摘要:以小車為基底，以樹莓派開發板為中心，搭載攝像頭、傳感器等數據采集設備，采用CC2530為傳感器處理器、ZigBee技術為無線傳輸，實現了各節點間的通信。以ItChat微信機器人框架為基礎，二次開發植入百度AI開放平臺的語音技術、圖靈機器人的中文環境對話技術和機智云技術，以達到使用微信客戶端文本或語音輸入控制與管理設備的效果，解決了家電設備之間的互聯互控互通問題，同時具備一次性或周期性定時功能，使人們在享受舒適生活環境的同時實現節能。

前言

隨著物聯網技術的飛速發展，智能家居的理念已經深入人心。按鍵、紅外遙控器等傳統控制方式易受環境的影響，且不能實現遠程控制[1]。若使用產品專用App進行控制，雖然高效便捷、靈活性高，但兼容性差，不同廠家的智能家電無法實現互聯互通，不便于統一管理。

機智云開發者本次研究中設計了一個基于ItChat和樹莓派的環境監測機器人。在硬件層面，機器人可以通過樹莓派小車進行實時、可移動的環境監測；在軟件層面，機器人可以根據環境監測數據，通過微信客戶端靈活地控制各個設備[2]。該系統不僅能實現智能設備之間的互聯互通，而且具有定時任務功能，可以根據工作需要進行定時設置，以達到節能效果。

1系統組成

樹莓派機器人主要采用小車底盤作為基底，搭載樹莓派作為ARM主控板，攜帶攝像頭和WiFi模塊實現視頻通信，配備ZigBee協調器實現無線傳感器節點的數據采集和傳輸，結合遠程控制程序實現數據互通和遠程控制[3]。系統整體框架如圖1所示。

圖1系統整體框架

遠程控制端主要包括云服務、用戶和網絡端三大部分。

云服務：提供設備接入的服務器，App和終端所發送的數據都將通過服務器轉發至設備，以實現用戶設備之間的數據傳輸。

用戶：包括App和微信客戶端，用戶可以通過App或微信客戶端進行系統管理，如設備綁定、控制使用等。

網絡端：一臺路由器或AP分享網絡連接的聯網設備，終端通過聯網設備接入到Internet中。

2硬件系統設計

2.1樹莓派機器人硬件系統設計

本次研究以雙層小車搭載樹莓派B+作為主硬件系統，樹莓派體積小，搭載使用方便，基于Linux系統開源的特性使其具有多元性。ARM主控板一方面實現了傳感器節點模塊之間的數據傳輸和匯集，另一方面還搭載了攝像頭和電機驅動模塊，利用L298N電機驅動電路控制小車運動，達到移動監控的目的，能夠擴大數據采集的范圍[4]。另外，在底板的前部和后部分別安裝了超聲波傳感器，能夠避免碰撞。

2.2傳感器節點硬件系統設計

采用CC2530作為硬件系統的核心板，兩層板的設計保證了ZigBee終端通信數據的準確性。該電路能在無遮擋的情況下，實現100m的有效傳輸距離，以滿足系統需求。為了適應不同傳感器的接口需求，系統參考arduino系列的管腳分布電路設計，適配常用的傳感器，以提高系統的兼容性。同時，系統將CC2530引腳通過排線接出，以便后期靈活添加和調整[5]。

系統配置DHT11溫濕度傳感器、SW-420震動傳感器、MQ-2煙霧氣敏傳感器和HC-SR501熱釋電紅外傳感器等采集家居環境參數，以便作出相應操作[6-7]。系統將CC2530的IO口通過排針的方式引出，以便后期擴展使用。

2.3輸出控制系統硬件設計

基于傳感器節點系統所采集的數據，系統可以通過輸出照明設備或者排插開關控制設備。照明設備或者排插開關的功能單一，僅需操作GPIO,在GPIO上外接一個高電平驅動的繼電器，用于控制設備。

2.4硬件系統整合

將上述各部分進行整合，每個部分主要通過GPIO接口和USB接口與ARM主控板連接。機器人硬件連接圖如圖2所示。

3軟件系統設計

3.1微信框架ItChat設計

微信框架ItChat既可以捕獲來自系統、好友和群聊的信息，又可以返回信息，能夠實現信息交互。系統融入了機智云AIoT的設備控制技術、百度AI開放平臺的語音技術和圖靈機器人的中文對話技術等，搭建了一個簡單的中文對話系統[8]。

微信框架ItChat設計流程如圖3所示，導入所需的庫，進行個性化的參數設置，掃描二維碼啟動微信，通過微信監聽，等待有效信息并進行處理。

圖3微信框架ItChat設計流程

3.1.1百度AI語音信息匹配技術

現在的手機基本都有語音助手，可以先將用戶說的話轉換為文本信息，再分析文本信息所表達的含義。使用ItChat將收到的語音消息下載并保存為MP3格式文件。由于百度AI的語音接口不支持MP3格式文件，所以使用Pydub庫和FFmpeg對語音文件作WAV合成處理，最后將合成后的WAV格式文件提交至百度AI。若服務器成功識別語音文件，則返回識別結果；反之，則返回錯誤信息。若ItChat收到的是文本消息，則不進行以上處理。

當語音消息轉換為文本消息后，可利用百度AI開放平臺提供的Python的相關SDK進行信息匹配。信息匹配的方法包括利用字符串內建方法對簡單文本信息進行檢索、利用正則表達式對復雜文本信息進行匹配等。實現信息匹配后就可以進行定時開關的控制操作。

3.1.2調用平臺API

機智云和圖靈機器人僅提供RESTfulAPI風格調用接口，調用API時需要向服務器發送HTTP請求。Python有Urllib、Urllib2、Requests等網絡通信庫，既可以用來獲取網站內容，又可以用來向Host提交數據。Requests庫訪問HTTP的方法有Get、Post、Put、Delete等[9]。

3.1.3設備聯動、定時及遠程控制

智能設備的遠程控制、數據獲取、設備綁定等基本功能和定時、聯動等高級功能都是通過機智云的WebAPI實現的。WebAPI有豐富的功能接口，如用戶管理、消息中心、綁定管理等。在開發過程中將它們封裝成一個類，以簡化代碼，方便使用。

3.2照明設備軟件設計

系統可使用機智云平臺提供的自助式軟硬件開發工具，即代碼自動生成工具。只需在“.＼app＼user”文件夾目錄下“user_main.c”文件里面的user_init()函數下添加外設初始化代碼，將GPIO4設為輸出模式。生成代碼前，在數據點中添加一個名為“Switch”的數據點，機智云事件處理函數內的Switch語句就會有相應的開關事件，當設備收到來自App的數據后便會作出處理。

設置函數控制輸出電平的高低，從而控制繼電器的開關。修改代碼后，將整個源代碼在裝好Tensilica相關GCC編譯器的Linux環境下，利用“sudo./gen_misc.sh”編譯生成二進制文件，再采用樂鑫官方下載軟件將其燒寫固件到ESP12-N中。

3.3網絡傳輸模塊程序設計

與Iw-Tools不同，Wpa_Supplicant軟件支持WPA和WPA2加密，能夠較好地保障通訊的安全性[10]。軟件在ArchLinuxARM發行版上的安裝步驟如下：

(1) 運行“pacman-Sywpa_supplicant”進行軟件安裝。

(2) 運行“nano/etc/wpa_supplicant-wlan0.conf”配置文件。

當機器人與電腦或手機連接的不是同一個WiFi時，就會面臨路由器穿透問題，因為機器人和主控端都在內網，沒有公網地址。這時，必須經由路由器訪問公網連接機器人網絡中的路由器，再經由機器人網絡中的路由器訪問機器人。這種轉發顯然不能由安裝在機器人或主控端上的軟件直接完成，因此，需要考慮一種解決方案。

目前市場上的路由器多數使用的是UPnP技術，該技術允許內網向特定地址群發送一個廣播包進行通訊，指示路由器為特定端口放行，即所有公網發往該端口的數據包都將轉發給指示發起人，進而完成雙端的直接連接。

雖然UPnP技術能夠實現雙端轉發，但雙方并不知道對方地址，無法直接建立連接。此時，需要公網上有一臺服務器提供協商服務，可以使用Google開放平臺提供的STUN服務[11]。

3.4視頻傳輸程序設計

研究發現，當攝像頭獲取的圖像靜止時，單位時間內的差異非常小，即使有物體運動，背景圖像通常也沒有變化，因此，應在傳輸時只傳送變化的部分以節省帶寬。顯然，對于需要適應工作環境的機器人而言，圖像數據的傳輸應當是最低優先級且允許丟包，但H264壓縮算法若丟失了關鍵幀(I幀),將導致P幀和B幀無法還原，且每次建立連接都需要再傳輸參數數據(如圖像的尺寸、壓縮算法、幀率等)。

基于以上分析，本次研究采用了常用于機器人的人臉識別或物體移動偵測的跨平臺計算機視覺庫OpenCV。OpenCV經由UVC獲取攝像頭圖像，并采用OpenCV的Absdiff方法找尋其與上一幀的差異，將差異塊傳輸至主控端進行覆蓋還原。差異幀是節省帶寬的關鍵，但考慮到丟包或擁擠時應出讓帶寬給控制指令和傳感器數據，因此差異幀只存在2s,每隔2s傳輸一次完整圖像，圖像經由JPEG算法壓縮。視頻傳輸時序圖如圖4所示。

4系統測試

4.1傳感器節點數據傳輸測試

為了保證數據采集的正確性，首先進行單個傳感器的連接測試，然后將CC2530通過串口與計算機連接，調試、設置參數，觀察PC機接受到的數據信息。基于系統的需求和功耗，將傳感器的采集周期設定為5s,而對于震動傳感器和紅外傳感器，一旦發生狀態變化就立即發送數據。

圖4視頻傳輸時序圖

4.2機器人移動及視頻監控性能測試

利用ListView在客戶端底部設計了小車移動、攝像頭、采集節點、溫濕度曲線圖等4個圖標，點擊按鈕即可打開相應功能并高亮顯示。進入機器人移動控制界面時，實時視頻采集功能便會同時開啟，此時，通過方向按鍵可發出移動控制指令。機器人移動控制和視頻傳輸演示圖如圖5所示。測試表明，客戶端可以順利控制機器人移動，視頻傳輸正常。

圖5機器人移動控制和視頻傳輸演示圖

4.3微信客戶端的功能實現驗證

4.3.1掃碼綁定設備及配網

進入主界面后，點擊“掃碼綁定設備”按鈕，系統開啟攝像頭掃描設備二維碼，掃碼完成后主界面就會出現該設備名稱，此時的設備圖標呈灰色狀態，說明還未進行配網。點擊“添加設備”,系統會要求輸入WiFi密碼，完成配網工作之后就會顯示設備名稱。點開設備的開關按鈕，即可控制設備狀態。掃碼綁定設備界面如圖6所示。

圖6掃碼綁定設備界面

4.3.2語音識別功能驗證

打開微信客戶端機器人，在聊天對話框中發送一條“打開照明”的語音信息。機器人將識別語音信息，并將信息返回給用戶確認，若沒有接收到錯誤信息，則機器人完成打開照明的操作，并發送“操作成功”。語音識別驗證如圖7所示。

圖7語音識別驗證

5結語

本次研究以ARM嵌入式技術為基礎，設計了一個可移動的監測機器人。從最初的芯片選擇、傳感器配置、網絡連接和客戶端設計都是根據需求靈活定制的，以確保性能最優化。通過測試可知，機器人工作性能穩定，能夠在靈活監測、采集環境數據的同時與樹莓派和客戶端很好地進行數據傳輸。

傳感器工作正常，客戶端方便易懂，若投入使用將會有很好的社會應用價值。智能機器人的發展空間巨大，未來可以考慮添加位置記憶的功能，結合自動尋路算法來完成路線繪制，并用于自動充電，以解決續航問題，還可以搭載更多的傳感器，使系統更加智能化。