基于嵌入式Linux的智能家居機器人

西北民族大學 楊 萍 趙張燕 撒 靈 喬意凡 鄧小燕 張心歌

基于嵌入式Linux的智能家居機器人

西北民族大學 楊 萍 趙張燕 撒 靈 喬意凡 鄧小燕 張心歌

針對智能家居環境的需求，提出了基于嵌入式 Linux 的智能家居系統的設計方案。本系統由語音機器人和智能家居兩部分組成，設計上語音機器人采用基于嵌入式Linux的芯片作為主控制器，智能家居采用低功耗、穩定性高的芯片作為控制器，整個系統綜合藍牙技術、網絡技術以及傳感器技術綜合實現，最終實現通過語音機器人識別用戶的語音命令，實現了人們多年夢寐以求的“芝麻開門”的夢想。

智能家居；嵌入式；Linux；藍牙技術

0 引言

隨著計算機技術的發展，人與機器之間的交互越來越廣泛和深入。交流時由于操作數據的頻繁交互，人們越來越受到鼠標和鍵盤的束縛。在這種情況下，如何讓計算機智能化地與人進行通信，使人機交互更加自然、方便和快捷成為現代計算機科學的重要研究課題之一。語言是人類獲取信息最重要、最有效和最便捷的交流方式。如果計算機能夠聽懂人類語言，能夠表述人類語言，那么就不需要鼠標鍵盤，不同語言的人們交流也就會更容易。這個愿望實現的技術基礎就是語音識別和理解。

1 系統的整體設計

1.1 系統設計思想

本系統設計的思想是通過智能機器人控制家庭中的智能家居設備，系統將基于現有的語音識別合成技術，讓語音機器人在智能家居控制中扮演智能管家的角色，設計實現一套智能家居機器人系統，利用語音技術，使用戶在不用操作鼠標鍵盤等傳統方式上，實現智能家居的控制。

1.2 系統總體設計

1．2．1 語音機器人的設計

語音機器人采用類人的設計方法，具有手臂、頭等基本的外部骨架，采用移動式底盤，方便靈活控制，系統設計上采用Linux系統，在Linux系統之上開發語音識別合成、云端大腦等程序，最終語音機器人將具有人機對話、命令識別等功能。語音機器人最終實物圖如圖1所示。

圖1 語音機器人最終實物圖

圖2 智能家居設計單片機最終實物圖

1．2．2 智能家居的設計

智能家居設計擬采用51系列單片機作為控制器，這個系列的單片機具有低成本、穩定性高等特點，智能家居控制包括燈、風扇、門等的控制。最終實物圖如圖2所示。

2.硬件選型及功能

2.1 硬件選型模塊

2．1．1 Cubieboard模塊

Cubieboard采用DDR3 512Mb/1024Mb內存，市場上多見的是1024Mb內存的版本，其自帶有一個5v電源插口、1個SATA5v電源插口、1個SATA 2.0硬盤接口、HDMI視頻接口、Micro-SD卡卡槽、耳機插口、線路輸入插口、96Pin GPIO接口以及100M以太網插口和Mini-USB接口。如圖3所示。

2．1．2 藍牙模塊

系統中的D藍牙模塊采用HC-05主從機一體藍牙模塊，該模塊有豐富的I/O接口，傳輸距離可達到10M。數據傳輸采用串口方式，串口傳輸簡單、可靠且速度較快。此模塊的體積小、功耗低、使用方便，在本項目中使用能夠快速的響應主控器的指令，達到傳輸數據的能力。

圖3 Cubieboard模塊

2.2 功能實現

2．2．1 人機對話

語音機器人通過采集用戶的語音信息，通過百度語音在線識別，再將處理得到的語音信息發送給圖靈機器人人工大腦，人工大腦可以完成諸如百科知識、新聞資訊、天氣查詢、航班查詢等語音互動，最后再有語音合成處理成音頻文件播放出來，達到人機互動的能力。

2．2．2 語音控制

語音機器人通過采集用戶的語音信息，通過百度語音在線識別或者對本地語音識別，程序內部處理返回的語音信息，如果和預定的控制指令相同或者類似，經藍牙模塊將對應的控制指令發送給微控制器，微控制器控制智能家居中的風扇、燈光以及門窗等動作，達到語音控制的目的。

3 軟件設計

整個系統的軟件設計方法有三種，根據不同的應用場合和系統的負責程序采用不同的設計方法，一般情況下，簡單的系統可以采用常規的軟件設計方法；較為復雜的系統可以采用DSP仿真軟件CCS提供的DSP/BIOS設計方法（DSP/BIOS是TI公司專門為DSP設計的嵌入式軟件設計方法）；最為復雜的系統需要采用嵌入式操作系統進行設計。目前，OMAP5912支持的操作系統包括WinCE、Linux、Nucleus以及VxWorks等，可以根據需要選擇不同的操作系統，本系統采用嵌入式操作系統進行設計。

部分源程序：

智能家居實現：

void main()

{

led2=1;led1=1;//初始狀態關閉

init();

recieve=0x00;

while(1)

{

switch(recieve)

{

case 0x31 : led1=0;break;//開臥室燈

case 0x32 : led1=1;break;//關臥室燈

case 0x33 : led2=0;break;//開臥室燈

case 0x34 : led2=1;break;//關臥室燈

case 0x35 : duoji_flag=1;Duty=25;break;//開臥室燈

case 0x36 : duoji_flag=1;Duty=15;break;//關臥室燈

case 0x37 : duoji_flag=2;Duty=25;break;//開臥室燈

case 0x38 : duoji_flag=2;Duty=15;break;//關臥室燈

case 0x39 : duoji_flag=3;Duty=25;break;//開臥室燈

case 0x30 : duoji_flag=3;Duty=15;break;//關臥室燈

}

語言識別實現：

#獲取百度開發token

global token,api,ccuid,key

print ‘robot init-------＞＞＞＞＞＞＞＞’

token = get_token()

key = ‘a06f57927941448faea980695b82c9ce’

api = ‘http://www.tuling123.com/openapi/api?key=’ + key + ‘&info=’

ccuid=”00-08-CA-C1-0B-CD” #板子的mac地址

deflisten():

#監聽人的說話，并解析出文本

os.system(‘arecord -D “plughw:1,0” -f S16_LE -d 5 -r 8000 /root/study/listen.wav’)

use_cloud(token)

print ‘me:’,duihua

#print ‘duihua ---＞’,type(duihua)

def robotsay():

global duihua,api,ccuid,token,robotSay

info = duihua

duihua=’’

request = api + info

#print ‘request--＞’,request

response = getHtml(request)

dic_json = json.loads(response)

a = dic_json[‘text’]

#print ‘a type---＞’

#print type(a)

unicodestring = a

rebotSay = unicodestring.encode(“utf-8”)

print ‘rebot:’,rebotSay

print ‘robotSay DEBUG’

print ccuid,token

say_requests(rebotSay)

#baidu_tts_get(rebotSay,ccuid,token)

#print ‘tts to play’

os.system(‘mplayer say.mp3’)

def main():

r

obot_init()

while(True):

listen()

search(duihua)

robotsay()

if __name__ == “__main__”:

main()

‘’’

robot_init()

while(True):

baidu_tts_get(‘hello world’,ccuid,token)

os.system(‘mplayer say.mp3’)

4 系統開發與調試

4.1 前期開發與調試

前期調試包括系統學習Linux系統、Python編程語言、單片機原理與實踐應用，在完成基礎知識學習后，我們將購買材料，團隊將搜集各種機器人和智能家居方面的設計資料，綜合設計出一種移動靈活、美觀大方的機器人硬件和智能家居模型，硬件的搭建工作預計將會用時一個月的時間來完成。

4.2 中期開發與調試

中期調試包括關鍵技術學習、軟件程序編寫、機器人模塊化測試、智能家居模型測試，其中關鍵技術包括語音識別、語音合成、人工大腦設計，軟件編寫中主要包括控制命令識別，下達控制指令等，在完成技術攻克后，首先進行模塊化的功能測試，測試好每一個模塊的功能正常后，最后組織系統聯調和硬件軟件的優化工作。

4.3 后期開發與調試

后期調試主要是整個系統的調試工作，軟件上排除bug，硬件上做最好的改動，最終實現整個系統穩定運行。

5 結論

本項目設計改變了傳統的智能家居控制方式，現今市面上絕大多數智能家居設備都是通過手機APP的方式來實現控制，APP界面往往有很多按鈕和顯示框，導致用戶控制智能家居的時候感到繁瑣，特別是對于不善于使用智能手機的老人和殘障人士更是不方便，但是通過本項目的研究和設計，語音交互將成為人和機器人交流最人性化的交流方式，設計開發語音機器人，通過語音識別和合成，完成智能家居的控制，更加的方便快捷、人性化操作。在未來，我們的家庭將是智慧家庭，我們的家中將會有很多的智能設備，這些智能設備包括智能燈、智能窗戶、智能門等，眾多的智能設備要想協同工作，完成信息交流，用戶可以和機器人進行語音交流，完成智能控制，因此我們設計的機器人在一定程度上物聯機器人的智能化、人性化。

[1]劉顯強．基于嵌入式無線傳輸文件系統的研究與設計[D]．成都：電子科技大學,2012．

[2]馮開林,劉春艷,韓東旭．基于S3C2440平臺搭建linux環境[J]．通信技術,2013,46(11)：120-123．

[3]董萍．基于nRF2401A的家庭智能系統的設計與實現[J]．武漢輕工學學報,2015,34(2)：87-91．

西北民族大學國家大學生創新創業訓練計劃項目資助（項目編號：201710742063）。

楊萍（1996—），女，云南紅河人，西北民族大學2014級自動化專業本科生。