交大創客空間智能服務機器人設計與制作

裴哲慧 董浩 周琦 趙甲

摘要 隨著創客運動在全球范圍內的興起，我國也隨之產生了大量的創客空間。創客空間是創客們造物和交流的線下場所，由于其開放的性質，使得在人員管理、工具管理等方面存在問題。本文基于交大創客空間的現實問題，設計并制作了創客空間智能服務機器人。該機器人基于開源項目“叮當——中文語音對話機器人”，通過MQTT協議，以及ESP8266Wi-Fi模塊，實現對機械開門裝置和燈光的控制。該機器人可以實現語音開門，語音尋找工具，以及語音查詢天氣等功能。

【關鍵詞】創客空間 智能服務機器人 叮當機器人 樹莓派 MQTT

交大創客空間于2013年12月在西南交通大學建立，其秉承開放、分享、協作、創造的理念，致力于構建以創新為導向、以興趣為紐帶，鼓勵跨學科交流和協作，為學生、教師和社會人士搭建開放的創新創業實踐平臺，培育富有創新精神的團隊，推動大學生創新創業能力的不斷提升。

學校支持創客活動的重要工作是進行資源的開放式管理，這些資源包括場地、設備、材料等實體資源，以及創客導師、設計服務、知識產權咨詢等人力、智慧資源。由于在交大創客空間造物交流的人員人數眾多，時間不定.所以在人員出入，門禁管理上存在難題。并且空間面積較大，房間眾多，材料工具等分布在不同房間內，因此外來人員難以快速找到想要材料工具。

為了解決上述問題，本文設計并制作了一款創客空間智能服務機器人。該機器人采用三層架構，實現門禁管理和材料尋找等功能。

1 整體設計

1.1 功能設計

為了方便人們使用該機器人，我們采用了語音交互方式。在門禁管理中，我們需要說出開門密碼，例如“芝麻開門”，門便在機械裝置的作用下自動打開，同時將開門時間，人員信息記錄到數據庫中。當我們需要用到某種材料卻不知它具體位置時，我們詢問該機器人，機器人通過語音提示，給出我們該材料所在的房間號，并且在材料位置處給出燈光提示。同時，該機器人還有一些輔助功能，可以詢問天氣情況，并且可以和其進行聊天。

1.2 架構設計

如圖1所示，該機器人分為控制層、網絡層和效應層。

1.2.1 控制層

控制層主要用于獲取語音命令，并對語音命令進行分析，從而將動作通過網絡層傳給效應層。軟件方面，我們基于開源項目“叮當一一中文語音對話機器人”，通過開發插件的形式，我們可以快速實現自己的功能。硬件上，我們選用樹莓派來運行“叮當”服務，通過樹莓派4 麥陣列來獲取聲音信息。

1.2.2 網絡層

網絡層主要使用無線網絡，將控制層和效應層連接起來。因為該機器人并不是一個獨立的物體，它不同功能模塊分布在不同的位置，為了將各個模塊連接起來，我們離不開無線網絡。為此我們選擇MQTT協議。該協議使用發布/訂閱模式，可以方便的進行一對一，一對多通信，從而保證機器人各個模塊之間協同運轉。

1.2.3 效應層

該層主要對命令產生動作。動作主要分為兩種：語音提示和功能裝置動作。機器人可以通過語音合成及揚聲器向人們進行語音提示。功能裝置分為開門裝置和材料燈光指示裝置，全部使用ESP8266 Wi-Fi模塊進行控制。開門裝置通過舵機和機械傳動裝置使得門內把手進行旋轉，從而實現開門。材料燈光指示裝置，是使用可編程控制燈帶來指示材料位置。

2 功能實現

2.1 環境搭建

我們直接使用“叮當”提供的系統鏡像，安裝好系統后，進行基本配置，便可以運行起叮當機器人。同時，為了能夠穩定的使用MQTT協議進行模塊間通訊，我們在樹莓派上還搭建了mqtt的服務器。

2.2 插件開發

為了能夠實現我們功能，我們需要在叮當機器人的基礎上開發相應的插件。

在門禁插件上，當語音識別出開門命令時，插件通過mqtt協議向‘Open這個topic發送開門指令，當訂閱這個topic的ESP8266收到這個指令時，控制舵機旋轉，通過機械傳動裝置，使得門內把手旋轉，從而實現開門，開門成功后，ESP8266通過mqtt協議向數據庫增加一條記錄。

在材料尋找插件中，當語音識別出某一種材料后，首先在數據庫中查找該材料所在的房間以及位置編號，使用語音合成，提示材料的房間號，同時將位置編號發給控制燈帶的ESP8266芯片，從而使得相應位置的燈光閃爍。

另外，我們還使用了詢問天氣的開源插件，通過配置知心天氣API，獲取成都本地的天氣信息，通過語音將信息輸出。

2.3 功能硬件制作

開門裝置利用ESP8266控制舵機，機械方面采用魚線取代機械臂，安裝簡單且容錯率高。用膠槍將舵機固定在門上，用魚線連接舵機和門把手的3D打印配件，調節魚線長度以及舵機片安裝角度，達到最佳的開門效果。組裝激光切割的亞克力外殼，將鋰電池、降壓模塊、ESP8266依次封裝在亞克力盒中。

材料燈光指示裝置使用RGB全彩燈帶，通過ESP8266可以精準控制每個燈的亮滅。將燈帶安裝到材料位置的上方，每個燈對應一種材料，這樣當收到位置信息時，便使相應位置的燈光亮起，直到人們說出“找到了”才會熄滅。

3 結語

通過該創客空間智能服務機器人，可以實現創客空間的門禁管理，幫助人們輕松找到想要使用的材料，提示天氣信息等。當然，現在機器人的功能還比較少，我們也會對其進行持續的開發，使得該機器人集成的功能更加全面。隨著創客運動在全球范圍內的擴大，我國的創客空間也會越來越多，相信本文的成果可作為創客空間管理工具的一個參考，提高創客空間的服務質量。

參考文獻

[1]王德宇，楊建新，李雙壽，國內創客空間運行模式淺析[J]，現代教育技術，2015 （05）.

[2]林之博，陳耿新，林潔紋，謝福紅，陳苗潔，基于ZigBee的智能農業物聯網系統研發[J]，自動化與信息工程，2015 （05）.