基于語音識別和MQTT協(xié)議的智能家居系統(tǒng)實現(xiàn)

于亦瀟+鄭其林+成欣雨

摘 要：隨著科技的發(fā)展，智能語音技術(shù)逐漸成熟，現(xiàn)已成為智能家居產(chǎn)品的前沿標(biāo)配。科大訊飛作為中國最大的智能語音技術(shù)提供商，其擁有的中文語音合成、語音識別等多項技術(shù)均處于國際領(lǐng)先地位。以科大訊飛語音技術(shù)為基礎(chǔ)，使用語音這種最直接、自然的方式，采用MQTT即時通信協(xié)議作為系統(tǒng)模塊間的連接手段，實現(xiàn)紅外遙控、人體健康監(jiān)測、煙霧和氣體警報、App遠(yuǎn)程控制監(jiān)測等模塊功能，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；語音識別；智能家居；App

中圖分類號：TP391；TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）11-00-03

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對生活環(huán)境和工作環(huán)境的要求不斷提高，開始步入網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化的智能化社會。智能化是新世紀(jì)的發(fā)展趨勢，智能家居應(yīng)運而生。

目前國內(nèi)絕大多數(shù)家庭尚不具備使用智能家居的條件，一方面由于智能家居產(chǎn)品價格普遍偏高，另一方面是因為大量廠家過分夸大智能家居的功能而實際卻無法達(dá)到所述效果，大量智能家居產(chǎn)品并不智能。所以對于大部分家庭來說，智能家居只是一個概念產(chǎn)品，且價格昂貴，不具有較好的實用性[1]。

盡管如此，中國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)向語音、圖像、手勢控制，智能化程度明顯提高。語音作為人與人之間最常用的交互方式，也必然將在未來的智能家居中廣泛使用[2]。

科大訊飛作為中國最大的智能語音技術(shù)提供商，其擁有的中文語音合成、語音識別等多項技術(shù)均處于國際領(lǐng)先地位[3]。以科大訊飛語音技術(shù)為基礎(chǔ)，使用語音方式[4]，采用MQTT即時通信協(xié)議作為系統(tǒng)模塊間的連接手段，實現(xiàn)紅外遙控、人體健康監(jiān)測、煙霧和氣體警報、App遠(yuǎn)程控制監(jiān)測等模塊功能，研發(fā)和構(gòu)建一套智能家居系統(tǒng)[5]。

MQTT是一個由IBM開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議，它被設(shè)計用于輕量級的發(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，同時又具備低帶寬、低耗能、低成本的優(yōu)勢，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)計了一套智能家居系統(tǒng)[6]，該系統(tǒng)具有語音識別與控制、健康與家居安全檢測、語音提醒等功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)可方便用戶通過手機(jī)App用語音控制紅外家電，并可以在手機(jī)App上查看系統(tǒng)中家居安全監(jiān)測模塊、健康檢測模塊等的數(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的使用不局限于家中的局域網(wǎng)，將家庭主機(jī)通過路由器連接到遠(yuǎn)程服務(wù)器，在服務(wù)器上運行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)通過創(chuàng)建WiFi熱點供其他模塊接入，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、語音播報、異常報警等相關(guān)功能。

使用者通過手機(jī)App與系統(tǒng)進(jìn)行交互，手機(jī)App通過對語音命令進(jìn)行識別，進(jìn)而通過遠(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 語音識別技術(shù)

考慮到語音識別算法的復(fù)雜性，且科大訊飛擁有成熟的語音識別技術(shù)，并推出了以語音交互技術(shù)為核心的人工智能開放平臺，為開發(fā)者免費提供語音識別、語音合成等語音技術(shù)SDK。所以系統(tǒng)以科大訊飛的語音技術(shù)為基礎(chǔ)，將訊飛的相關(guān)庫集成到系統(tǒng)App中，成功實現(xiàn)了對語音命令的快速識別與理解。手機(jī)App將使用者語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)行語音識別，識別出使用者的語音命令，然后根據(jù)一定的語法規(guī)范提取出語音命令中的關(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對該JSON字符串進(jìn)行解析，從而獲得使用者語音命令的具體含義，進(jìn)行下一步操作。

語音識別流程如圖2所示。

3 MQTT協(xié)議簡介

MQTT是IBM開發(fā)的一個即時通訊協(xié)議，是面向M2M和物聯(lián)網(wǎng)的連接協(xié)議，采用輕量級發(fā)布和訂閱消息傳輸機(jī)制。MQTT中的關(guān)鍵組件是MQTT代理（Broker），其主要任務(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，MQTT代理使用話題（Topic）來過濾客戶端。話題就像一個虛擬通道，把發(fā)布者與其訂閱者連接起來。話題由MQTT代理管理。通過話題進(jìn)行消息傳輸，消息生產(chǎn)者（發(fā)布者）和消息消費者（訂閱者）之間沒有直接依賴關(guān)系，所以該協(xié)議高度可擴(kuò)展。

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)器同時開啟MQTT代理服務(wù)。在家中，家庭主機(jī)開啟代理并訂閱相應(yīng)Topic的消息，各模塊連接家庭主機(jī)創(chuàng)建的熱點，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)App[8]。

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。endprint

家庭主機(jī)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”、“MQ2”、“MQ7”）。MQ2和MQ7以自己的模塊名Topic（如MQ2，MQ7）發(fā)送消息，紅外以Topic=Ray訂閱消息。上述模塊發(fā)送消息時都應(yīng)把QoS設(shè)為1。

模塊規(guī)范流程如圖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，還是連接遠(yuǎn)程服務(wù)器，都要訂閱Topic=Name主題來添加模塊。同時以接收到的內(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

本套系統(tǒng)引入語音識別，實現(xiàn)語音對系統(tǒng)中各模塊的控制以及數(shù)據(jù)讀取。使用者通過發(fā)送語音命令取代一系列需要動手的操作，大大提高了生活的便利性。系統(tǒng)基于MQTT協(xié)議，制定獨有的數(shù)據(jù)傳輸規(guī)范。家庭主機(jī)通過創(chuàng)建WiFi熱點接入系統(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的操作大大簡化，且更加人性化，同時使得系統(tǒng)添加模塊變得十分方便，具有很好的拓展性。

參考文獻(xiàn)

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