電子的方法產(chǎn)生人造語(yǔ)音的技術(shù)。語(yǔ)音合成技術(shù)經(jīng)過(guò)共振峰合成、波形拼接合成、基于隱馬爾可夫模型的統(tǒng)計(jì)參數(shù)合成等數(shù)個(gè)發(fā)展階段[5]，迄今為止，語(yǔ)音合成主要是通過(guò)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，能將任意文字信息實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)流暢的語(yǔ)音朗讀出來(lái)，其中也涉及到多個(gè)學(xué)科的前沿技術(shù)。本系統(tǒng)采用百度AI交互平臺(tái)提供的語(yǔ)音合成功能非常簡(jiǎn)單，只需在樹(shù)莓派4B+上運(yùn)行Python腳本文件，根據(jù)百度云平臺(tái)提供的技術(shù)文檔，調(diào)用的方式采用HTTP協(xié)議，從而與百度云功能連接在一起。百度云會(huì)提供眾多語(yǔ)言環(huán)境的SDK，本次設(shè)計(jì)采用Python語(yǔ)音作為快速原型開(kāi)發(fā)。研究后可知，語(yǔ)音合成步驟如圖3所示。

2.3人臉識(shí)別功能

人臉識(shí)別特指利用分析比較人臉視覺(jué)特征信息進(jìn)行身份鑒別的計(jì)算機(jī)技術(shù)。利用百度云提供的眾多語(yǔ)言環(huán)境的SDK中就有人臉模塊，而人臉識(shí)別也只是里面的一個(gè)函數(shù)定義，需要調(diào)用該模塊再結(jié)合語(yǔ)音識(shí)別中提供的三元組即可實(shí)現(xiàn)對(duì)人臉識(shí)別的功能，同時(shí)需要在樹(shù)莓派上接入CSI攝像頭實(shí)現(xiàn)調(diào)用。程序中設(shè)定當(dāng)語(yǔ)音識(shí)別到開(kāi)門(mén)指令時(shí)打開(kāi)攝像頭模塊，進(jìn)行拍照，上傳至云平臺(tái)與預(yù)先設(shè)置的人臉庫(kù)中的樣本做比較，比較后返回相識(shí)度。設(shè)定閾值，相識(shí)度高的即為目標(biāo)人物。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件通過(guò)NodeMCU和樹(shù)莓派控制及各種傳感器搭建智能語(yǔ)音控制系統(tǒng)。樹(shù)莓派利用自帶的WiFi模塊實(shí)現(xiàn)與云平臺(tái)交互，通過(guò)樹(shù)莓派上的Linux系統(tǒng)運(yùn)行云平臺(tái)提供的SDKPython腳本代碼，采用CS攝像頭和麥克風(fēng)雙陣列實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別、合成和人臉監(jiān)測(cè)等。NodeMCU在ArduinoIDE環(huán)境中對(duì)程序進(jìn)行編寫(xiě)。再將溫濕度傳感器DHT.11、人體感應(yīng)傳感器PIR、煙霧傳感器MQ_2、減速電機(jī)傳感器、水泵和NodeMCU連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的監(jiān)測(cè)，采用TCP協(xié)議與Tlink物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通信，將所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)绞謾C(jī)端或PC端。

3.1NodeMCU與各傳感器模塊

3.1.1溫濕度傳感器模塊

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境溫濕度信息的采集，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用DHT.11作為溫濕度傳感器。該款傳感器的濕度精度為±5%RH，溫度精度為±2℃，量程濕度為20～90%RH，溫度采集范圍是-20℃～60℃，將其與NodeMCU連接，將采集的數(shù)據(jù)反饋給溫控設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)。對(duì)于DHT.11傳感器采用的串口單總線的方式與NodeMCU的D4引腳連接。能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)送格式為：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)位，一般的小數(shù)值為0。校驗(yàn)方式為：8bit校驗(yàn)位=8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)。NodeMCU與DHT.11的硬件連接如圖4所示。

3.1.2MQ_2氣體傳感器

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)家庭環(huán)境中可燃或有毒氣體的含量，本系統(tǒng)采用MQ_2傳感器來(lái)檢測(cè)家居環(huán)境的煙霧濃度，當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。通過(guò)單片機(jī)來(lái)檢測(cè)高低電平，由此來(lái)檢測(cè)環(huán)境氣體。

檢測(cè)中利用傳感器阻值與被測(cè)氣體濃度的計(jì)算關(guān)系式可得：

其中，n，m均為常數(shù)。n與氣體檢測(cè)靈敏度有關(guān)，除了隨傳感器材質(zhì)和不同的氣體種類外，當(dāng)所測(cè)量處溫度的不同也會(huì)發(fā)生變化;m稱為氣體分離率，表示隨氣體的濃度而變化的傳感器的靈敏度，研究表明m值多處于1/2和1/3比較合適。設(shè)計(jì)時(shí)，與MQ_2的數(shù)字引腳連接，設(shè)定閾值，當(dāng)超出閾值時(shí)引腳為高電平。

3.1.3PIR傳感器

在智能家居環(huán)境中，有時(shí)需要檢測(cè)人員何時(shí)離開(kāi)或何時(shí)進(jìn)入該區(qū)域或接近該區(qū)域的基本項(xiàng)目或產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用的是PIR傳感器。PIR基本上是由熱釋電傳感器制成的，可以檢測(cè)紅外輻射的水平。因?yàn)槿耸呛銣貏?dòng)物，所以在無(wú)人進(jìn)入探測(cè)區(qū)時(shí)，紅外輻射比較穩(wěn)定，一旦人體紅外線輻射進(jìn)來(lái)，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦就使熱釋電器件產(chǎn)生突變電信號(hào)，從而發(fā)出警報(bào)。研究可知，該種傳感器功耗和成本都很低，鏡頭視角范圍廣闊，不僅堅(jiān)固耐用，而且易于接口。

PIR傳感器本身具有2個(gè)插槽，每個(gè)插槽均由對(duì)IR敏感的特殊材料制成。當(dāng)傳感器閑置時(shí)，2個(gè)插槽都檢測(cè)到相同量的IR，即從房間或墻壁或室外輻射的環(huán)境量。當(dāng)諸如有人或動(dòng)物的溫暖物體經(jīng)過(guò)時(shí)，則先會(huì)攔截PIR傳感器的一半，這會(huì)導(dǎo)致兩半之間的“正向差異”變化。當(dāng)該暖體離開(kāi)感應(yīng)區(qū)域時(shí)，情況會(huì)發(fā)生相反的變化，從而使傳感器產(chǎn)生負(fù)的差分變化。人體感應(yīng)模塊的連接如圖5所示。當(dāng)感應(yīng)到人體時(shí)，NodeMCU采用灌電流點(diǎn)亮LED燈。

3.1.4水泵和減速電機(jī)傳感器模塊

通過(guò)微處理器控制水的用量，可節(jié)約大量的水資源、防止水浪費(fèi)等，同時(shí)可通過(guò)手機(jī)App遠(yuǎn)程觀看水閥開(kāi)關(guān)情況，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程關(guān)閉功能。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，電機(jī)將用于對(duì)窗簾的智能控制。但由于微處理器很難直接驅(qū)動(dòng)水泵和電機(jī)模塊，設(shè)計(jì)中結(jié)合L9110S四路電氣驅(qū)動(dòng)板來(lái)共同驅(qū)動(dòng)。水泵和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的連接示意如圖6所示。

3.2物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)

對(duì)比不同云平臺(tái)發(fā)現(xiàn)，TlinK物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)更適合家居系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，使用WiFi技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信連接，充分利用家庭WiFi覆蓋的優(yōu)勢(shì)。Tlink智能家居物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)可以接入市面上各種傳感器，而不是綁定自己的專屬硬件，從而給用戶更大的選擇空間，降低采購(gòu)成本。傳輸層由各種網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算平臺(tái)等組成，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。多比智能云網(wǎng)關(guān)是專門(mén)針對(duì)云組態(tài)SCADA分布系統(tǒng)應(yīng)用推出的前置智能數(shù)據(jù)采集，能將溫度、濕度、PH值、光強(qiáng)度、CO2數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳到云端數(shù)據(jù)服務(wù)器中，也可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲(chǔ)，具有遠(yuǎn)程查詢，斷點(diǎn)續(xù)傳的特點(diǎn)，確保系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整性。數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程存儲(chǔ)的研發(fā)界面如圖7所示。

Tlink智能家居物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)可以按照不同的項(xiàng)目規(guī)模大小、軟硬件配置，靈活配置實(shí)時(shí)畫(huà)面、控制界面、趨勢(shì)圖、報(bào)表、告警、手機(jī)App等。例如，對(duì)于溫濕度、光照參數(shù)等，可收集每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)試點(diǎn)的信息動(dòng)態(tài)顯示，并根據(jù)各類信息來(lái)自動(dòng)控制家電設(shè)備，對(duì)異常信息進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。為了在演示上具有直觀性，對(duì)DHT.11傳感器呼氣實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。物聯(lián)網(wǎng)App移動(dòng)終端的菜單界面如圖8所示。

本設(shè)計(jì)采用了云組態(tài)模式，對(duì)家居環(huán)境信息可以實(shí)現(xiàn)共享，授權(quán)后也可一起管理家居設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測(cè)和遠(yuǎn)程控制功能。智能家居管理者還可發(fā)布二維碼或者鏈接，在將其提供給訪問(wèn)者后，輸入密碼即可訪問(wèn)。

登錄后進(jìn)入顯示主界面，實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程存儲(chǔ)，彌補(bǔ)了微處理器的內(nèi)存不足的缺點(diǎn)。與此同時(shí)，界面還能夠兼具觀測(cè)天氣預(yù)報(bào)等情況，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)最近五天的天氣。綜上所述，可得云組態(tài)控制界面如圖9所示。

3.3樹(shù)莓派的選型與傳感器的連接

3.3.1樹(shù)莓派的選擇

樹(shù)莓派的功能非常強(qiáng)大，這是一款基于ARM的微型電腦主板，具有8個(gè)GPIO引腳，以SD卡為內(nèi)存硬盤(pán)，卡片主板周?chē)?個(gè)USB接口和一個(gè)100以太網(wǎng)接口，相當(dāng)于一臺(tái)計(jì)算機(jī)，能運(yùn)行真正的現(xiàn)代操作系統(tǒng)，可以連接鍵盤(pán)和鼠標(biāo)，接入因特網(wǎng)，并向電視或顯示器輸出高清圖像。樹(shù)莓派的B型板還帶有內(nèi)嵌的以太網(wǎng)接口，配有廉價(jià)易用的USBWiFi適配器。而且樹(shù)莓派的開(kāi)發(fā)環(huán)境具有易用性。

本次設(shè)計(jì)選用樹(shù)莓派的4B+作為主控平臺(tái)，通過(guò)百度AI開(kāi)放平臺(tái)提供的SDK實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音控制運(yùn)行云平臺(tái)提供的SDKPython腳本代碼，樹(shù)莓派4B+發(fā)揮的是統(tǒng)籌全局的作用。

3.3.2麥克風(fēng)模塊

設(shè)計(jì)時(shí)需要在線實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別和語(yǔ)音合成功能。對(duì)語(yǔ)音識(shí)別來(lái)說(shuō)，可通過(guò)樹(shù)莓派來(lái)采集聲音信號(hào)，接著保存為wav格式，再上傳至百度云平臺(tái)對(duì)采樣率、位深和聲道進(jìn)行處理。之后返回編碼格式識(shí)別出文字。同樣，語(yǔ)音合成功能就是將文字信息推送至云服務(wù)，云平臺(tái)處理后再返回給MP3的編碼格式。從而實(shí)現(xiàn)將文字轉(zhuǎn)為語(yǔ)音播報(bào)的功能，采用的麥克風(fēng)為麥克風(fēng)雙陣列，既可做到遠(yuǎn)場(chǎng)拾音、回音消除，而且也有著體積小巧和構(gòu)造靈活等特點(diǎn)。還可直接與樹(shù)莓派連接起來(lái)，安裝驅(qū)動(dòng)也很簡(jiǎn)單。

3.3.3CSI攝像頭模塊

CSI攝像頭具有500萬(wàn)像素，15cm排線直接接入樹(shù)莓派主板，本設(shè)計(jì)通過(guò)其與樹(shù)莓派連接實(shí)現(xiàn)人臉在線檢測(cè)功能，樹(shù)莓派官方的攝像頭已經(jīng)配置并安裝好了PFC軟排線，只需要把排線插入到樹(shù)莓派4B+的CSI接口上，注意需要把接口黑色部分提起，然后插入排線，最后壓緊即可。此外，隨攝像頭還配備了一個(gè)調(diào)節(jié)焦距用的旋鈕。

4軟件設(shè)計(jì)與流程

軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)了采用ArduinoIDE開(kāi)發(fā)、ArduinoNano和NodeMCU聯(lián)合開(kāi)發(fā)模式。其中，ArduinoNano串口檢測(cè)樹(shù)莓派下發(fā)的指令，響應(yīng)指令狀態(tài)。NodeMCU負(fù)責(zé)與傳感器的連接和發(fā)送至云服務(wù)器，且與ArduinoNanoIIC連接實(shí)現(xiàn)響應(yīng)Nano指令。從而實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音反饋、傳感器采集信息和電機(jī)控制。程序設(shè)計(jì)流程如圖10所示。

5結(jié)束語(yǔ)

本文提出將樹(shù)莓派和NodeMCU開(kāi)發(fā)板聯(lián)合開(kāi)發(fā)一款性價(jià)比極高的智能語(yǔ)音交互家居系統(tǒng)，設(shè)計(jì)使用樹(shù)莓派4B+在Linux系統(tǒng)下運(yùn)行百度云平臺(tái)提供的SDK加上麥克風(fēng)陣列和CSI攝像頭實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音合成、人臉檢測(cè)等主要功能，實(shí)現(xiàn)人與硬件設(shè)備語(yǔ)音交互。NodeMCU通過(guò)內(nèi)置ESP8266芯片使用ArduinoIDE編譯將傳感器采集數(shù)據(jù)通過(guò)TCP協(xié)議與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程存儲(chǔ)、家庭環(huán)境信息的遠(yuǎn)程觀測(cè)、遠(yuǎn)程控制。設(shè)計(jì)采用2款主流硬件，樹(shù)莓派實(shí)現(xiàn)完整的操作系統(tǒng)安裝，調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)API連接，實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境監(jiān)測(cè)、家用電器控制、安防管理及語(yǔ)音交互功能。產(chǎn)品將傳感器技術(shù)、WiFi技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、LabVIEW技術(shù)結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控并及時(shí)控制，采用無(wú)線技術(shù)，不需任何布線，實(shí)施方便。系統(tǒng)穩(wěn)定性，可靠性好，設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟硬件拓展方便，安全性高。整個(gè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，方便，能在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行熟練操作，產(chǎn)品功耗低，可以用移動(dòng)電源供電，安裝快捷方便，能快速組建一個(gè)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)控系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]周宏偉.智能家居的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及相關(guān)無(wú)線通信技術(shù)研究[J].數(shù)字通信世界，2019（3）：115.

[2]滿莎，楊恢先，彭友，等.基于ARM9的嵌入式無(wú)線智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010，30（9）：2541-2544.

[3]劉碩，趙彥博，杜佳林，等.基于藍(lán)牙的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].通信與信息技術(shù)，2020（02）：72-73，61.

[4]孫全寶.基于語(yǔ)音識(shí)別的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2020，10（7）：105-106，110.

[5]薛輝.基于語(yǔ)音合成的智慧導(dǎo)游系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù)，2020，44（2）：112-115，120.