基于OpenHarmony 的智能居家語音提醒系統設計

劉銘華

（福建生物工程職業技術學院，福州 350000）

根據相關報道，我國年齡在60 周歲及以上的人口截至到2022 年已超過28 004 萬人，占總人口的19.8%，而且有強勢向上漲的趨勢[1]。我國已處在從老齡化較輕度階段步入老齡化中度階段，且預計2035 年，我國60 周歲及以上的人口將突破4 億。2023 年政府工作報告要求，要強化基本民生保障，提高人民生活水平，提升醫療衛生服務能力，推動老齡事業。隨著醫療養老等第三產業服務的發展，國內外也涌現出很多各式各樣的智能設備，甚至于2021 年華為率先提出了“HUAWEI Smart Home”解決方案。本文設計了一個智能語音提醒系統，具備成本低、便攜式良好等優點。

如今國際形勢風云變幻，全球化生產遭受國際政治影響，而科技領域也發生了大的變化。在這種形勢下，我國需要獨立自主的核心技術，并且有較好的應用生態。OpenHarmony 操作系統的前身是華為HarmonyOS，其發布時間為2019 年，主要是一套面向全場景的跨平臺多語言的分布式操作系統[2]。后期經過2020 年與2021 年2 年時間將智能終端操作系統相繼前后全部開源捐贈給開放原子開源基金會，于是命名為OpenHarmony 操作系統[3]。各大廠商相繼紛紛加入OpenHarmony 開發陣營，共建我國自主可控操作系統[4-5]。本文基于OpenHarmony 操作系統完成物聯網系統，實現自主可控的監護提醒功能。

本文設計一套基于OpenHarmony 的智能居家語音提醒系統，以Hi3861 作為主控MCU，以MQTT 作為上傳協議，完成將探測居家環境中溫濕度及光照度經WIFI 上傳華為云端，兼顧靠近語音提醒并記住人體活動信息，能夠遠程控制燈光的亮滅，有效地協助老年人或者身體有缺陷者進行如廁等活動。

1 系統整體設計

本系統設計如圖1 所示。使用Hi3861 為主控，其中溫濕度與光照度共用一個IIC0，將SHT30 采集溫濕度數據和BH1750 采集光照度數據傳遞給主控；而OLED 顯示使用IIC1 進行環境參數顯示；通過紅外感應檢測人體活動，經UART 進行SYN6228 的語音播報，達到輔助功能；最后經過Hi3861 內置WIFI 連接網絡，使用MQTT 協議進行華為云的數據上傳與控制。同時，經云平臺客戶可以進入環境數據查詢，并完成LED等設備的控制。

圖1 系統結構

1.1 基于Hi3861 的MCU 系統

Hi3861 是高度集成化的一款32bit 微型處理芯片，其內部集成IEEE802.11b/g/n 基帶電路和RF 電路的SOC WIFI 芯片，其WIFI 基帶支持正交頻分復用技術（OFDM），向下兼容直接序列擴頻（DSSS）和補碼鍵控技術（CCK）。之所以選擇Hi3861 作為主控MCU 是因為其極具外設接口豐富資源，包括多種GPIO、定時中斷、各種通信協議如SPI、IIC、UART 等等，同時支持HUAWEI LiteOS 和第三方組方，能滿足不同系統的設計要求[6]。構建基于OpenHarmony 系統的硬件原理圖如圖2 所示。

圖2 Hi3861 硬件系統

1.1.1 環境參數檢測

本系統環境參數主要采集溫濕度和光照度，采用BH1750 進行光照度的采集，同時采用SHT30 進行溫濕度采集，通過分時復用IIC0 進行通信。BH1750 是一款數字型光照強度傳感集成芯片，其構成檢測單元原理如圖3（a）所示。BH1750 芯片內含光敏PD、運算放大及16bitADC，能夠廣泛地對光照強度高精度測定，可達1 lux 的分辨力，測定上限可達100 000 lux，最小誤差變動在±20%，同時受紅外線影響很小。SHT30 是一款高度集成電容式測濕度元件和能隙式測溫度元件，其構成的溫濕度檢測原理如圖3（b）所示。SHT30芯片內含14bitADC，具有較高的可靠性與長期的穩定性等優點，其溫度測量精度可達±0.2 ℃，測溫范圍在5~60 ℃，分辨率達0.015 ℃；濕度范圍20~80%RH，濕度測量精度可達±2%RH。

圖3 環境參數檢測

1.1.2 紅外語音提醒

本系統的語音提醒單元由熱電勢紅外探測與SYN6228 語音播報2 部分組成，完成語音提醒功能。在圖4（a）中基于HC-SR505 小型感應模塊，能夠實現自動控制，具有高靈敏度、小體積、高可靠性、低功耗和經濟等優點，廣泛使用。若人體進行一定的活動，也會有電平信號，在不使用攝像頭涉及隱私的情況下可以進行人體活動信息記錄。檢測到電平變化立即通過UART 發送命令給SYN6228 芯片進行播音。SYN6228語音播報部分原理如圖4（b）所示，SYN6228 芯片將txt 轉換成中英文進行語音播報。該芯片支持GBK、UNICODE 等多種編碼格式；具備有多種不同的控制命令，具有16 級音量調節；支持6 級語速；等等。多種功能與控制，具備智能文本分析處理算法，可以識別多種常用格式進行中英文播報。

圖4 紅外語音播報提醒

1.2 基于華為DevEco Device Tool 的OpenHarmony開發

本系統的開發是基于華為DevEco Device Tool 編譯平臺，在該平臺可進行代碼編輯、編譯、在線燒錄和調試等功能，編程語言選擇C/C++，在windows 桌面使用VS Code 開發。本系統使用DevEco Device Tool 3.1 Release，該工具使用remote-ssh 協同開發，其較舊版本新增編譯工具鏈一鍵配置、源碼級調試插件等全新功能，同時集成HDF 驅動開發、仿真器、棧分析等工具，助力智能設備開發效率提升[7]。本系統開發則基于windows Vscode 開發與unbuntu20.4，通過remote-ssh進行開發，節約開發時間，提高開發效率。OpenHarmony內核有2 種，分別是Linux Kernel 和LiteOs[8]。本系統采用的是基于目前流行的RISC-V 架構內置WIFI 的Hi3861 芯片，而RISC-V 架構是一個完全開源的架構，該系統的內存小于128 kB，屬于輕量系統類設備[9]。

1.2.1 系統軟件設計

本智能居家提醒系統的設計，一方面采集居家環境參數，若超過閾值則發生環境參數報警，進行監測的同時經過WIFI 聯網實現實時上傳云端；另一方面實時監護老人或者身體欠缺者，給予實時語音關懷提醒并記錄。具體流程如圖5 所示。

圖5 基于OpenHarmony 的系統流程

1.2.2 系統軟件開發

該系統基于OpenHarmony liteOS 3.1.0 LTS 版本，主要分成3 個線程，主線程的任務為連接WIFI 通過MQTT 進行消息訂閱；副任務一的任務為環境參數讀取及打包進行無線上傳；副任務二的任務為檢測人的活動情況進行語音播報，以及進行環境參數和人體活動情況顯示。其中主線程的任務需要連接WIFI 及以MQTT 協議進行傳輸，因此線程的大小需要分配較大且優先級較高；副任務一收集環境參數，線程大小分配較小，但是優先級較次等；副任務二進行人體活動檢測，其中包含OLED 顯示所需要的字庫，因此分配大小需要較大，但優先級可以較低一級，具體分配如以下代碼所示。

osThreadAttr_t attr;

attr.name = "task_main_entry";

attr.attr_bits = 0U;

attr.cb_mem = NULL;

attr.cb_size = 0U;

attr.stack_mem = NULL;

attr.stack_size = 10240;

attr.priority = 24;

if（osThreadNew（（osThreadFunc_t）task_main_entry，NULL，&attr）== NULL）

{

printf（"Falied to create task_main_entry! "）;

}

attr.stack_size = 2048;

attr.priority = 25;

attr.name = "task_sensor_entry";

if（osThreadNew（（osThreadFunc_t）task_sensor_entry，NULL，&attr）== NULL）

{

printf（"Falied to create task_sensor_entry! "）;

}

attr.stack_size = 10240;

attr.priority = 26;

attr.name = "task_Oled_entry";

if（osThreadNew（（osThreadFunc_t）task_Oled_entry，NULL，&attr）== NULL）

{

printf（"Falied to create task_Oled_entry! "）;

}

主線程的核心代碼如下所示，完成WIFI 聯網，以及MQTT 代理訂閱設置。MQTT 是一個基于客戶端-服務器的消息發布/訂閱的傳輸協議，具備輕量、簡單、開放和易于實現的優點，可作為OpenHarmony 的第三方開發接入，便于開發[10]。

app_msg_t *app_msg;

uint32_t ret = WifiConnect（MYWifi，MYWifiSSD）;

device_info_init （ CLIENT_ID ，USERNAME ，PASSWORD）;

my_mqtt_init（）;

my_set_cmd_rsp_cb（my_cmd_rsp_cb）;

環境參數線程的核心完成濕度、溫度及光照度的檢測，進行數據打包，具體代碼如下所示。

app_msg_t *app_msg;

Environment_Data_TypeDef data;

Environment_Init（）;

while（1）

{

Environment_Read_Data（&data）;

if（NULL ! = app_msg）

{

app_msg->msg_type = en_msg_report;

app_msg->msg.report.hum=（int）data.

Humidity;

app_msg ->msg.report.lum =（int）data.

Lux;

app_msg->msg.report.temp=（int）data.

Temperature;

if（0 !=osMessageQueuePut（mid_Msg

Queue，&app_msg，0U，0U））

free（app_msg）;

}

}

人體活動檢測線程，一旦有人靠近，距離在2 m 之內則立即進行語音播報，然后人體依舊在敏感區域則進行記錄但是不進行提醒，只有超過1 min 后才重新進行語音關環。其核心代碼如下所示。

OledInit（）;

OledFillScreen（0）;

OledShowString（30，1，"MyHose"，FONT6x8）;

YS_SYN_Init（）;

SYN_FrameInfo（0，str00）;

開機以后，其人體傳感單元需要經過1 min 的等待，同時還可以減少誤差提高系統的穩定性。

IoSetFunc（human_GPIO，human_GPIO_FUN）;

GpioSetDir（human_GPIO，WIFI_IOT_GPIO_DIR_I N）;

IoSetPull（human_GPIO，WIFI_IOT_IO_PULL_UP）;

GpioRegisterIsrFunc（human_GPIO，WIFI_IOT_INT_TYPE_EDGE，WIFI_IOT_GPIO_EDGE_FALL_LEVEL_LOW，MyPressed，NULL）;

經上述的編程，燒錄進入搭建的硬件系統，進行系統測試。該系統的云端選擇使用華為云。在系統底層業務中需要對代碼添加正確的設備ID 后，將底層Hi3861嵌入式設備開發代碼添加在云平臺上所注冊的相關信息中，最終實現終端設備與云平臺的連接、數據推送和命令接收等功能。

1.3 系統測試

本系統包含下位機即Hi3861 為核心的嵌入式系統及上位機即華為云端[11]，因此系統測試也要分為底層硬件測試與上層華為云測試，具體實物如圖6 所示，而其具體測試分以下2 個階段測試。

圖6 便攜式提醒裝置實物

1.3.1 底層測試

首先對系統進行底層硬件測試主要功能，包括WIFI 連接、環境參數檢測、串口打印與OLED 顯示和人體活動提醒功能，然后對整機進行系統整體檢驗。在此過程中一直連接著華為云。該系統能夠在OLED 屏幕上觀察到相關環境信息與人體活動信息，且能夠在串口調試助手界面獲取信息。由圖7 可知，本系統正常獲取光照強度、溫濕度這些環境參數數值，并且能夠觀察到人體活動的信息。

圖7 智能提醒系統串口測試

1.3.2 華為云端測試

在華為云端部分創建了“mysmartmdeical”的IoT產品，且使用MQTT 作為本系統的通信協議類型，然后添加了其系統所檢測的環境參數：溫濕度、光照強度、燈光狀態等作為服務屬性及照明燈狀態并且進行開關控制的命令。按照相關引導進行該產品注冊設備，以此才能獲得此設備的ID、密鑰等諸多信息。結合底層測試部分將這些信息添加到系統底層的代碼中去。并且要使得整機能夠正常運行，就需要在底層代碼中配置WIFI 進行聯網操作，使該系統的硬件設備連接至外部網絡，與華為云進行正常通信。如圖8所示。

圖8 華為云端測試

將云端數據與PC 串口數據或者OLED 顯示數據進行參數數據對比可知，該終端系統能夠正常運行，并且底層的數據與華為云端的環境數據相一致，而且云端所下發命令指令在底層硬件上能夠正確有效的執行，同時能夠進行正確的檢測人體活動并進行語音提醒，能夠進行記錄活動信息。綜合測試結果，本系統具備了環境參數采集并將所采集的環境數據進行聯網上報；正確識別人體活動，并對其進行語音提醒并記住活動信息；響應云端下發的功能指令，所設計的功能均實現。

2 結束語

本文所設計的基于OpenHarmony 的智能居家語音提醒系統，使用華為IoT 解決方案，主控MCU 選用內置WIFI 的海思Hi3681 微型處理器構建起輕量級終端設備，而系統軟件開發平臺則選擇windows 桌面下VScode、Ubuntu 與DevEco Device Tool 插件進行OpenHarmony 操作系統上的整體系統軟件開發，而網絡通信則使用WIFI 配合MQTT 協議并應用華為云IoT 接入設備平臺進行整體結合。通過本系統的上下層測試表明，本系統能夠實現環境參數數據的采集與數據聯網上報、人體進入語音提醒并記住，同時能夠完成云端命令下發執行等功能，驗證了本系統設計方案的正確性、流暢性及完整性。該系統具有硬件靈巧輕便可攜帶，同時經濟實惠易推廣的優點。本系統所使用的開發平臺集成了所需要的工具，使得開發易上手，與其他IoT 物聯網解決方案對比，使用的華為物聯網IoT 解決方案進行設計開發智能居家語音提醒系統，開發效率較高，系統部署較快，適合在居家環境參數監測中使用。