楊文濤，龔 韋，鄭天成，湯志謙

（1.華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院，武漢 430074；2.武漢智鼎云網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，武漢 430070）

現(xiàn)代智能家居是以家庭住宅為依托，將計算機網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和自動控制技術(shù)等多項技術(shù)進行了一體化整合，使人們的家居生活更加舒適、安全、便捷[1-2]。 智能家居系統(tǒng)需要將多種智能家電設(shè)備、智能傳感器以及智能網(wǎng)關(guān)，按照物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Thing，IoT）協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與控制聯(lián)動工作[3]，并且通過因特網(wǎng)使智能家居系統(tǒng)與外部世界相連接，實現(xiàn)用戶對智能家居系統(tǒng)的遠程控制。

傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)的交互通常采用基于程序窗體控件的點觸方式來操控家居設(shè)備。 文獻[4]設(shè)計了基于QT 智能網(wǎng)關(guān)的智能家居系統(tǒng)，用戶控制家居設(shè)備需要在直接網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序的控制界面進行手動操作。 文獻[5]設(shè)計了基于無線藍牙的智能家居系統(tǒng)，用戶通過移動終端的APP 界面與家居設(shè)備進行交互。 這些智能家居系統(tǒng)存在一些問題：①采用點觸界面控件的人機交互方式顯得低效呆板、缺乏智能；②由于不同廠商提供的智能家居系統(tǒng)實施的標準和方案不統(tǒng)一，對應(yīng)的用戶客戶端應(yīng)用程序也互不相同，這不利于智能家居應(yīng)用的普及和推廣。

微信作為當今最流行的大眾化即時通訊工具[6]，擁有極其龐大的用戶群體。 聊天機器人能夠賦予機器設(shè)備進行語音或文字交流、 模擬人類對話的能力，從而提供了一種便捷的、智能化的人機交互方式[7]。 微信聊天機器人將微信即時通訊技術(shù)與聊天機器人技術(shù)2 種應(yīng)用技術(shù)的優(yōu)勢充分融合在一起[8]，為一些服務(wù)行業(yè)提供了自動客服、自動聊天等新型交互應(yīng)用功能。

由此，針對傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)不足，本文提出了一種基于微信聊天機器人的智能家居控制系統(tǒng)，用戶無需安裝各類客戶端應(yīng)用程序，只需通過微信聊天的方式就可以對智能家居系統(tǒng)進行高效、智能化的控制和管理，這將很大程度上提升用戶的便捷性，從而提高用戶對智能家居系統(tǒng)的親和度和粘度。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能家居系統(tǒng)通常采用基本的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，劃分為感知控制層、網(wǎng)絡(luò)通信層和應(yīng)用服務(wù)層[9-10]，如圖1 所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Smart home system structure based on IoT

在感知層中，智能家電和各類傳感器等前端感知設(shè)備用于采集和上傳數(shù)據(jù)，響應(yīng)智能網(wǎng)關(guān)的操控指令。 智能家居系統(tǒng)常規(guī)的功能主要包括安全防盜、火災(zāi)報警、家用電器等。 溫、濕度傳感器分別采集室內(nèi)溫度和濕度數(shù)據(jù)。 安全部分主要包含煙霧和紅外探測。 煙霧數(shù)據(jù)通過煙霧傳感器采集。 紅外探測用于紅外傳感器檢測人體紅外輻射，攝像頭主要用于室內(nèi)視頻監(jiān)控。

在網(wǎng)絡(luò)層中，智能家居網(wǎng)關(guān)是家居智能化的核心，其主要任務(wù)是組建家居網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換和傳輸，以便集中實現(xiàn)對家居設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理控制[11]。 智能網(wǎng)關(guān)對前端感知設(shè)備的傳感器數(shù)據(jù)進行處理，進而實現(xiàn)系統(tǒng)的各種控制功能。

在應(yīng)用層中，由云端提供各種應(yīng)用服務(wù)，家庭成員用戶可以利用智能手機、智能平板等終端設(shè)備接入智能家居節(jié)點，通過客戶端應(yīng)用程序向前端感知設(shè)備發(fā)送操控命令，實現(xiàn)對家居設(shè)備進行遠程操控和管理。

1.2 智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計

智能網(wǎng)關(guān)是整個智能家居的核心[12]，除了網(wǎng)關(guān)通用功能如設(shè)備控制、物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換及網(wǎng)絡(luò)通訊外，還集成了微信聊天機器人對智能家居系統(tǒng)的聊天控制。

本智能家居系統(tǒng)的智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備采用天啟智能AIO-3399J 核心板開發(fā)設(shè)計。 該平臺具有性能優(yōu)越，外設(shè)硬件資源豐富的特點，在其內(nèi)部集成了多種外設(shè)接口。 另外，該板卡支持2.4 GHz/5 GHz 雙頻WiFi 網(wǎng)絡(luò)接口，通過外接集成AP6356 WiFi 通信模塊實現(xiàn)WiFi 網(wǎng)絡(luò)通信。

在系統(tǒng)軟件方面，網(wǎng)關(guān)設(shè)備采用開發(fā)板自帶的Linux 操作系統(tǒng)和硬件驅(qū)動軟件。運行于Linux 系統(tǒng)之上的智能家居系統(tǒng)應(yīng)用層軟件主要有MQTT 服務(wù)器、設(shè)備控制器、微信聊天機器人、主控應(yīng)用程序和云服務(wù)客戶端等。 智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)備的軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 智能網(wǎng)關(guān)軟硬件系統(tǒng)設(shè)計Fig.2 Design of software and hardware system of intelligent gateway

1.3 前端感知傳感器設(shè)計

1.3.1 智能傳感器

對于溫濕度傳感器和煙霧傳感器、安防系統(tǒng)中的紅外傳感器和監(jiān)控攝像頭等都屬于小型功能性的傳感器，可以靈活地部署客廳、臥室、廚房陽臺等處。 這些傳感器通過無線網(wǎng)絡(luò)，按照物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議將傳感數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關(guān)[13]。 為此，本文選用NodeMCU模塊設(shè)計和制作各類傳感器節(jié)點。 NodeMCU 支持MQTT 物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，同時搭載有ESP8266 WiFi 模塊[14]，能夠?qū)鞲袛?shù)據(jù)直接傳送給智能網(wǎng)關(guān)。

具體來說，NodeMCU 開發(fā)板的GPIO 口連接傳感器即可組成相應(yīng)的各類智能傳感器如DHT11 溫濕度傳感器、MQ-2 煙霧傳感器，紅外傳感器HC-SR501等。此外，監(jiān)控攝像頭考慮采用RT-IoT Camera 可編程物聯(lián)網(wǎng)攝像頭，可以將視頻直接通過WiFi 傳輸給智能網(wǎng)關(guān)。

1.3.2 智能家電設(shè)備

為了實現(xiàn)對家電設(shè)備統(tǒng)一管理， 本文采用NodeMCU+紅外控制器組成的控制板實現(xiàn)對智能家電設(shè)備控制。其中，外接紅外發(fā)射器SIR333，紅外接收器VS1838 構(gòu)成紅外收發(fā)器，它們通過GPIO 端口連接至NodeMCU，組成了NodeMCU 紅外控制板。NodeMCU 接收來自網(wǎng)關(guān)的控制指令，將指令轉(zhuǎn)化為的紅外編碼格式數(shù)據(jù)發(fā)送至家電設(shè)備實現(xiàn)對其控制；反之，家電設(shè)備將工作狀態(tài)信息也通過紅外接口發(fā)送至控制板和網(wǎng)關(guān)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

智能家居控制系統(tǒng)軟件主要包括4 個部分：MQTT 服務(wù)器、設(shè)備控制器、微信聊天機器人、主控應(yīng)用程序，各軟件模塊的相互關(guān)系如圖3 所示。

圖3 智能網(wǎng)關(guān)軟件模塊組成Fig.3 Software modules of intelligent gateway

2.1 MQTT 服務(wù)器

針對前端各類感知設(shè)備，通過MQTT 服務(wù)器構(gòu)建了完整的消息轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)，對傳感數(shù)據(jù)進行實時發(fā)布和訂閱主題消息[15]。 采用MQTT 物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議組建智能家居系統(tǒng)內(nèi)部通訊網(wǎng)，有利于降低各個軟件模塊的耦合性，提高了系統(tǒng)的可靠性和擴展性。

為了簡化開發(fā)過程，本文直接選用開源框架Mosquitto 搭建MQTT 服務(wù)器。 Mosquito 是一款實現(xiàn)了消息推送協(xié)議MQTT v3.1 的開源消息代理軟件，提供輕量級的， 支持可發(fā)布/可訂閱的消息推送模式。如圖3 左上虛線框?qū)?yīng)的MQTT 通訊部分所示，Mosquitto 作為MQTT 服務(wù)器實現(xiàn)消息代理。

2.2 設(shè)備控制器

設(shè)備控制器是智能網(wǎng)關(guān)的核心組件，負責管理前端感知設(shè)備，同時實現(xiàn)設(shè)備操作指令與MQTT 消息的相互轉(zhuǎn)換和傳輸。 如圖3 中左上虛線框?qū)?yīng)的MQTT 通訊部分所示， 設(shè)備控制器作為MQTT 客戶端，將聊天機器人或主控應(yīng)用發(fā)送來的控制指令請求轉(zhuǎn)化為MQTT 消息，通過MQTT 服務(wù)器發(fā)布給前端感知設(shè)備，前端感知設(shè)備接收到此訂閱消息后執(zhí)行對應(yīng)的硬件操作；反之，前端感知設(shè)備將指令執(zhí)行的結(jié)果轉(zhuǎn)化為MQTT 消息推送給設(shè)備控制器，并最終傳送給聊天機器人或主控應(yīng)用。

2.3 微信聊天機器人

聊天機器人是家庭成員與前端感知設(shè)備溝通的橋梁，它能夠?qū)⑽淖?、語音、表情等聊天信息翻譯成控制指令發(fā)送給設(shè)備控制器執(zhí)行相應(yīng)的操作。 聊天機器人主要包括微信接口、聊天引擎兩個部分。

微信接口：采用ItChat-UOS 微信接口，它繼承了ItChat 框架的優(yōu)秀特性， 提供了實現(xiàn)微信聊天的各種接口方法。

聊天引擎：負責聊天任務(wù)調(diào)度、參數(shù)配置、指令解析與消息回傳等。

家庭成員可利用智能手機的微信程序與智能網(wǎng)關(guān)中的微信聊天機器人聊天通訊，進而實現(xiàn)對智能家居的感知設(shè)備進行人-人交互， 取代了傳統(tǒng)的基于窗體控件觸控式的人-機交互方式。

2.4 主控應(yīng)用程序

主控應(yīng)用程序是基于Linux 的QT 開發(fā)的桌面應(yīng)用程序，用戶可以直接在智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備顯示屏上管理和操控各個前端感知設(shè)備，同時便于配置智能家居節(jié)點的系統(tǒng)參數(shù)，完成初始化工作。 主控應(yīng)用程序基于HAL 固件庫開發(fā)，程序主要包含驅(qū)動各模塊運行、顯示操作界面、配置WiFi 網(wǎng)絡(luò)、操控和查看傳感器設(shè)備工作狀態(tài)。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 主控應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)

主控應(yīng)用程序是直接運行于網(wǎng)關(guān)設(shè)備上的對智能家居節(jié)點內(nèi)的前端感知設(shè)備進行管理和操控的主程序。 啟動后進入導(dǎo)航主界面， 顯示臥室、客廳、廚房、陽臺等生活場景區(qū)域等，如圖4（a）所示。選擇某個場景區(qū)域，可以顯示對應(yīng)的智能傳感器或設(shè)備的運行狀態(tài)。 如圖4（b）所示，在客廳控制界面中顯示空調(diào)的運行狀態(tài)和模式， 監(jiān)控冰箱的溫度、對燈光照明進行控制操作。

圖4 智能網(wǎng)關(guān)主控應(yīng)用程序操作界面Fig.4 Main application operation interface of intelligent gateway

3.2 微信聊天控制實現(xiàn)

聊天機器人綁定一個微信賬號，該帳號與其他用戶構(gòu)成一個智能家居節(jié)點家庭群。 當聊天機器人啟動后，登錄微信平臺，獲取家庭群中的聊天信息。聊天引擎將群內(nèi)聊天信息進行解析成設(shè)備控制指令發(fā)送給設(shè)備控制器執(zhí)行。 反之，聊天引擎將前端感知設(shè)備的傳感數(shù)據(jù)或指令執(zhí)行結(jié)果轉(zhuǎn)換成聊天消息，推送至聊天群內(nèi)。 下面以打開客廳智能空調(diào)為例， 分析基于微信機器人聊天的控制實現(xiàn)過程，流程如圖5 所示，對應(yīng)的步驟如下：

圖5 微信聊天智能家居控制系統(tǒng)流程Fig.5 Flow chart of smart home control system based on Wechat

（1）家庭成員用戶、微信聊天機器人（設(shè)定的一個微信賬號）通過好友設(shè)置，組建一個“智能家居節(jié)點微信群”。

（2）運行聊天機器人程序，聊天機器人（名稱為“小雨”）自動登錄微信平臺，上線后在微信群中發(fā)送問候語“Hi，我是小雨”。

（3）家庭成員用戶User1 打開手機端的微信程序，登錄上線后，在微信群中輸入消息：“@ 小雨，打開客廳空調(diào)”， 該消息發(fā)送至包括聊天機器人在內(nèi)的所有群用戶。

（4）聊天引擎對一條消息進行指令解析。 解析成功，提取消息中的關(guān)鍵字“打開”、“客廳”、“空調(diào)”，將其翻譯成一條控制指令KT_Open，并發(fā)送給設(shè)備控制器；如果解析失敗，回到步驟3。

（5）設(shè)備控制器程序通過進程通訊方式，接收來自聊天機器人的控制指令后，將控制指令KT_ Open封裝成MQTT 消息MT_ReqMsg，發(fā)送至Mosquitto服務(wù)器。

（6）Mosquitto 服務(wù)器將MT_Msg 消息轉(zhuǎn)發(fā)出去，客廳空調(diào)控制器通過消息訂閱方式獲取本消息，并解析轉(zhuǎn)化為客廳空調(diào)的操控指令KT_Open 執(zhí)行。

（7）客廳空調(diào)控制器將指令KT_Open 執(zhí)行結(jié)果KT_Status 數(shù)據(jù)封裝成MQTT 消息MT_ResMsg 發(fā)送至Mosquitto 服務(wù)器發(fā)布。

（8）設(shè)備控制器利用訂閱方式獲取MT_ResMsg消息，解析得到KT_Status 數(shù)據(jù)。

（9）通過進程通訊方式，聊天機器人接收來自設(shè)備控制器的KT_Status 數(shù)據(jù)， 聊天引擎將其翻譯轉(zhuǎn)化為類似 “@User1 客廳空調(diào)打開成功”的聊天信息發(fā)送微信群中。

圖6 顯示了用戶通過與微信機器人進行微信聊天，實現(xiàn)了“打開客廳空調(diào)”操作過程。

圖6 在微信中打開客廳空調(diào)Fig.6 Switch operation to air conditioner on the living room in Wechat app

4 結(jié)語

針對傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)控制方式采用點觸操控界面存在繁瑣、呆板、缺乏智能等問題，本文設(shè)計了基于微信聊天機器人的智能家居控制系統(tǒng)。 采用以自然語言為基礎(chǔ)的人-人對話操控方式的智能家居系統(tǒng)具有智慧、高效、人性化的特點。 它不僅克服了傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)在控制方式上的種種弊端，并且給用戶帶來了新奇的體驗感受。