基于天貓精靈AIoT云智能場景下智能家居的設(shè)計與應(yīng)用

蔣夢云 李丹妮

摘要：由于傳統(tǒng)意義上智能家居的家電控制匹配復(fù)雜性，影響和制約了用戶的體驗。設(shè)計了一款基于阿里飛燕的天貓精靈AIoT在云智能場景下面對智能家居的設(shè)計應(yīng)用。選取支持無線（ESP8266/EM3080-Wi?Fi） 模式的智能設(shè)備（STM32F系列）作為AIoT智能家居系統(tǒng)的采集終端，通過語音助手對天貓精靈（AIoT） 下達(dá)命令。將數(shù)據(jù)通過MQTT協(xié)議在平臺云端匯聚，通過AMQP在本地獲取數(shù)據(jù)。再通過阿里云平臺提供的WebSDK、RESTApi對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，在Web可視化工具IoT Studio進(jìn)行實時展示，并最終實現(xiàn)智能家居的實時檢測和相應(yīng)設(shè)備控制。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；阿里云；智能家居；AIoT；AMQP

中圖分類號：TP311.5? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）34-0094-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

當(dāng)前，隨著眾多新興科技行業(yè)的崛起，萬物互聯(lián)的發(fā)展面臨著越來越多的挑戰(zhàn)。物聯(lián)網(wǎng)不再局限于傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，而是呈現(xiàn)出設(shè)備種類繁多、數(shù)量龐大的特點，這成為需要解決的新問題。然而，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也不再只是簡單的數(shù)據(jù)采集，而是與多種新型技術(shù)的融合，為物聯(lián)網(wǎng)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。

現(xiàn)如今的物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)在各個行業(yè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用，其發(fā)展前景不可估量。未來，物聯(lián)網(wǎng)將會對人們的生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，從日常生活的方方面面到各個行業(yè)的發(fā)展都將受到其影響。因此，應(yīng)該積極關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展動態(tài)，探索其在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用，為未來的智能化生活做好準(zhǔn)備[1]。

天貓精靈是阿里巴巴集團(tuán)生產(chǎn)的一款智能語音控制終端，其強(qiáng)大的語音交互功能涵蓋了日常生活的眾多方面。它不僅具備智能家居接入語音控制的能力，還允許用戶通過下達(dá)命令實現(xiàn)對家電的遠(yuǎn)程監(jiān)控和語音識別控制。一臺天貓精靈的智能AI語音助手就能夠?qū)崿F(xiàn)多臺智能家居的語音控制功能，在保證低成本的前提下，成功打造了一套基于物聯(lián)網(wǎng)控制的智能室內(nèi)家居系統(tǒng)。這一創(chuàng)新解決方案為未來室內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)智能家居的發(fā)展提供了新的方向[2]。

1 智能家居系統(tǒng)架構(gòu)

圖1是智能家居框架結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)框架結(jié)構(gòu)圖中的方案，本文設(shè)計的智能家居系統(tǒng)分為三個主要模塊：1） 阿里云服務(wù)平臺；2） 智能音箱天貓精靈；3） 支持無線（EM3080-Wi?Fi） 模式的STM32主控芯片。

第一部分，阿里云服務(wù)平臺。該平臺主要發(fā)揮兩個核心功能。首先，它充當(dāng)了天貓精靈和STM32主控芯片之間的橋梁，通過在阿里云平臺上注冊天貓精靈需要控制的設(shè)備，將主控芯片所控制的設(shè)備與天貓精靈建立連接。其次，在設(shè)備產(chǎn)品成功聯(lián)通后，用戶可以通過語音助手向天貓精靈（AIoT） 發(fā)送指令。這些數(shù)據(jù)會通過MQTT協(xié)議在平臺上匯集，并使用AMQP在本地獲取數(shù)據(jù)，也可以通過阿里云平臺提供的SDK包進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[3]。

第二部分是智能音箱天貓精靈。它的主要功能是提供智能語音控制。作為語音控制終端，它與阿里云平臺相連，以實現(xiàn)對STM32主控芯片設(shè)備的控制。用戶只需將設(shè)備與天貓精靈連接在同一局域網(wǎng)絡(luò)下，然后向天貓精靈發(fā)出具體控制指令，就能實現(xiàn)對設(shè)備的控制。

第三部分是支持無線（EM3080-Wi?Fi） 模式的STM32主控芯片。該芯片主要承擔(dān)兩個關(guān)鍵功能。第一個是處理從連接的傳感器中采集到的數(shù)據(jù)。第二個是接收阿里云平臺發(fā)出的對連接設(shè)備的控制指令。該芯片主要包括兩個模塊：智能家電控制和智能環(huán)境檢測。智能家電控制模塊主要負(fù)責(zé)控制智能空調(diào)設(shè)備和智能燈，而智能環(huán)境檢測模塊則主要負(fù)責(zé)采集室內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)變化。

2 智能家居系統(tǒng)功能

本文所設(shè)計的智能家居系統(tǒng)是以住宅為單位進(jìn)行模擬研究的，主要包括智能家電控制和智能環(huán)境檢測兩個主要模塊。本方案針對應(yīng)用型智能音箱在智能家居方面的設(shè)計如下[4]：

1） 智能家電控制模塊可以根據(jù)外界氣候的變化監(jiān)測家中的溫度濕度變化情況，用戶可以在移動端App上直接調(diào)節(jié)家里的溫度濕度，提前打開空調(diào)進(jìn)行調(diào)溫，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制的功能。此外，還可以將溫濕度傳感器與智能空調(diào)進(jìn)行聯(lián)動，通過一臺智能音箱實現(xiàn)多個智能家居的控制，有效降低了人們的生活成本。智能燈控是指用戶可以通過語音向天貓精靈下達(dá)命令，控制多個房間內(nèi)智能燈的開關(guān)、亮度、色溫等。同時，根據(jù)不同的關(guān)鍵詞，還可以調(diào)整燈光的不同模式，實現(xiàn)語音控制功能。另外，用戶還可以在移動端App上直接控制智能燈的各項功能，實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時控制，以低成本、高效率的方式實現(xiàn)了人們解放雙手的生活模式。

2） 智能環(huán)境監(jiān)測模塊主要負(fù)責(zé)實時采集溫濕度數(shù)據(jù)。溫濕度對人體健康有著很大的影響，因此本模塊可以通過天貓精靈直接播報室內(nèi)溫濕度，實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時檢測，方便用戶調(diào)整到人體最適宜的溫濕度環(huán)境。同時，用戶還可以在移動端App上直接觀察到室內(nèi)的溫濕度，可以隨時遠(yuǎn)程控制空調(diào)，使住宅環(huán)境達(dá)到舒適的溫濕度[5]。

3 智能家居系統(tǒng)設(shè)計

語音是人類溝通最為便捷的方式，可以有效地解放雙手，并降低空間距離的限制。通過與智能語音終端（AIoT） 技術(shù)的成功結(jié)合，智能家居的發(fā)展已經(jīng)推向了一個新的高度。作為物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)視角下信息處理的高級媒介，語音交互的實現(xiàn)使得輸入變得更加簡單[6]。

圖2顯示了用戶通過語音接口智能音箱天貓精靈與家用電器設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)。用戶通過語音指令向天貓精靈傳達(dá)命令，天貓精靈將指令傳遞給電器設(shè)備并實現(xiàn)控制。在此過程中，用戶無法直接通過語音對設(shè)備進(jìn)行操作，而必須借助智能音箱天貓精靈作為媒介。然而，一旦設(shè)備完成操作，將直接向用戶反饋結(jié)果。這種設(shè)計的人機(jī)交互方式，不僅釋放了用戶的雙手，還消除了空間距離的限制。

當(dāng)用戶首次使用智能音箱天貓精靈時，需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置。天貓精靈頂部有三個按鍵，分別是靜音鍵、音量加鍵和音量減鍵。在配置網(wǎng)絡(luò)時，用戶需要在天貓精靈App上創(chuàng)建賬號，并長按音箱頂部的靜音鍵，直到燈光開始閃爍，表示天貓精靈已進(jìn)入配網(wǎng)模式。只有在配網(wǎng)模式下，用戶才能在App中為天貓精靈選擇并輸入Wi?Fi進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置。一旦初次配網(wǎng)成功，只要網(wǎng)絡(luò)環(huán)境正常，后續(xù)使用過程中無需再次執(zhí)行配網(wǎng)流程。聯(lián)網(wǎng)后的天貓精靈，用戶只需說出“天貓精靈”即可喚醒智能音箱[7]。

綁定天貓精靈的方法有兩種。第一種方法是用戶在天貓精靈App的添加設(shè)備頁面中選擇相應(yīng)的智能設(shè)備進(jìn)行綁定。第二種方法是用戶直接對智能音箱天貓精靈說出“天貓精靈找隊友”，天貓精靈會自動掃描附近可以連接的智能設(shè)備，并向用戶反饋是否需要連接該設(shè)備。

4 智能家居系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 主控模塊實現(xiàn)

在設(shè)備上電后，STM32程序會首先對GPIO管腳和各個外設(shè)模塊進(jìn)行初始化。在接收到用戶的命令后，程序?qū)?shù)據(jù)通過Wi?Fi模塊發(fā)送至阿里云服務(wù)器。同時，可以通過串口調(diào)試工具來驗證數(shù)據(jù)是否成功上傳。如果數(shù)據(jù)傳輸成功，設(shè)備將根據(jù)指令進(jìn)行相應(yīng)的控制反饋；如果數(shù)據(jù)傳輸失敗，將檢查對應(yīng)的軟硬件模塊是否存在問題[8]。

4.2 Wi?Fi模塊實現(xiàn)

在本設(shè)計中，EM3080 Wi?Fi組將作為整個設(shè)計方案中最重要的傳輸橋梁。該模組實際上是一個串口轉(zhuǎn)Wi?Fi模塊，STM32將通過串口發(fā)送AT指令，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送[9]。

4.3 SHT30環(huán)境檢測模塊驅(qū)動實現(xiàn)

智能環(huán)境檢測模塊主要負(fù)責(zé)溫濕度檢測。SHT30溫濕度傳感器是STM32主板芯片的一個模塊，它將溫度傳感器的輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)值采集，并向服務(wù)器傳遞相應(yīng)數(shù)值。

4.4 智能空調(diào)模塊驅(qū)動實現(xiàn)

智能空調(diào)的實現(xiàn)是通過繼電器來控制。針對智能空調(diào)開關(guān)控制器，本設(shè)計具有狀態(tài)存儲功能，可根據(jù)智能空調(diào)設(shè)備的狀態(tài)，即相應(yīng)IO口的高低電平狀態(tài)，來進(jìn)行開關(guān)控制。

4.5 AMQP通信模塊實現(xiàn)

本文將使用AMQP SDK接入阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，以接收服務(wù)端訂閱消息。這種方法可以實現(xiàn)客戶端與物聯(lián)網(wǎng)平臺之間的安全、可靠、高效的消息通信。文中將展示如何使用AMQP SDK建立與物聯(lián)網(wǎng)平臺的連接、認(rèn)證、心跳等過程，并對接收到的消息進(jìn)行解析和處理[10] 。

4.6 Web大屏實現(xiàn)

Web屏幕（主屏）將展示溫濕度實時數(shù)據(jù)及曲線變化、燈光狀態(tài)顯示以及實時天氣等信息。這些信息將幫助用戶更好地了解環(huán)境狀況，并根據(jù)需要做出相應(yīng)的調(diào)整。主屏上將顯示詳細(xì)的溫濕度數(shù)據(jù)，包括實時溫度和濕度的數(shù)值，以及這些數(shù)據(jù)的走勢曲線圖。通過這些數(shù)據(jù)和曲線，用戶可以直觀地了解室內(nèi)環(huán)境的溫濕度狀況，以及它們在不同時間段的變化趨勢。此外，主屏還將實時顯示燈光的開關(guān)狀態(tài)，讓用戶輕松掌控室內(nèi)照明情況[11]。

5 特色與創(chuàng)新

5.1 系統(tǒng)特色

1） 配備了智能語音助手（天貓精靈AIoT） ，只須通過語音喚起天貓精靈語音助手，下達(dá)指令，即可完成所需的工作。

2） 在進(jìn)行串口輸出的同時，以固定的時間間隔向云端傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了“心跳報文”和終端數(shù)據(jù)在云IoT平臺上物模型數(shù)據(jù)的直觀展示以及基于MQTT協(xié)議的命令控制。

3） 通過IoT平臺構(gòu)建Web頁面的模型，在云端IDE框架下進(jìn)行可視化設(shè)計，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的顯示，以及相應(yīng)功能的實現(xiàn)；最終使得用戶在遠(yuǎn)程也可觀測或控制已添加設(shè)備。

5.2 系統(tǒng)創(chuàng)新

1） 通過公有云方式實現(xiàn)廣域網(wǎng)信息的傳輸，可以大幅降低獨立架設(shè)服務(wù)器的經(jīng)濟(jì)成本，在保障了信息安全性的同時也有利于物聯(lián)網(wǎng)商品大規(guī)模量產(chǎn)后的后期維護(hù)。

2） 通過綁定企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺到自有的IoT設(shè)備，實現(xiàn)了“端—云”的直接連通，在其基于實例化的部署架構(gòu)，提供設(shè)備接入的同時，也提供了數(shù)據(jù)監(jiān)控和數(shù)據(jù)流管理，并且與天貓精靈AIoT生態(tài)系統(tǒng)相結(jié)合實現(xiàn)人工智能技術(shù)，AI與IoT設(shè)備結(jié)合使簡單的“物聯(lián)”上升為“智聯(lián)”，二者相融合提升了效率和使用場景，為數(shù)據(jù)創(chuàng)造了更大的價值。

3） 通過IoT設(shè)備架構(gòu)Web頁面的方式，在相應(yīng)的天貓精靈App上實現(xiàn)了“云—端”的IoT設(shè)備直接控制流程，還便利于后續(xù)云原生的升級，更重要的是，解決了跨平臺產(chǎn)品部署的問題，實現(xiàn)了一次開發(fā)，處處使用的商業(yè)目的。

6 結(jié)論

本文設(shè)計的智能家居設(shè)計，是基于天貓精靈與阿里飛燕平臺所結(jié)合實現(xiàn)。打破了傳統(tǒng)意義上智能家居的家電控制，通過天貓精靈或手機(jī)端App實現(xiàn)，打破了空間上的距離限制，釋放了群眾的雙手。從而證明以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用，是提高人們生活質(zhì)量水平的重要途徑。

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【通聯(lián)編輯：梁書】