基于語(yǔ)音識(shí)別和MQTT協(xié)議的智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1、基于語(yǔ)音識(shí)別和 MQTT 協(xié)議的智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)摘 要：隨著科技的發(fā)展，智能語(yǔ)音技術(shù)逐漸成熟，現(xiàn)已成為智能家居產(chǎn)品的前沿標(biāo)配?？拼笥嶏w作為中國(guó)最大 的智能語(yǔ)音技術(shù)提供商，其擁有的中文語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識(shí)別 等多項(xiàng)技術(shù)均處于國(guó)際領(lǐng)先地位。以科大訊飛語(yǔ)音技術(shù)為基 礎(chǔ)，使用語(yǔ)音這種最直接、 自然的方式， 采用 MQTT 即時(shí)通 信協(xié)議作為系統(tǒng)模塊間的連接手段，實(shí)現(xiàn)紅外遙控、人體健 康監(jiān)測(cè)、煙霧和氣體警報(bào)、 App 遠(yuǎn)程控制監(jiān)測(cè)等模塊功能， 研發(fā)和構(gòu)建一套智能家居系統(tǒng)，旨在為人們的家居生活提供 便利，提升生活品質(zhì)。關(guān)鍵詞： MQTT 協(xié)議；語(yǔ)音識(shí)別；智能家居； App中圖分類號(hào)： TP391；TN929

2、文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）11-00-03隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)生活環(huán)境和工作環(huán)境的要求不斷提高，開(kāi)始步入網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化的智能化社會(huì)。智能化是新世紀(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，智能家居應(yīng)運(yùn)而生。目前國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)家庭尚不具備使用智能家居的條件，方面由于智能家居產(chǎn)品價(jià)格普遍偏高，另一方面是因?yàn)榇?量廠家過(guò)分夸大智能家居的功能而實(shí)際卻無(wú)法達(dá)到所述效果，大量智能家居產(chǎn)品并不智能。 所以對(duì)于大部分家庭來(lái)說(shuō)， 智能家居只是一個(gè)概念產(chǎn)品，且價(jià)格昂貴，不具有較好的實(shí)用性 1。盡管如此，中國(guó)的智能家居依舊在發(fā)展，家電智能化已從最初的“聯(lián)網(wǎng)”和“ App 化”逐漸轉(zhuǎn)向語(yǔ)音、圖像、手勢(shì)控制，

3、智能化程度明顯提高。語(yǔ)音作為人與人之間最常用的交互方式，也必然將在未來(lái)的智能家居中廣泛使用2?？拼笥嶏w作為中國(guó)最大的智能語(yǔ)音技術(shù)提供商，其擁有的中文語(yǔ)音合成、語(yǔ)音識(shí)別等多項(xiàng)技術(shù)均處于國(guó)際領(lǐng)先地位3 。以科大訊飛語(yǔ)音技術(shù)為基礎(chǔ)，使用語(yǔ)音方式4 ，采用MQTT 即時(shí)通信協(xié)議作為系統(tǒng)模塊間的連接手段，實(shí)現(xiàn)紅外 遙控、人體健康監(jiān)測(cè)、煙霧和氣體警報(bào)、 App 遠(yuǎn)程控制監(jiān)測(cè) 等模塊功能，研發(fā)和構(gòu)建一套智能家居系統(tǒng) 5 。MQTT 是一個(gè)由 IBM 開(kāi)發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議，它被設(shè)計(jì)用于輕量級(jí)的發(fā)布 /訂閱式消息傳輸。 MQTT 協(xié)議可保證傳 輸可靠安全，采用消息推送機(jī)制，內(nèi)容推送靈活、自由，同 時(shí)又具備低帶寬

4、、低耗能、低成本的優(yōu)勢(shì)，帶寬利用率高、 耗電少，可作為家居物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸?shù)闹饕獏f(xié)議。本文采用 MQTT 傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)了一套智能家居系統(tǒng) 6 ，該系統(tǒng)具有語(yǔ)音識(shí)別與控制、健康與家居安全檢測(cè)、語(yǔ)音提 醒等功能。1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)可方便用戶通過(guò)手機(jī) App 用語(yǔ)音控制紅外家電， 并可以在手機(jī) App 上查看系統(tǒng)中家居安全監(jiān)測(cè)模塊、 健康檢測(cè) 模塊等的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)以家庭主機(jī)作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心，在設(shè)計(jì)上采用了模塊化方案， 各模塊與家庭主機(jī)之間采用 MQTT 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù) 傳輸。 各模塊作為 MQTT 訂閱者從家庭主機(jī)接收指令， 同時(shí) 作為 MQTT 發(fā)布者將各模塊數(shù)據(jù)上傳給家庭主機(jī)； 為了使手 機(jī) App 的

5、使用不局限于家中的局域網(wǎng)， 將家庭主機(jī)通過(guò)路由 器連接到遠(yuǎn)程服務(wù)器，在服務(wù)器上運(yùn)行 mosquitto 代理服務(wù)， 同樣使用 MQTT 協(xié)議進(jìn)行手機(jī) App 和家庭主機(jī)之間數(shù)據(jù)的 傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。在系統(tǒng)中，家庭主機(jī)通過(guò)創(chuàng)建 WiFi 熱點(diǎn)供其他模塊接入，以搭建本地局域網(wǎng)。此外，家庭主機(jī)作為所有模塊的數(shù) 據(jù)匯集、轉(zhuǎn)發(fā)中心，可以對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而在 家庭主機(jī)上添加各模塊數(shù)據(jù)顯示、語(yǔ)音播報(bào)、異常報(bào)警等相 關(guān)功能。使用者通過(guò)手機(jī) App 與系統(tǒng)進(jìn)行交互， 手機(jī) App 通過(guò)對(duì)語(yǔ)音命令進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)而通過(guò)遠(yuǎn)程服務(wù)器向家庭主機(jī)發(fā)送命 令，或直接接入家中局域網(wǎng)，向家庭主機(jī)發(fā)送命令。2

6、語(yǔ)音識(shí)別技術(shù) 考慮到語(yǔ)音識(shí)別算法的復(fù)雜性，且科大訊飛擁有成熟的語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，并推出了以語(yǔ)音交互技術(shù)為核心的人工智能 開(kāi)放平臺(tái)，為開(kāi)發(fā)者免費(fèi)提供語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音合成等語(yǔ)音技 術(shù) SDK 。所以系統(tǒng)以科大訊飛的語(yǔ)音技術(shù)為基礎(chǔ)， 將訊飛的 相關(guān)庫(kù)集成到系統(tǒng) App 中，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)語(yǔ)音命令的快速識(shí) 別與理解。手機(jī) App 將使用者語(yǔ)音命令的錄音上傳到訊飛云 端服務(wù)器，在服務(wù)器上進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別，識(shí)別出使用者的語(yǔ)音 命令，然后根據(jù)一定的語(yǔ)法規(guī)范提取出語(yǔ)音命令中的關(guān)鍵 字，構(gòu)成 JSON 字符串， 將該 JSON 字符串返回到手機(jī) App。手機(jī) App 對(duì)該 JSON 字符串進(jìn)行解析， 從而獲得使用者語(yǔ)音 命

7、令的具體含義，進(jìn)行下一步操作。語(yǔ)音識(shí)別流程如圖 2 所示。3 MQTT 協(xié)議簡(jiǎn)介MQTT 是 IBM 開(kāi)發(fā)的一個(gè)即時(shí)通訊協(xié)議，是面向 M2M和物聯(lián)網(wǎng)的連接協(xié)議，采用輕量級(jí)發(fā)布和訂閱消息傳輸機(jī) 任務(wù)是將消息派發(fā)給訂閱者 7 。即發(fā)布者接收消息，然后把 消息轉(zhuǎn)發(fā)給訂閱者。轉(zhuǎn)發(fā)消息時(shí)， MQTT 代理使用話題制。 MQTT中的關(guān)鍵組件是 MQTT代理（Broker）,其主要（Topic）來(lái)過(guò)濾客？舳??；疤餼拖褚桓魴檳饌u潰？把發(fā)布者與其訂閱者連接起來(lái)。 話題由 MQTT 代理管理。 通過(guò)話題進(jìn) 行消息傳輸， 消息生產(chǎn)者 （發(fā)布者） 和消息消費(fèi)者 （訂閱者） 之間沒(méi)有直接依賴關(guān)系，所以該協(xié)議高度可擴(kuò)展

8、。MQTT 架構(gòu)如圖 3 所示。4 基于 MQTT 協(xié)議制定系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范 系統(tǒng)中家庭主機(jī)和遠(yuǎn)程服務(wù)器同時(shí)開(kāi)啟 MQTT 代理服務(wù)。在家中，家庭主機(jī)開(kāi)啟代理并訂閱相應(yīng) Topic 的消息， 各模塊連接家庭主機(jī)創(chuàng)建的熱點(diǎn)，作為 MQTT 的 Publisher ， 向家庭主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。 遠(yuǎn)程服務(wù)器也開(kāi)啟 MQTT 代理并訂閱 相應(yīng) Topic 的消息，家庭主機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，作為 MQTT 的Publisher，以相應(yīng)的Topic將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)程服務(wù)器，服務(wù) 器再把數(shù)據(jù)推送給手機(jī) App8 。4.1 家庭主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)程（連接到遠(yuǎn)程服務(wù)器） 家庭主機(jī)向遠(yuǎn)程服務(wù)器訂閱 Name 主題以及各模塊使用的主

9、題，在模塊上線后將模塊名以 Name 主題發(fā)送給遠(yuǎn)程服 務(wù)器，家庭主機(jī)作為遠(yuǎn)程服務(wù)器的訂閱者，將從各模塊主題 收到的內(nèi)容以同樣的主題轉(zhuǎn)發(fā)到本地代理，當(dāng)本地代理收到模塊上傳的信息后則以該模塊名為主題轉(zhuǎn)發(fā)信息給遠(yuǎn)程服務(wù)器。家庭主？C規(guī)范流程如圖4所示。4.2 各模塊進(jìn)程（連接到家庭主機(jī)代理） 首先發(fā)送消息： Topic=Name ，內(nèi)容為模塊名 （如“紅外”、心率”、“血氧”、“ M Q2 ”、“ M Q 7 ”） 。 M Q2 和 MQ7 以自己 的模塊名To pic （如MQ2 ,MQ7）發(fā)送消息，紅外以Top ic=Ray訂閱消息。上述模塊發(fā)送消息時(shí)都應(yīng)把QoS 設(shè)為 1。模塊規(guī)范流程如圖

10、5 所示。4.3 手機(jī) App 進(jìn)程不管是連入家庭主機(jī)的 WiFi 熱點(diǎn)，還是連接遠(yuǎn)程服務(wù)器，都要訂閱 Topic=Name 主題來(lái)添加模塊。同時(shí)以接收到 的內(nèi)容為主題訂閱消息 （如 Topic=MQ2 ）9 ，不管在何處都 可接收消息。上述規(guī)范中各模塊運(yùn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。若之后還需為系統(tǒng)添加更多的功能模塊，僅需在新添 加的模塊上運(yùn)行制定的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議就可進(jìn)行系統(tǒng)功能的 擴(kuò)展，同時(shí)也便于手機(jī) App 接收及顯示模塊名稱和相關(guān)信 息，方便用戶查看。App 規(guī)范流程如圖 6 所示。5 結(jié)語(yǔ) 本套系統(tǒng)引入語(yǔ)音識(shí)別，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音對(duì)系統(tǒng)中各模塊的控制以及數(shù)據(jù)讀取。使用者通過(guò)發(fā)送語(yǔ)音命令取代一

11、系列需要?jiǎng)邮值牟僮鳎?大大提高了生活的便利性。 系統(tǒng)基于 MQTT 協(xié)議，制定獨(dú)有的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范。家庭主機(jī)通過(guò)創(chuàng)建WiFi 熱點(diǎn)接入系統(tǒng)中的其他模塊，搭建本地局域網(wǎng)。系統(tǒng)中的各模 塊按照制定的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸， 使得手機(jī) App 的 操作大大簡(jiǎn)化，且更加人性化，同時(shí)使得系統(tǒng)添加模塊變得分方便，具有很好的拓展性。參考文獻(xiàn)J.1 俞文俊，凌志浩 .一種物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)的研究自動(dòng)化儀表， 2011， 32（8）： 56-59.2何婉榕.關(guān)于人工智能與語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的研究J.科技尚品， 2017（3）： 182.3 宗明明， 魏瑜萱， 高健.基于通用設(shè)計(jì)理念的空巢老年人生活輔助用品設(shè)計(jì)研究 J

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