基于MQTT協(xié)議的面向老年人陪護(hù)的智能語音助手研發(fā)

鄭健

（湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建莆田，351119）

0 引言

根據(jù)第七次全國人口普查數(shù)據(jù)顯示，2010年至2020年，我國（大陸地區(qū)，下同）60歲及以上人口的比重上升了5.44個百分點，65歲及以上人口的比重上升了4.63個百分點。與2000-2010年相比，上述指標(biāo)的增幅分別提高了2.51和2.72個百分點，表明我國的人口老齡化進(jìn)程明顯處于加速狀態(tài)[1]。預(yù)計到2025年，我國六十歲以上人口將達(dá)到3億，成為超老年型國家[2]。

針對這一些問題作者做了《面向老年人陪護(hù)的智能語音助手設(shè)計需求調(diào)研》，普遍老年人認(rèn)為越是簡單易上手的設(shè)備更好，如使用通過智能語音設(shè)備如智能音箱或手環(huán)直接呼出或簡易定位的通訊設(shè)備。

1 系統(tǒng)設(shè)計概述

該項目參考模型如圖1所示，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的四層參考模型設(shè)計，在感知層主要設(shè)備有無線傳感控制器、溫濕度傳感模塊、攝像頭及A9G模塊，傳輸層主要根據(jù)系統(tǒng)的特點采用有線及無線的傳輸方式，其中無線傳感終端主要采用WIFI的方法接入，無線通訊終端使用GPRS的方式接入，其協(xié)議使用MQTT協(xié)議進(jìn)行通訊。在平臺層上主要由微信小程序、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理平臺、EMQ平臺及樹莓派的語音識別系統(tǒng)組成，并由此支撐及服務(wù)語音識別、合成等諸多應(yīng)用。

圖1 系統(tǒng)參考模型圖

硬件設(shè)計方面：采用目前主流的開源硬件，主要采用樹莓派、Arduino、ESP系列芯片組開發(fā)板，使用DHT11及A9G模塊等做為感知終端采集現(xiàn)場環(huán)境及GPS等位置信息。

軟件設(shè)計方面：基于樹莓派的語音識別系統(tǒng)采用Python，其支持、融合度高；物聯(lián)網(wǎng)接入平臺使用Thinkphp架構(gòu)底層設(shè)計，它是國內(nèi)一款免費開源的快速簡單的面向?qū)ο蟮妮p量級 PHP 開發(fā)框架，通過 THINKPHP 使用，極大減輕了開發(fā)的工作量，可進(jìn)行快速的基礎(chǔ)平臺部署及二次開發(fā)[3]。

通訊協(xié)議方面：采用物聯(lián)網(wǎng)平臺及終端主流的MQTT (Message Queuing Telemetry Transport,消息隊列遙測傳輸協(xié)議)協(xié)議，它是由IBM公司提出的一種輕量級的消息發(fā)布和訂閱（publish/subscribe）方式的交換協(xié)議，其包含了MQTT消息代理服務(wù)器、發(fā)布者及訂閱者[4]。MQTT較CoAP在傳輸模式上更為靈活[5]，故課題采用MQTT方式。

2 語音識別系統(tǒng)開發(fā)

該系統(tǒng)功能設(shè)計如圖2所示，主要基于樹莓派（Raspbian 系統(tǒng)）、Python、HTML5、PHP、微信小程序設(shè)計的一款符合老年人使用的智能語音系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括：語音喚醒、語音識別、語音合成、智能互動、插件式功能擴(kuò)展等交互功能。

圖2 系統(tǒng)功能設(shè)計圖

前端顯示系統(tǒng)采用HTML+CSS+DIV頁面布局技術(shù)，JavaScript（簡稱：JS）腳本語言技術(shù)、JQuery（簡稱JQ）JavaScript庫技術(shù)，其它前端與系統(tǒng)Python的通訊主要分為被動顯示和主動請求兩種。其中被動顯示為了達(dá)到實時性，采用WebSocket方式實現(xiàn)，主動請求是采用直接調(diào)用Python程序方式顯示。

整體設(shè)計架構(gòu)上支持應(yīng)用程序、網(wǎng)頁、微信小程序及移動端的開發(fā)接入。系統(tǒng)采用多進(jìn)程消息隊列管理模式運行，各模塊和插件均為獨立進(jìn)程運行互不干擾。進(jìn)程間采用消息通知方式通信。

系統(tǒng)預(yù)留語音喚醒、識別、合成、屏幕控制、微信小程序等通信接口，在后期的插件及功能擴(kuò)展方面可以根據(jù)需要，如老年人的其它語音陪護(hù)需要可以定制高耦合的功能插件，實現(xiàn)功能的靈活擴(kuò)展。

3 物聯(lián)網(wǎng)接入平臺開發(fā)

該 平 臺 基 于LAMP【Linux+Apache+Mysql+PHP】環(huán)境進(jìn)行開發(fā)，基于ThinkPhp5.0架構(gòu)，內(nèi)嵌百度地圖API，主要分為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備統(tǒng)計看板、設(shè)備告警管理、觸發(fā)器管理、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理、用戶管理、系統(tǒng)管理等功能，具體設(shè)計如圖3所示。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)功能設(shè)計圖

系統(tǒng)平臺具有多點數(shù)據(jù)采集、多點實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)維護(hù)等功能。數(shù)據(jù)采集完成整個數(shù)據(jù)鏈上各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)建立和數(shù)據(jù)采集；實時監(jiān)控進(jìn)行全程動態(tài)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控；數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)維護(hù)負(fù)責(zé)對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和系統(tǒng)相關(guān)信息維護(hù)。

數(shù)據(jù)庫在建構(gòu)時體現(xiàn)通用性、靈活性、擴(kuò)展性的特點，在整個數(shù)據(jù)鏈上保證數(shù)據(jù)的完整性、最終產(chǎn)品的唯一性及可靠性是關(guān)鍵，也是整個系統(tǒng)平臺的基礎(chǔ)。

4 無線傳感終端硬件設(shè)計

無線傳感終端硬件設(shè)計電路圖如圖4所示，其功能主要是進(jìn)行現(xiàn)場溫濕度數(shù)據(jù)采集及開關(guān)量設(shè)置的控制，其主控芯片采用NodeMcu，其WIFI支持STA、AP、STA+AP工作模式，該芯片集成度高，內(nèi)部集成有32位的微型處理器、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字外設(shè)接口、電源管理模塊等[6-7]。它使用Lua腳本語言編程。該平臺基于eLua 開源項目,底層使用ESP8266 sdk 0.9.5版本，其IO接口比較豐富，能較好適用于多節(jié)點傳輸?shù)男枰?。溫濕度傳感器采用DHT11，DHT11是一款有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度傳感器。其精度濕度±5%RH，溫度±2℃，量程濕度5～95%RH， 溫度-20℃～+60℃，能較好滿足測量的要求。開關(guān)量的控制使用LED來進(jìn)行模擬，使用一個電阻進(jìn)行限流。

圖4 無線傳感終端設(shè)計原理圖

5 無線通訊終端硬件設(shè)計

該通訊終端設(shè)計原理圖如圖5所示，其在硬件上主要采用安信可公司的A9G模塊。其中A9G模塊是一個完整的四頻（GSM/GPRS+GPRS/GPS）模塊，其支持?jǐn)?shù)字音頻和模擬音頻，支持HR,FR,EFR,AMR語音編碼；同時該模塊功耗低，平均電流在2mA以下（開機(jī)后默認(rèn)狀態(tài)的基底均值為8.8mA）,其具備基礎(chǔ)的電話/短信，GPRS聯(lián)網(wǎng)通信，GPS/BDS雙模定位功能[8]。

圖5 無線通訊終端設(shè)計原理圖

A9G芯片模塊需要5V和4.2V兩種電源電壓供電，主電源是采用5V的USB供電，5V的USB電源在為A9G芯片供電的同時也為A9G的鋰電池提供充電能源，充電電路采用具有恒壓恒流的鋰電池充電模塊TP4057芯片，其具有電流監(jiān)控、電池極性保護(hù)、欠壓保護(hù)、自動再充電等功能，是一款專用的鋁電池充電模塊，當(dāng)電池兩端電壓達(dá)到4.2V時，其充電電流將自動降至設(shè)定值的1/10，芯片將停止充電。當(dāng)5V的USB充電電源切斷，TP4057芯片也會自動調(diào)整為低電流狀態(tài)，其漏電流小于2μA。A9G芯片的SIM模塊采用內(nèi)部電源供電，供電電壓為1.8V。

A9G芯片的語音輸出電路如圖6所示，電路由揚聲器和三個瓷片電容構(gòu)成，揚聲器用來將電信號轉(zhuǎn)化為聲音信號，三個瓷片電容用于濾除高頻干擾小信號，保證輸出的聲音信號清晰。

圖6 A9G 開發(fā)板語音輸出電路圖

6 通訊協(xié)議設(shè)計

MQTT協(xié)議并未明確規(guī)定主題中數(shù)據(jù)的格式。JSON是一種易于讀寫的輕量級數(shù)據(jù)表示格式，使用文本來表示JavaScript對象的信息，被廣泛用在數(shù)據(jù)采集中[9]。由于JSON輕量易讀，結(jié)構(gòu)清晰，可以在多種語言之間進(jìn)行交換，數(shù)據(jù)傳輸效 率明顯優(yōu)于其他數(shù)據(jù)傳輸格式[10]，所以主題中數(shù)據(jù)內(nèi)容一般使用JSON 格式。在本項目中使用MQTT協(xié)議進(jìn)行發(fā)布終端DHT11采集的溫濕度數(shù)據(jù)并在微信小程序端訂閱該信息及GPS的相關(guān)定位數(shù)據(jù)。其主要使用Connect(連接)、Subscrible(訂閱)、Publish（推送）方法進(jìn)行，其消息封裝在Payload中。

AT+MQTTCONN="8.＊.33.202",1883,"Nano-A9g",120,0,"bl＊d","1＊" //客戶端等待和連接服務(wù)器，同時發(fā)送CONNECT

AT+MQTTPUB="ledStatus","v1",0,0,0

//客戶端向服務(wù)端傳輸一個應(yīng)用消息中間的1為LED狀態(tài)值

+MQTTPUBLISH: 1, test, 6, 124563

AT+MQTTSUB="ledStatus",1,0

//客戶端向服務(wù)端發(fā)送SUB報文用于創(chuàng)建訂閱

7 結(jié)語

智能語音做作為智能家居的一個重要載體在智能音箱上廣泛應(yīng)用，通過MQTT協(xié)議的支持，可以更好實現(xiàn)語音助手的相關(guān)功能。經(jīng)過相關(guān)測試，系統(tǒng)的研發(fā)對于MQTT協(xié)議及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入平臺在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的應(yīng)用也具有良好的示范作用。對于輕量化、數(shù)據(jù)量小、實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，可以做為傳統(tǒng)的NB-IOT及LoRa技術(shù)的一種有效補充，解決信號覆蓋，基站建設(shè)等大投入問題。該系統(tǒng)的建設(shè)對智能化家居的管控、系統(tǒng)的建設(shè)等具備參考價值。