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

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

2、文獻標識碼： A 文章編號：2095-1302（2017）11-00-03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，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，

3、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?？拼笥嶏w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，采用消息推送機制，內(nèi)容推送靈活、自由，同 時又具備低帶寬

4、、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 App 用語音控制紅外家電， 并可以在手機 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， 各模塊與家庭主機之間采用 MQTT 協(xié)議進行數(shù)據(jù) 傳輸。 各模塊作為 MQTT 訂閱者從家庭主機接收指令， 同時 作為 MQTT 發(fā)布者將各模塊數(shù)據(jù)上傳給家庭主機； 為了使手 機 App 的

5、使用不局限于家中的局域網(wǎng)， 將家庭主機通過路由 器連接到遠程服務(wù)器，在服務(wù)器上運行 mosquitto 代理服務(wù)， 同樣使用 MQTT 協(xié)議進行手機 App 和家庭主機之間數(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)進行處理，從而在 家庭主機上添加各模塊數(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 App 與系統(tǒng)進行交互， 手機 App 通過對語音命令進行識別，進而通過遠程服務(wù)器向家庭主機發(fā)送命 令，或直接接入家中局域網(wǎng)，向家庭主機發(fā)送命令。2

6、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 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 App。手機 App 對該 JSON 字符串進行解析， 從而獲得使用者語音 命

7、令的具體含義，進行下一步操作。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 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 代理使用話題制。 MQTT中的關(guān)鍵組件是 MQTT代理（Broker）,其主要（Topic）來過濾客？舳??；疤餼拖褚桓魴檳饌u潰？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 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)議高度可擴展

8、。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)中家庭主機和遠程服務(wù)器同時開啟 MQTT 代理服務(wù)。在家中，家庭主機開啟代理并訂閱相應(yīng) Topic 的消息， 各模塊連接家庭主機創(chuàng)建的熱點，作為 MQTT 的 Publisher ， 向家庭主機發(fā)送數(shù)據(jù)。 遠程服務(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)給遠程服務(wù)器，服務(wù) 器再把數(shù)據(jù)推送給手機 App8 。4.1 家庭主機轉(zhuǎn)發(fā)進程（連接到遠程服務(wù)器） 家庭主機向遠程服務(wù)器訂閱 Name 主題以及各模塊使用的主

9、題，在模塊上線后將模塊名以 Name 主題發(fā)送給遠程服 務(wù)器，家庭主機作為遠程服務(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)信息給遠程服務(wù)器。家庭主？C規(guī)范流程如圖4所示。4.2 各模塊進程（連接到家庭主機代理） 首先發(fā)送消息： Topic=Name ，內(nèi)容為模塊名 （如“紅外”、心率”、“血氧”、“ M Q2 ”、“ M Q 7 ”） 。 M Q2 和 MQ7 以自己 的模塊名To pic （如MQ2 ,MQ7）發(fā)送消息，紅外以Top ic=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

10、5 所示。4.3 手機 App 進程不管是連入家庭主機的 WiFi 熱點，還是連接遠程服務(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)議就可進行系統(tǒng)功能的 擴展，同時也便于手機 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

11、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)范進行數(shù)據(jù)傳輸， 使得手機 App 的 操作大大簡化，且更加人性化，同時使得系統(tǒng)添加模塊變得分方便，具有很好的拓展性。參考文獻J.1 俞文俊，凌志浩 .一種物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)的研究自動化儀表， 2011， 32（8）： 56-59.2何婉榕.關(guān)于人工智能與語音識別技術(shù)的研究J.科技尚品， 2017（3）： 182.3 宗明明， 魏瑜萱， 高健.基于通用設(shè)計理念的空巢老年人生活輔助用品設(shè)計研究 J

12、. 設(shè)計， 2015（ 11）：47-50.4 袁彬，肖波，侯玉華， 等.移動智能終端語音交互技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 J. 信息通信技術(shù)，2014（ 2）：39-43.5 Luzuriaga J E ，Cano J C， Calafate C，et al. Handlingmobility in IoT applications using the MQTT protocolC/Internet Technologies and Applications. IEEE ，2015：245-250.6 袁麓，許艾明，童昭維 .一種基于三網(wǎng)融合的智能家居網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的研究 J. 中國有線電視，2013（ 2

13、）： 130-133 .7 Hunkeler U ， Truong H L ， Stanford-Clark A. InMQTT-S ： A Publish/Subscribe Protocol for Wireless SensorNetworksC/International Conference on CommunicationSystems Software and MIDDLEWARE and Workshops ， 2008.Comsware. IEEE ， 2008：791-798.8 Tang K ， Wang Y ， Liu H ， et al. Design andImplementation of Push Notification System Based on theMQTT ProtocolZ. 2013 ： 116-119.9 Barata D ， Louzada G， Carreiro A， et al. System ofAcquisition ， Transmission， Storage and Visualization of PulseO