基于MQTT協(xié)議的面向老年人陪護(hù)的智能語(yǔ)音助手研發(fā)

鄭健

（湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建莆田，351119）

0 引言

根據(jù)第七次全國(guó)人口普查數(shù)據(jù)顯示，2010年至2020年，我國(guó)（大陸地區(qū)，下同）60歲及以上人口的比重上升了5.44個(gè)百分點(diǎn)，65歲及以上人口的比重上升了4.63個(gè)百分點(diǎn)。與2000-2010年相比，上述指標(biāo)的增幅分別提高了2.51和2.72個(gè)百分點(diǎn)，表明我國(guó)的人口老齡化進(jìn)程明顯處于加速狀態(tài)[1]。預(yù)計(jì)到2025年，我國(guó)六十歲以上人口將達(dá)到3億，成為超老年型國(guó)家[2]。

針對(duì)這一些問(wèn)題作者做了《面向老年人陪護(hù)的智能語(yǔ)音助手設(shè)計(jì)需求調(diào)研》，普遍老年人認(rèn)為越是簡(jiǎn)單易上手的設(shè)備更好，如使用通過(guò)智能語(yǔ)音設(shè)備如智能音箱或手環(huán)直接呼出或簡(jiǎn)易定位的通訊設(shè)備。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

該項(xiàng)目參考模型如圖1所示，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的四層參考模型設(shè)計(jì)，在感知層主要設(shè)備有無(wú)線傳感控制器、溫濕度傳感模塊、攝像頭及A9G模塊，傳輸層主要根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)采用有線及無(wú)線的傳輸方式，其中無(wú)線傳感終端主要采用WIFI的方法接入，無(wú)線通訊終端使用GPRS的方式接入，其協(xié)議使用MQTT協(xié)議進(jìn)行通訊。在平臺(tái)層上主要由微信小程序、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理平臺(tái)、EMQ平臺(tái)及樹莓派的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)組成，并由此支撐及服務(wù)語(yǔ)音識(shí)別、合成等諸多應(yīng)用。

圖1 系統(tǒng)參考模型圖

硬件設(shè)計(jì)方面：采用目前主流的開(kāi)源硬件，主要采用樹莓派、Arduino、ESP系列芯片組開(kāi)發(fā)板，使用DHT11及A9G模塊等做為感知終端采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及GPS等位置信息。

軟件設(shè)計(jì)方面：基于樹莓派的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)采用Python，其支持、融合度高；物聯(lián)網(wǎng)接入平臺(tái)使用Thinkphp架構(gòu)底層設(shè)計(jì)，它是國(guó)內(nèi)一款免費(fèi)開(kāi)源的快速簡(jiǎn)單的面向?qū)ο蟮妮p量級(jí) PHP 開(kāi)發(fā)框架，通過(guò) THINKPHP 使用，極大減輕了開(kāi)發(fā)的工作量，可進(jìn)行快速的基礎(chǔ)平臺(tái)部署及二次開(kāi)發(fā)[3]。

通訊協(xié)議方面：采用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)及終端主流的MQTT (Message Queuing Telemetry Transport,消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議)協(xié)議，它是由IBM公司提出的一種輕量級(jí)的消息發(fā)布和訂閱（publish/subscribe）方式的交換協(xié)議，其包含了MQTT消息代理服務(wù)器、發(fā)布者及訂閱者[4]。MQTT較CoAP在傳輸模式上更為靈活[5]，故課題采用MQTT方式。

2 語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

該系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如圖2所示，主要基于樹莓派（Raspbian 系統(tǒng)）、Python、HTML5、PHP、微信小程序設(shè)計(jì)的一款符合老年人使用的智能語(yǔ)音系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括：語(yǔ)音喚醒、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音合成、智能互動(dòng)、插件式功能擴(kuò)展等交互功能。

圖2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)圖

前端顯示系統(tǒng)采用HTML+CSS+DIV頁(yè)面布局技術(shù)，JavaScript（簡(jiǎn)稱：JS）腳本語(yǔ)言技術(shù)、JQuery（簡(jiǎn)稱JQ）JavaScript庫(kù)技術(shù)，其它前端與系統(tǒng)Python的通訊主要分為被動(dòng)顯示和主動(dòng)請(qǐng)求兩種。其中被動(dòng)顯示為了達(dá)到實(shí)時(shí)性，采用WebSocket方式實(shí)現(xiàn)，主動(dòng)請(qǐng)求是采用直接調(diào)用Python程序方式顯示。

整體設(shè)計(jì)架構(gòu)上支持應(yīng)用程序、網(wǎng)頁(yè)、微信小程序及移動(dòng)端的開(kāi)發(fā)接入。系統(tǒng)采用多進(jìn)程消息隊(duì)列管理模式運(yùn)行，各模塊和插件均為獨(dú)立進(jìn)程運(yùn)行互不干擾。進(jìn)程間采用消息通知方式通信。

系統(tǒng)預(yù)留語(yǔ)音喚醒、識(shí)別、合成、屏幕控制、微信小程序等通信接口，在后期的插件及功能擴(kuò)展方面可以根據(jù)需要，如老年人的其它語(yǔ)音陪護(hù)需要可以定制高耦合的功能插件，實(shí)現(xiàn)功能的靈活擴(kuò)展。

3 物聯(lián)網(wǎng)接入平臺(tái)開(kāi)發(fā)

該 平 臺(tái) 基 于LAMP【Linux+Apache+Mysql+PHP】環(huán)境進(jìn)行開(kāi)發(fā)，基于ThinkPhp5.0架構(gòu)，內(nèi)嵌百度地圖API，主要分為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備統(tǒng)計(jì)看板、設(shè)備告警管理、觸發(fā)器管理、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理、用戶管理、系統(tǒng)管理等功能，具體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)平臺(tái)具有多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、多點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)維護(hù)等功能。數(shù)據(jù)采集完成整個(gè)數(shù)據(jù)鏈上各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)建立和數(shù)據(jù)采集；實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)行全程動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控；數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)維護(hù)負(fù)責(zé)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和系統(tǒng)相關(guān)信息維護(hù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)在建構(gòu)時(shí)體現(xiàn)通用性、靈活性、擴(kuò)展性的特點(diǎn)，在整個(gè)數(shù)據(jù)鏈上保證數(shù)據(jù)的完整性、最終產(chǎn)品的唯一性及可靠性是關(guān)鍵，也是整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)的基礎(chǔ)。

4 無(wú)線傳感終端硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感終端硬件設(shè)計(jì)電路圖如圖4所示，其功能主要是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)溫濕度數(shù)據(jù)采集及開(kāi)關(guān)量設(shè)置的控制，其主控芯片采用NodeMcu，其WIFI支持STA、AP、STA+AP工作模式，該芯片集成度高，內(nèi)部集成有32位的微型處理器、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字外設(shè)接口、電源管理模塊等[6-7]。它使用Lua腳本語(yǔ)言編程。該平臺(tái)基于eLua 開(kāi)源項(xiàng)目,底層使用ESP8266 sdk 0.9.5版本，其IO接口比較豐富，能較好適用于多節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)男枰貪穸葌鞲衅鞑捎肈HT11，DHT11是一款有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度傳感器。其精度濕度±5%RH，溫度±2℃，量程濕度5～95%RH， 溫度-20℃～+60℃，能較好滿足測(cè)量的要求。開(kāi)關(guān)量的控制使用LED來(lái)進(jìn)行模擬，使用一個(gè)電阻進(jìn)行限流。

圖4 無(wú)線傳感終端設(shè)計(jì)原理圖

5 無(wú)線通訊終端硬件設(shè)計(jì)

該通訊終端設(shè)計(jì)原理圖如圖5所示，其在硬件上主要采用安信可公司的A9G模塊。其中A9G模塊是一個(gè)完整的四頻（GSM/GPRS+GPRS/GPS）模塊，其支持?jǐn)?shù)字音頻和模擬音頻，支持HR,FR,EFR,AMR語(yǔ)音編碼；同時(shí)該模塊功耗低，平均電流在2mA以下（開(kāi)機(jī)后默認(rèn)狀態(tài)的基底均值為8.8mA）,其具備基礎(chǔ)的電話/短信，GPRS聯(lián)網(wǎng)通信，GPS/BDS雙模定位功能[8]。

圖5 無(wú)線通訊終端設(shè)計(jì)原理圖

A9G芯片模塊需要5V和4.2V兩種電源電壓供電，主電源是采用5V的USB供電，5V的USB電源在為A9G芯片供電的同時(shí)也為A9G的鋰電池提供充電能源，充電電路采用具有恒壓恒流的鋰電池充電模塊TP4057芯片，其具有電流監(jiān)控、電池極性保護(hù)、欠壓保護(hù)、自動(dòng)再充電等功能，是一款專用的鋁電池充電模塊，當(dāng)電池兩端電壓達(dá)到4.2V時(shí)，其充電電流將自動(dòng)降至設(shè)定值的1/10，芯片將停止充電。當(dāng)5V的USB充電電源切斷，TP4057芯片也會(huì)自動(dòng)調(diào)整為低電流狀態(tài)，其漏電流小于2μA。A9G芯片的SIM模塊采用內(nèi)部電源供電，供電電壓為1.8V。

A9G芯片的語(yǔ)音輸出電路如圖6所示，電路由揚(yáng)聲器和三個(gè)瓷片電容構(gòu)成，揚(yáng)聲器用來(lái)將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲音信號(hào)，三個(gè)瓷片電容用于濾除高頻干擾小信號(hào)，保證輸出的聲音信號(hào)清晰。

圖6 A9G 開(kāi)發(fā)板語(yǔ)音輸出電路圖

6 通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

MQTT協(xié)議并未明確規(guī)定主題中數(shù)據(jù)的格式。JSON是一種易于讀寫的輕量級(jí)數(shù)據(jù)表示格式，使用文本來(lái)表示JavaScript對(duì)象的信息，被廣泛用在數(shù)據(jù)采集中[9]。由于JSON輕量易讀，結(jié)構(gòu)清晰，可以在多種語(yǔ)言之間進(jìn)行交換，數(shù)據(jù)傳輸效 率明顯優(yōu)于其他數(shù)據(jù)傳輸格式[10]，所以主題中數(shù)據(jù)內(nèi)容一般使用JSON 格式。在本項(xiàng)目中使用MQTT協(xié)議進(jìn)行發(fā)布終端DHT11采集的溫濕度數(shù)據(jù)并在微信小程序端訂閱該信息及GPS的相關(guān)定位數(shù)據(jù)。其主要使用Connect(連接)、Subscrible(訂閱)、Publish（推送）方法進(jìn)行，其消息封裝在Payload中。

AT+MQTTCONN="8.＊.33.202",1883,"Nano-A9g",120,0,"bl＊d","1＊" //客戶端等待和連接服務(wù)器，同時(shí)發(fā)送CONNECT

AT+MQTTPUB="ledStatus","v1",0,0,0

//客戶端向服務(wù)端傳輸一個(gè)應(yīng)用消息中間的1為L(zhǎng)ED狀態(tài)值

+MQTTPUBLISH: 1, test, 6, 124563

AT+MQTTSUB="ledStatus",1,0

//客戶端向服務(wù)端發(fā)送SUB報(bào)文用于創(chuàng)建訂閱

7 結(jié)語(yǔ)

智能語(yǔ)音做作為智能家居的一個(gè)重要載體在智能音箱上廣泛應(yīng)用，通過(guò)MQTT協(xié)議的支持，可以更好實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音助手的相關(guān)功能。經(jīng)過(guò)相關(guān)測(cè)試，系統(tǒng)的研發(fā)對(duì)于MQTT協(xié)議及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入平臺(tái)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的應(yīng)用也具有良好的示范作用。對(duì)于輕量化、數(shù)據(jù)量小、實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，可以做為傳統(tǒng)的NB-IOT及LoRa技術(shù)的一種有效補(bǔ)充，解決信號(hào)覆蓋，基站建設(shè)等大投入問(wèn)題。該系統(tǒng)的建設(shè)對(duì)智能化家居的管控、系統(tǒng)的建設(shè)等具備參考價(jià)值。