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

0 引 言

隨著科學技術的迅猛發(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，智能家居應運而生。

目前國內絕大多數(shù)家庭尚不具備使用智能家居的條件， 一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”逐漸轉向語音、圖像、手勢控制， 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]。

科大訊飛作為中國最大的智能語音技術提供商，其擁有 的中文語音合成、語音識別等多項技術均處于國際領先地位[3]。 以科大訊飛語音技術為基礎，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，內容推送靈活、自由，同時又 具備低帶寬、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)轉發(fā)中心，在設計上采用了 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器，在服務器上運行 mosquitto 代理 服務，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)結構如圖 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 語音識別技術

考慮到語音識別算法的復雜性，且科大訊飛擁有成熟的 語音識別技術，并推出了以語音交互技術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 SDK。所以系統(tǒng)以科大訊飛的語音技術為基礎，將訊飛的相 關庫集成到系統(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 服務器，在服務器上進行語音識別，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鍵字，構成 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制。 MQTT 中的關鍵組件是 MQTT 代理（Broker），其主要任務是 將消息派發(fā)給訂閱者 [7]。即發(fā)布者接收消息，然后把消息轉發(fā) 給訂閱者。轉發(fā)消息時，MQTT 代理使用話題（Topic）來過濾 客戶端。話題就像一個虛擬通道，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 賴關系，所以該協(xié)議高度可擴展。

MQTT 架構如圖 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器同時開啟 MQTT 代理服 務。在家中，家庭主機開啟代理并訂閱相應 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)。遠程服務器也開啟 MQTT 代理并訂閱 相應 Topic 的消息，家庭主機接收到數(shù)據(jù)后，作為 MQTT 的 Publisher，以相應的 Topic 將數(shù)據(jù)轉發(fā)給遠程服務器，服務 器再把數(shù)據(jù)推送給手機 App[8]。

4.1 家庭主機轉發(fā)進程（連接到遠程服務器）

家庭主機向遠程服務器訂閱 Name 主題以及各模塊使 用的主題，在模塊上線后將模塊名以 Name 主題發(fā)送給遠 程服務器，家庭主機作為遠程服務器的訂閱者，將從各模 塊主題收到的內容以同樣的主題轉發(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發(fā)信息 給遠程服務器。

家庭主機規(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，內容為模塊名（如“紅外”“、心 率”、“血氧”、“MQ2”、“MQ7”）。MQ2 和 MQ7 以自己的模塊 名 Topic（如 MQ2，MQ7）發(fā)送消息，紅外以 Topic=Ray 訂閱 消息。上述模塊發(fā)送消息時都應把 QoS 設為 1。

模塊規(guī)范流程如圖 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 器，都要訂閱 Topic=Name 主題來添加模塊。同時以接收到 的內容為主題訂閱消息（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信息，方便 用戶查看。

App 規(guī)范流程如圖 6 所示。

5 結 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)添加模塊變得十分方便， 具有很好的拓展性。