基于阿里云的智能云家居語音交互系統

馬 雷，何丹丹

（平頂山學院 信息工程學院，河南 平頂山 467000）

0 引 言

在傳統家居環境中，對家電的控制一般采用遙控器或者開關按鈕，而這樣會有距離限制，有時還會出現找不到遙控器的問題。隨著經濟的發展，物聯網技術應運而生?，F如今，家庭WiFi擁有率高達95%以上，利用物聯網技術來開發一款可遠程控制各種家電的智能家居系統，不僅擺脫了距離的限制，也提升了生活的幸福感[1-7]。

本文所提出的智能云家居語音交互系統集成了煙霧濃度模塊、光強度模塊、PM2.5濃度模塊、溫濕度模塊等硬件來作為數據采集端，通過繼電器來控制空調開關，通過絲桿電機控制窗簾開合以及RGB燈來模擬室內照明。該系統不僅可以通過語音控制，也可以通過Web端控制，為用戶提供了極大的便利。

1 系統硬件設計

1.1 系統總體設計

本設計中，硬件系統分為節點和中控兩個部分，節點和中控通過無線通信進行數據傳輸。節點套件包含傳感器（溫濕度、PM2.5、光照強度、煙霧濃度等）以及控制器（智能照明、窗簾、繼電器等），中控包括語音控制模塊等。節點數據通過LoRa無線通信傳輸到中控，中控通過WiFi連接阿里云通信將數據上傳至阿里云服務器，用戶在室內可以通過LCD屏查看數據，通過語音控制節點設備，也可以通過Web實時查看每個節點的數據和控制每個節點的設備。系統總體框圖如圖1所示[8-11]。

圖1 系統總體框圖

1.2 主控芯片

在本設計中，主控及節點均采用意法半導體公司開發的32位處理器。其中主控芯片采用的是STM32F103RCT6，內存大小為256 KB；節點芯片采用的是STM32F103C8T6，內存大小為68 KB，內核均為Cortex-M3。該系列芯片有多個ADC、SPI、I2C接口，支持庫函數開發，省去了寄存器復雜的計算步驟[12-14]。

1.3 語音模塊

本設計采用的是LD3320語音識別模塊，該模塊工作電壓為3.3 V，它通過漢語拼音識別語音且最多能存儲50條語音，語音識別距離為0～6 m，在距離2 m時識別效果達到最佳。此外，通過設置垃圾關鍵字來過濾無效語音。該模塊自帶語音開關，若不想使用語音交互或為了避免人聲嘈雜觸動開關，直接關閉模塊上的開關即可，使用時再打開。LD3320使用SPI串行同步通信，通過寄存器寫指令來切換工作模式，其中指令04H為語音識別模式，指令05H為語音播報模式，可通過自身的MP3播放器播報語音，語音支持MP3格式。

1.4 光強度模塊

本設計采用BH1750VI對光強度進行檢測，該模塊工作電壓為3.3～5 V，采用I2C串行同步通信。其原理為數模轉換，通過光生伏特效應將光信號轉化為電信號，經集成運放電路放大后由內部AD采集電壓，再由內部電路轉化為二進制數據，無需復雜的計算和數據偏移修正即可得到準確的光強度數據。

1.5 溫濕度模塊

本設計采用DHT11模塊檢測空氣溫濕度，該模塊工作電壓為3.3～5 V，其通信方式為單總線。它需要主機發送信號開始響應，采樣間隔為1 s。收到指令且延時一段時間后一次性發送40位二進制數據，前16位為濕度數據，17～36位為溫度數據，后8位為校驗和。該模塊自帶數據校驗，因此得到的數據只需通過簡單濾波算法過濾掉異常數據即可。

1.6 煙霧濃度模塊

本設計采用MQ2模塊對煙霧濃度進行檢測，該模塊工作電壓為3.3～5 V，其原理為數模轉換。MQ2氣體檢測層材料為二氧化錫，加熱器為鉻鎳合金，穩定性好，使用周期長。其數據檢測值與空氣中煙霧濃度呈負相關，可運用這一特性計算空氣中煙霧濃度準確數值。

1.7 PM2.5模塊

本設計使用GP2Y1010AU灰塵傳感器對PM2.5濃度進行檢測，該模塊工作電壓為3.3～5 V，其原理與MQ2相同，都為模數轉換。其采樣時間間隔為0.28 ms，極為靈敏，檢測數據與空氣中PM2.5濃度呈正相關，可利用這一特性結合輸出電壓值來計算得到準確的PM2.5數值。

1.8 繼電器

本設計使用直流1路繼電器控制空調開關，其工作原理為小電流控制大電流，直接控制各種設備和負載，該模塊工作電壓為5 V。當信號觸發端有低電平觸發時，公共端與常開端會接通，設備通電并工作，該設備控制區域與負載區域有隔離槽，安全性能較高。

1.9 室內照明

本設計使用三色RGB燈模擬室內照明，每兩種顏色燈同時打開能構成第三種不同的顏色，全部打開則為全彩燈，其工作電壓為3.3～5 V。在實際應用中該部分可接室內燈，并通過1.8小節中的繼電器實現控制。

1.10 窗簾電機

窗簾部分使用42YG34-401A插線式直流二相四線電機控制，其工作電壓為9～42 V，該電機為無刷電機，相較有刷電機無噪聲且壽命更長。因其工作電壓遠遠大于主控工作電壓，為防止電壓損壞單片機，該模塊配備了帶有隔離功能的電壓轉換器和專用電源模塊。在接收打開指令后，該模塊四線輪流置高電平，以此實現電機旋轉打開窗簾；在關閉窗簾時，只需按照相反的順序將引腳拉高。該模塊支持PWM波控制，可通過占空比配置來控制旋轉角度。

1.11 WiFi模塊

本設計采用ESP8266模塊對設備進行WiFi以及阿里云的連接，該模塊使用方便，工作電壓為3.3 V，通過AT指令進行操作。為方便用戶連接WiFi，設備內置一個WiFi名，用戶可自行創建該WiFi。在找不到內置WiFi時，該設備進入配網模式，用戶只需要根據屏幕操作提示，打開微信端的一鍵配網小程序即可完成系統的WiFi連接，該接口方便快捷且較為人性化，極大程度地做到了為用戶著想[15]。

1.12 LoRa模塊

為了實現節點和主控之間的通信，本設計采用了ATKLORA-01模塊，該LoRa模塊為串行異步全雙工通信，工作電壓為3.3～5 V。在本設計中，LoRa模式設置為定點通信，通信速率為2.4 Kb/s，信道為0x17，通信范圍為0～2 km。LoRa模塊可承載大量的數據收發，其在本設計中的主要功能是將節點數據上傳至主控，以及將主控操作指令下發至節點。

1.13 LCD顯示模塊

本設計采用1.3寸TFTLCD彩屏來對節點檢測到的環境數據和節點控制器狀態進行顯示，其分辨率為240×240，顏色為65K色，其工作電壓為3.3～5 V。該模塊采用ST7789VW驅動器進行驅動，主要原理是利用電流刺激液晶分子產生點、線、面并配合背光燈構成畫面[16]。此外，該模塊價格也相對比較低。

1.14 SD卡模塊

本設計中主控芯片ROM大小為256 KB。為了解決內存不足問題，本設計采用Micro SD卡模塊，外接SD卡作為外擴內存。該模塊工作電壓為3.3～5 V，使用SPI串行同步通信，通過各種指令進行讀寫，主要存放占用內存較大的MP3語音、字庫、圖片等文件。為方便操作，本設計采用了FatFs文件操作系統，通過該操作系統，文件解碼更為快捷，極大地節省了資源占用時間。

2 系統軟件設計

2.1 主程序設計

在系統第一次上電后，先對各部件進行初始化，各部件初始化完畢并成功連接阿里云平臺后，節點開始讀取傳感器數據以及各個控制器的狀態數據，要檢測的環境數據為PM2.5濃度、空氣溫濕度、光強度和煙霧濃度，在經過校驗和數據過濾后通過LoRa模塊發送至主控。此時主控循環判斷是否收到對節點電器的調控指令，指令格式為語音及網頁端消息，若收到指令則將其下發給節點做出對應控制，并播報相關語音。最后主控將收到的傳感器數據以及節點電器狀態顯示到LCD屏幕上，并通過MQTT協議將這些數據上傳到阿里云端。系統總體軟件設計流程如圖2所示。通過阿里云界面網頁端可以實時查看環境數據并做出電器調整。阿里云Web界面如圖3所示。

圖2 系統總體軟件流程

圖3 阿里云Web界面

2.2 調控裝置軟件設計

調控裝置軟件設計流程如圖4所示，在設備穩定運行后，主機循環掃描是否接到調控請求。請求格式分為兩種：網頁端和語音識別請求。

圖4 調控裝置軟件流程

用戶在網頁端開關虛擬按鍵時，進行操作一：數據以JSON格式下發到主控，主控經過解析轉化為二進制。接著進行操作二：數據解析為16進制，并通過LoRa通信下發到節點，節點再將數據轉化為二進制，識別消息后讓控制器做出對應反應?？烧{控電器有三種，分別為RGB燈、空調（繼電器）和窗簾（直流無刷電機）。在調控完畢后，會通過返回值以及文件操作系統調用SD卡中的MP3文件，做出語音提示電器已打開或已關閉，并以同樣的數據處理方式原路反向將控制器狀態返回至主控屏幕，并上傳至阿里云端。

在收到語音調控命令時，則會對語音進行拼音比對，同時通過垃圾關鍵詞過濾錯誤語音，比對成功后操作同操作二。

2.3 WiFi及阿里云連接軟件設計

WiFi及阿里云連接軟件流程如圖5所示。用戶連接WiFi有如下兩種方式：

圖5 WiFi及阿里云連接軟件流程

（1）方式一：在主控板編程中，該設計內置了一個名為SmartCloud的WiFi，密碼為12345678，用戶可將家庭WiFi及密碼改成該格式，這樣主控上電后會自動掃描連接這個WiFi，之后通過MQTT協議進行報文操作連接阿里云。

（2）方式二：在經過1 min的掃描后，若未掃描到內置WiFi，則設備進入SmartConfig模式，并在屏幕上提醒用戶打開微信小程序的一鍵配網模式，選擇AirKiss模式，輸入WiFi名和密碼，點擊即可完成主控板WiFi的連接，隨后同方式一，自動進行阿里云連接。

3 結 語

本文介紹了一種基于阿里云的智能云家居語音交互系統。該設計在應用方面功能齊全，兼具靈活性和實用性，同時在節點板上有預留端口，可繼續增加傳感器和控制器設備，為未來的進一步改進提供了可能。同時本設計款式新穎，最大的亮點是語音交互和網頁控制，以中程、遠程操控的方式，讓用戶擺脫了距離的束縛。