基于天貓精靈AIoT云智能場(chǎng)景下智能家居的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

蔣夢(mèng)云 李丹妮

摘要：由于傳統(tǒng)意義上智能家居的家電控制匹配復(fù)雜性，影響和制約了用戶(hù)的體驗(yàn)。設(shè)計(jì)了一款基于阿里飛燕的天貓精靈AIoT在云智能場(chǎng)景下面對(duì)智能家居的設(shè)計(jì)應(yīng)用。選取支持無(wú)線(xiàn)（ESP8266/EM3080-Wi?Fi） 模式的智能設(shè)備（STM32F系列）作為AIoT智能家居系統(tǒng)的采集終端，通過(guò)語(yǔ)音助手對(duì)天貓精靈（AIoT） 下達(dá)命令。將數(shù)據(jù)通過(guò)MQTT協(xié)議在平臺(tái)云端匯聚，通過(guò)AMQP在本地獲取數(shù)據(jù)。再通過(guò)阿里云平臺(tái)提供的WebSDK、RESTApi對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，在Web可視化工具IoT Studio進(jìn)行實(shí)時(shí)展示，并最終實(shí)現(xiàn)智能家居的實(shí)時(shí)檢測(cè)和相應(yīng)設(shè)備控制。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；阿里云；智能家居；AIoT；AMQP

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311.5? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）34-0094-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

當(dāng)前，隨著眾多新興科技行業(yè)的崛起，萬(wàn)物互聯(lián)的發(fā)展面臨著越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。物聯(lián)網(wǎng)不再局限于傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，而是呈現(xiàn)出設(shè)備種類(lèi)繁多、數(shù)量龐大的特點(diǎn)，這成為需要解決的新問(wèn)題。然而，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也不再只是簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集，而是與多種新型技術(shù)的融合，為物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。

現(xiàn)如今的物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)在各個(gè)行業(yè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用，其發(fā)展前景不可估量。未來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)對(duì)人們的生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，從日常生活的方方面面到各個(gè)行業(yè)的發(fā)展都將受到其影響。因此，應(yīng)該積極關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，探索其在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，為未來(lái)的智能化生活做好準(zhǔn)備[1]。

天貓精靈是阿里巴巴集團(tuán)生產(chǎn)的一款智能語(yǔ)音控制終端，其強(qiáng)大的語(yǔ)音交互功能涵蓋了日常生活的眾多方面。它不僅具備智能家居接入語(yǔ)音控制的能力，還允許用戶(hù)通過(guò)下達(dá)命令實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的遠(yuǎn)程監(jiān)控和語(yǔ)音識(shí)別控制。一臺(tái)天貓精靈的智能AI語(yǔ)音助手就能夠?qū)崿F(xiàn)多臺(tái)智能家居的語(yǔ)音控制功能，在保證低成本的前提下，成功打造了一套基于物聯(lián)網(wǎng)控制的智能室內(nèi)家居系統(tǒng)。這一創(chuàng)新解決方案為未來(lái)室內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)智能家居的發(fā)展提供了新的方向[2]。

1 智能家居系統(tǒng)架構(gòu)

圖1是智能家居框架結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)框架結(jié)構(gòu)圖中的方案，本文設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)分為三個(gè)主要模塊：1） 阿里云服務(wù)平臺(tái)；2） 智能音箱天貓精靈；3） 支持無(wú)線(xiàn)（EM3080-Wi?Fi） 模式的STM32主控芯片。

第一部分，阿里云服務(wù)平臺(tái)。該平臺(tái)主要發(fā)揮兩個(gè)核心功能。首先，它充當(dāng)了天貓精靈和STM32主控芯片之間的橋梁，通過(guò)在阿里云平臺(tái)上注冊(cè)天貓精靈需要控制的設(shè)備，將主控芯片所控制的設(shè)備與天貓精靈建立連接。其次，在設(shè)備產(chǎn)品成功聯(lián)通后，用戶(hù)可以通過(guò)語(yǔ)音助手向天貓精靈（AIoT） 發(fā)送指令。這些數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)MQTT協(xié)議在平臺(tái)上匯集，并使用AMQP在本地獲取數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)阿里云平臺(tái)提供的SDK包進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[3]。

第二部分是智能音箱天貓精靈。它的主要功能是提供智能語(yǔ)音控制。作為語(yǔ)音控制終端，它與阿里云平臺(tái)相連，以實(shí)現(xiàn)對(duì)STM32主控芯片設(shè)備的控制。用戶(hù)只需將設(shè)備與天貓精靈連接在同一局域網(wǎng)絡(luò)下，然后向天貓精靈發(fā)出具體控制指令，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。

第三部分是支持無(wú)線(xiàn)（EM3080-Wi?Fi） 模式的STM32主控芯片。該芯片主要承擔(dān)兩個(gè)關(guān)鍵功能。第一個(gè)是處理從連接的傳感器中采集到的數(shù)據(jù)。第二個(gè)是接收阿里云平臺(tái)發(fā)出的對(duì)連接設(shè)備的控制指令。該芯片主要包括兩個(gè)模塊：智能家電控制和智能環(huán)境檢測(cè)。智能家電控制模塊主要負(fù)責(zé)控制智能空調(diào)設(shè)備和智能燈，而智能環(huán)境檢測(cè)模塊則主要負(fù)責(zé)采集室內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)變化。

2 智能家居系統(tǒng)功能

本文所設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)是以住宅為單位進(jìn)行模擬研究的，主要包括智能家電控制和智能環(huán)境檢測(cè)兩個(gè)主要模塊。本方案針對(duì)應(yīng)用型智能音箱在智能家居方面的設(shè)計(jì)如下[4]：

1） 智能家電控制模塊可以根據(jù)外界氣候的變化監(jiān)測(cè)家中的溫度濕度變化情況，用戶(hù)可以在移動(dòng)端App上直接調(diào)節(jié)家里的溫度濕度，提前打開(kāi)空調(diào)進(jìn)行調(diào)溫，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制的功能。此外，還可以將溫濕度傳感器與智能空調(diào)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，通過(guò)一臺(tái)智能音箱實(shí)現(xiàn)多個(gè)智能家居的控制，有效降低了人們的生活成本。智能燈控是指用戶(hù)可以通過(guò)語(yǔ)音向天貓精靈下達(dá)命令，控制多個(gè)房間內(nèi)智能燈的開(kāi)關(guān)、亮度、色溫等。同時(shí)，根據(jù)不同的關(guān)鍵詞，還可以調(diào)整燈光的不同模式，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制功能。另外，用戶(hù)還可以在移動(dòng)端App上直接控制智能燈的各項(xiàng)功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制，以低成本、高效率的方式實(shí)現(xiàn)了人們解放雙手的生活模式。

2） 智能環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集溫濕度數(shù)據(jù)。溫濕度對(duì)人體健康有著很大的影響，因此本模塊可以通過(guò)天貓精靈直接播報(bào)室內(nèi)溫濕度，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測(cè)，方便用戶(hù)調(diào)整到人體最適宜的溫濕度環(huán)境。同時(shí)，用戶(hù)還可以在移動(dòng)端App上直接觀察到室內(nèi)的溫濕度，可以隨時(shí)遠(yuǎn)程控制空調(diào)，使住宅環(huán)境達(dá)到舒適的溫濕度[5]。

3 智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

語(yǔ)音是人類(lèi)溝通最為便捷的方式，可以有效地解放雙手，并降低空間距離的限制。通過(guò)與智能語(yǔ)音終端（AIoT） 技術(shù)的成功結(jié)合，智能家居的發(fā)展已經(jīng)推向了一個(gè)新的高度。作為物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)視角下信息處理的高級(jí)媒介，語(yǔ)音交互的實(shí)現(xiàn)使得輸入變得更加簡(jiǎn)單[6]。

圖2顯示了用戶(hù)通過(guò)語(yǔ)音接口智能音箱天貓精靈與家用電器設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)。用戶(hù)通過(guò)語(yǔ)音指令向天貓精靈傳達(dá)命令，天貓精靈將指令傳遞給電器設(shè)備并實(shí)現(xiàn)控制。在此過(guò)程中，用戶(hù)無(wú)法直接通過(guò)語(yǔ)音對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，而必須借助智能音箱天貓精靈作為媒介。然而，一旦設(shè)備完成操作，將直接向用戶(hù)反饋結(jié)果。這種設(shè)計(jì)的人機(jī)交互方式，不僅釋放了用戶(hù)的雙手，還消除了空間距離的限制。

當(dāng)用戶(hù)首次使用智能音箱天貓精靈時(shí)，需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置。天貓精靈頂部有三個(gè)按鍵，分別是靜音鍵、音量加鍵和音量減鍵。在配置網(wǎng)絡(luò)時(shí)，用戶(hù)需要在天貓精靈App上創(chuàng)建賬號(hào)，并長(zhǎng)按音箱頂部的靜音鍵，直到燈光開(kāi)始閃爍，表示天貓精靈已進(jìn)入配網(wǎng)模式。只有在配網(wǎng)模式下，用戶(hù)才能在App中為天貓精靈選擇并輸入Wi?Fi進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置。一旦初次配網(wǎng)成功，只要網(wǎng)絡(luò)環(huán)境正常，后續(xù)使用過(guò)程中無(wú)需再次執(zhí)行配網(wǎng)流程。聯(lián)網(wǎng)后的天貓精靈，用戶(hù)只需說(shuō)出“天貓精靈”即可喚醒智能音箱[7]。

綁定天貓精靈的方法有兩種。第一種方法是用戶(hù)在天貓精靈App的添加設(shè)備頁(yè)面中選擇相應(yīng)的智能設(shè)備進(jìn)行綁定。第二種方法是用戶(hù)直接對(duì)智能音箱天貓精靈說(shuō)出“天貓精靈找隊(duì)友”，天貓精靈會(huì)自動(dòng)掃描附近可以連接的智能設(shè)備，并向用戶(hù)反饋是否需要連接該設(shè)備。

4 智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 主控模塊實(shí)現(xiàn)

在設(shè)備上電后，STM32程序會(huì)首先對(duì)GPIO管腳和各個(gè)外設(shè)模塊進(jìn)行初始化。在接收到用戶(hù)的命令后，程序?qū)?shù)據(jù)通過(guò)Wi?Fi模塊發(fā)送至阿里云服務(wù)器。同時(shí)，可以通過(guò)串口調(diào)試工具來(lái)驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否成功上傳。如果數(shù)據(jù)傳輸成功，設(shè)備將根據(jù)指令進(jìn)行相應(yīng)的控制反饋；如果數(shù)據(jù)傳輸失敗，將檢查對(duì)應(yīng)的軟硬件模塊是否存在問(wèn)題[8]。

4.2 Wi?Fi模塊實(shí)現(xiàn)

在本設(shè)計(jì)中，EM3080 Wi?Fi組將作為整個(gè)設(shè)計(jì)方案中最重要的傳輸橋梁。該模組實(shí)際上是一個(gè)串口轉(zhuǎn)Wi?Fi模塊，STM32將通過(guò)串口發(fā)送AT指令，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送[9]。

4.3 SHT30環(huán)境檢測(cè)模塊驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

智能環(huán)境檢測(cè)模塊主要負(fù)責(zé)溫濕度檢測(cè)。SHT30溫濕度傳感器是STM32主板芯片的一個(gè)模塊，它將溫度傳感器的輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)值采集，并向服務(wù)器傳遞相應(yīng)數(shù)值。

4.4 智能空調(diào)模塊驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

智能空調(diào)的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)繼電器來(lái)控制。針對(duì)智能空調(diào)開(kāi)關(guān)控制器，本設(shè)計(jì)具有狀態(tài)存儲(chǔ)功能，可根據(jù)智能空調(diào)設(shè)備的狀態(tài)，即相應(yīng)IO口的高低電平狀態(tài)，來(lái)進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。

4.5 AMQP通信模塊實(shí)現(xiàn)

本文將使用AMQP SDK接入阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，以接收服務(wù)端訂閱消息。這種方法可以實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)之間的安全、可靠、高效的消息通信。文中將展示如何使用AMQP SDK建立與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的連接、認(rèn)證、心跳等過(guò)程，并對(duì)接收到的消息進(jìn)行解析和處理[10] 。

4.6 Web大屏實(shí)現(xiàn)

Web屏幕（主屏）將展示溫濕度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及曲線(xiàn)變化、燈光狀態(tài)顯示以及實(shí)時(shí)天氣等信息。這些信息將幫助用戶(hù)更好地了解環(huán)境狀況，并根據(jù)需要做出相應(yīng)的調(diào)整。主屏上將顯示詳細(xì)的溫濕度數(shù)據(jù)，包括實(shí)時(shí)溫度和濕度的數(shù)值，以及這些數(shù)據(jù)的走勢(shì)曲線(xiàn)圖。通過(guò)這些數(shù)據(jù)和曲線(xiàn)，用戶(hù)可以直觀地了解室內(nèi)環(huán)境的溫濕度狀況，以及它們?cè)诓煌瑫r(shí)間段的變化趨勢(shì)。此外，主屏還將實(shí)時(shí)顯示燈光的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，讓用戶(hù)輕松掌控室內(nèi)照明情況[11]。

5 特色與創(chuàng)新

5.1 系統(tǒng)特色

1） 配備了智能語(yǔ)音助手（天貓精靈AIoT） ，只須通過(guò)語(yǔ)音喚起天貓精靈語(yǔ)音助手，下達(dá)指令，即可完成所需的工作。

2） 在進(jìn)行串口輸出的同時(shí)，以固定的時(shí)間間隔向云端傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了“心跳報(bào)文”和終端數(shù)據(jù)在云IoT平臺(tái)上物模型數(shù)據(jù)的直觀展示以及基于MQTT協(xié)議的命令控制。

3） 通過(guò)IoT平臺(tái)構(gòu)建Web頁(yè)面的模型，在云端IDE框架下進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的顯示，以及相應(yīng)功能的實(shí)現(xiàn)；最終使得用戶(hù)在遠(yuǎn)程也可觀測(cè)或控制已添加設(shè)備。

5.2 系統(tǒng)創(chuàng)新

1） 通過(guò)公有云方式實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)信息的傳輸，可以大幅降低獨(dú)立架設(shè)服務(wù)器的經(jīng)濟(jì)成本，在保障了信息安全性的同時(shí)也有利于物聯(lián)網(wǎng)商品大規(guī)模量產(chǎn)后的后期維護(hù)。

2） 通過(guò)綁定企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)到自有的IoT設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了“端—云”的直接連通，在其基于實(shí)例化的部署架構(gòu)，提供設(shè)備接入的同時(shí)，也提供了數(shù)據(jù)監(jiān)控和數(shù)據(jù)流管理，并且與天貓精靈AIoT生態(tài)系統(tǒng)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)人工智能技術(shù)，AI與IoT設(shè)備結(jié)合使簡(jiǎn)單的“物聯(lián)”上升為“智聯(lián)”，二者相融合提升了效率和使用場(chǎng)景，為數(shù)據(jù)創(chuàng)造了更大的價(jià)值。

3） 通過(guò)IoT設(shè)備架構(gòu)Web頁(yè)面的方式，在相應(yīng)的天貓精靈App上實(shí)現(xiàn)了“云—端”的IoT設(shè)備直接控制流程，還便利于后續(xù)云原生的升級(jí)，更重要的是，解決了跨平臺(tái)產(chǎn)品部署的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了一次開(kāi)發(fā)，處處使用的商業(yè)目的。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的智能家居設(shè)計(jì)，是基于天貓精靈與阿里飛燕平臺(tái)所結(jié)合實(shí)現(xiàn)。打破了傳統(tǒng)意義上智能家居的家電控制，通過(guò)天貓精靈或手機(jī)端App實(shí)現(xiàn)，打破了空間上的距離限制，釋放了群眾的雙手。從而證明以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用，是提高人們生活質(zhì)量水平的重要途徑。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙博巖.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2019.

[2] 鄧昀，李朝慶，程小輝.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2017，37（1）：159-165.

[3] 郭弘揚(yáng).STM32在智能家居安全報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].無(wú)線(xiàn)互聯(lián)科技，2022，19（19）：124-126.

[4] 楊幸.應(yīng)用于智能家居的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].大連：大連理工大學(xué)，2017.

[5] 馬可，何人可，馬超民.基于語(yǔ)音交互的家用智能掃地機(jī)器人體驗(yàn)設(shè)計(jì)研究[J].包裝工程，2020，41（18）：118-124.

[6] 岳駿，解乃軍.基于STM32的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2022（2）：27-31.

[7] 于國(guó)福.基于ZigBee3.0技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2022，46（10）：222-225.

[8] 孫磊.基于MQTT協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)消息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京：東南大學(xué)，2021.

[9] 程風(fēng).基于語(yǔ)音交互技術(shù)的智能家居主控設(shè)計(jì)[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2018.

[10] 熊芳.物聯(lián)網(wǎng)趨勢(shì)下的智能家居產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究[D].北京：北方工業(yè)大學(xué)，2016.

[11] 應(yīng)宇.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)人性化設(shè)計(jì)體現(xiàn)[J].產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究，2022（6）：60-62.

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