基于嵌入式Linux的智能家居機器人技術研究

王培屹

摘要：隨著我國互聯網大數據技術的快速發展，智能家居成為與人民生活密切相關的信息載體。智能家居主要通過嵌入式硬件、數字網絡等，來完成家居環境中的智能交互與信息互聯。而本文提出的智能家居機器人技術，主要包括智能家居系統、語音機器人兩方面內容，通過運用嵌入式Linux、芯片控制器和無線網絡技術等，能夠實現用語音機器人來操控智能家居，從而滿足人們對高品質家居生活的需求。

關鍵詞：嵌入式；Linux；智能家居；機器人

中圖分類號：TP273.5文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018） 5（b）-0000-00

智能家居技術與其他計算機技術的最大區別，在于智能家居技術主要通過人機交互，進行數據處理與信息傳遞。因此智能家居機器人在人機交互中，主要負責人類命令與硬件設備之間的連接，從而實現相應命令信息的執行。本文采用嵌入式Linux軟件系統，結合芯片控制、信息采集、傳感器與無線網絡等硬件模塊，來完成對家居智能設備的語音控制。

1嵌入式Linux智能家居機器人系統的總體框架

在智能家居機器人系統的設計中，主要運用語音、圖像及其他傳感器的識別技術，來完成家居環境中智能硬件設備的控制。因此智能家居機器人在整個操作系統中，主要起到管家與信息傳達的功能。而智能家居控制系統的目標，是擺脫鼠標、鍵盤等傳統人機交互模式的限制，達到人與硬件設備之間的實時信息交流。嵌入式Linux的智能家居系統，主要硬件設備、智能家居機器人等組成部分，這兩個組成部分又包含硬件系統、軟件系統兩方面內容。其中智能家居機器人的硬件系統，主要包括芯片控制器、信息采集、語音識別模塊、傳感器等。這些智能家居硬件，可以借助于嵌入式Linux系統、無線網絡通信技術等，進行人機對話與命令識別。因此智能家居系統中軟硬件的結合，能夠完成智能家居的信息檢測、數據傳輸和任務執行。

2嵌入式Linux智能家居機器人系統的硬件設計

2.1芯片控制器模塊

嵌入式Linux 語音識別系統的體積較小，且在單位時間內的功耗與效率高。因此在智能家居芯片控制器模塊選擇中，需結合芯片體積、成本、功能、穩定性和功耗等，進行芯片控制硬件的選擇。本文選用Samsung公司的S3C2440 ARM處理芯片，作為智能家居硬件平臺的核心。S3C2440 ARM芯片主要包括語音轉換、信息處理與內存等模塊，CPU最大總線頻率可達533 MHz。其中語音轉換模塊負責高速數字信號的處理，內存模塊主要完成數據的讀取與存儲（讀取速率可達16 kB/s）。因此S3C2440 ARM芯片控制器模塊，能夠為應用程序的高速運行提供保障。

2.2信息采集模塊

智能家居機器人系統的信息采集模塊，主要對家居空間中的語音、圖像信息進行采集。其中圖像信息采集使用OmniVision公司的OV9650傳感器，OV9650具有1280x1024分辨率、130萬像素，且寄存器控制協議為SSCB接口。因此可以通過SSCB接口，將OV9650傳感器與S3C2440 ARM芯片控制器進行連接，來完成空間圖像的采集、識別與傳輸。而且運用S3C2440 ARM芯片控制器進行圖像處理，能夠提高信息處理的速率。

2.3語音識別模塊

語音識別模塊為智能家居機器人的核心模塊，也是語言學習、語音識別與信息處理的模塊。而且語音識別模塊也是借助于S3C2440 ARM芯片控制器，來完成語音編碼、語音解碼，以及控制指令的輸出與命令執行。在智能家居系統的語音識別過程中，首先系統會進行人類語言的學習，之后對家居空間的語音進行識別。這里語音編解碼芯片就會根據輸入的語音內容，進行語音信號的轉換計算，并通過系統中的數碼管，實現控制信號的輸出與顯示，以便于操控者對執行的任務進行處理。

3嵌入式Linux智能家居機器人系統的軟件設計

3.1嵌入式Linux平臺的設計

由于嵌入式Linux系統具有源代碼開放，應用程序資源豐富、內核功能或驅動可裁剪等特征，因此運用Linux系統進行智能家居機器人的設計，能夠完成更快的系統響應與信息處理。在嵌入式Linux系統的構建過程中，首先要使用交叉編譯器，創設出可在其他平臺中進行編譯的環境。然后通過對U-boot加載程序的移植，進行各個硬件設備初始化以及內存空間映射的建立，以完成適合軟硬件運行的環境搭建。之后對Linux系統內核中多余的功能或驅動，進行裁剪或編譯的處理。最后通過對內核鏡像的創建與壓縮，來實現根文件系統的創設。

3.2無線通信模塊的設計

在智能家居機器人系統的信息交互中，需要通過GPRS無線通信模塊，來完成Internet網絡連接與數據傳輸。首先需要利用TCP/IP協議進行語音數據封裝，然后再經由GPRS網絡與Internet路由器進行連接，最后將語音數據包傳輸至特定的IP地址中。

3.3嵌入式Web服務器

當前嵌入式Linux系統主要使用BOA 服務器，搭配通用網關接口程序（CGI），來完成用戶http的單任務請求。但BOA 服務器本身為http的單任務處理服務器，其只能按照用戶任務請求的次序，來依次完成網頁信息的處理。而通用網關接口程序（CGI）加入到BOA 服務器中，能夠分叉出多個任務處理進程，并建立起具有多路連接的http請求列表，來對用戶請求信息進行處理。同時在BOA 服務器中可以建立多個CGI程序，因此其能最大程度節約可執行代碼，以保障整個系統快速流暢的運行。通過BOA 服務器的通用網關接口程序，進行智能家居設備的控制，主要包括以下幾個步驟：（1）進行BOA 服務器配置。（2）配置通用網關接口程序的腳本儲存路徑。（3）BOA 服務器在收到Web請求后，通過CGI程序進行請求信息的處理，并輸出HTML網頁代碼。

4嵌入式Linux智能家居機器人系統的調試與功能實現

在嵌入式Linux智能家居機器人系統，完成整個軟硬件框架的搭建后，需要對系統進行調試與功能測試。首先需要對語音識別、語音合成等的程序命令進行編寫，測試控制命令的識別狀況、執行狀況等。然后再進行不同智能家居模塊的功能測試，功能測試主要包括人機對話、語音控制兩部分。人機對話需要發出相應的命令請求，然后智能家居機器人會接收到新聞資訊、天氣查詢等命令，并通過語音合成的形式進行執行。語音控制主要控制智能家居中的硬件設備，包括電燈、電扇、門窗和空調等設備，其能夠根據用戶的控制指令來完成任務執行。最后在嵌入式Linux智能家居機器人系統的后期調試環節，需要做好硬件驅動、軟件bug排除等工作，以保障整個Linux智能家居系統的平穩運行。

5結語

嵌入式Linux智能家居機器人系統的設計，是對原有家居控制方式的改革創新。當前大多數智能家居，都通過智能手機來完成命令的控制，但智能手機在人機交互與控制命令執行方面，存在較大的操作與控制問題。因此智能家居機器人語音控制系統的出現，能夠解決人機對話中的交互與信息理解障礙，從而實現智能家居語音控制、硬件設備的功能，以推動人民生活的智能化。

參考文獻

[1] 吳濤，黃心漢，黃振宇.基于Linux的多移動機器人通信的原理與實現方法[J]. 電工技術雜志. 2003（12）

[2] 萬劍鋒，鄭聰.基于Linux的智能家居研究與實現[J]. 科技視界. 2017（06）

[3] 王選誠，申納.基于Linux的嵌入式水下機器人系統設計[J]. 傳感器世界. 2015（11）