劉銘華

（福建生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福州 350000）

根據(jù)相關(guān)報(bào)道，我國(guó)年齡在60 周歲及以上的人口截至到2022 年已超過(guò)28 004 萬(wàn)人，占總?cè)丝诘?9.8%，而且有強(qiáng)勢(shì)向上漲的趨勢(shì)[1]。我國(guó)已處在從老齡化較輕度階段步入老齡化中度階段，且預(yù)計(jì)2035 年，我國(guó)60 周歲及以上的人口將突破4 億。2023 年政府工作報(bào)告要求，要強(qiáng)化基本民生保障，提高人民生活水平，提升醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)能力，推動(dòng)老齡事業(yè)。隨著醫(yī)療養(yǎng)老等第三產(chǎn)業(yè)服務(wù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外也涌現(xiàn)出很多各式各樣的智能設(shè)備，甚至于2021 年華為率先提出了“HUAWEI Smart Home”解決方案。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)智能語(yǔ)音提醒系統(tǒng)，具備成本低、便攜式良好等優(yōu)點(diǎn)。

如今國(guó)際形勢(shì)風(fēng)云變幻，全球化生產(chǎn)遭受國(guó)際政治影響，而科技領(lǐng)域也發(fā)生了大的變化。在這種形勢(shì)下，我國(guó)需要獨(dú)立自主的核心技術(shù)，并且有較好的應(yīng)用生態(tài)。OpenHarmony 操作系統(tǒng)的前身是華為HarmonyOS，其發(fā)布時(shí)間為2019 年，主要是一套面向全場(chǎng)景的跨平臺(tái)多語(yǔ)言的分布式操作系統(tǒng)[2]。后期經(jīng)過(guò)2020 年與2021 年2 年時(shí)間將智能終端操作系統(tǒng)相繼前后全部開源捐贈(zèng)給開放原子開源基金會(huì)，于是命名為OpenHarmony 操作系統(tǒng)[3]。各大廠商相繼紛紛加入OpenHarmony 開發(fā)陣營(yíng)，共建我國(guó)自主可控操作系統(tǒng)[4-5]。本文基于OpenHarmony 操作系統(tǒng)完成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自主可控的監(jiān)護(hù)提醒功能。

本文設(shè)計(jì)一套基于OpenHarmony 的智能居家語(yǔ)音提醒系統(tǒng)，以Hi3861 作為主控MCU，以MQTT 作為上傳協(xié)議，完成將探測(cè)居家環(huán)境中溫濕度及光照度經(jīng)WIFI 上傳華為云端，兼顧靠近語(yǔ)音提醒并記住人體活動(dòng)信息，能夠遠(yuǎn)程控制燈光的亮滅，有效地協(xié)助老年人或者身體有缺陷者進(jìn)行如廁等活動(dòng)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1 所示。使用Hi3861 為主控，其中溫濕度與光照度共用一個(gè)IIC0，將SHT30 采集溫濕度數(shù)據(jù)和BH1750 采集光照度數(shù)據(jù)傳遞給主控；而OLED 顯示使用IIC1 進(jìn)行環(huán)境參數(shù)顯示；通過(guò)紅外感應(yīng)檢測(cè)人體活動(dòng)，經(jīng)UART 進(jìn)行SYN6228 的語(yǔ)音播報(bào)，達(dá)到輔助功能；最后經(jīng)過(guò)Hi3861 內(nèi)置WIFI 連接網(wǎng)絡(luò)，使用MQTT 協(xié)議進(jìn)行華為云的數(shù)據(jù)上傳與控制。同時(shí)，經(jīng)云平臺(tái)客戶可以進(jìn)入環(huán)境數(shù)據(jù)查詢，并完成LED等設(shè)備的控制。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 基于Hi3861 的MCU 系統(tǒng)

Hi3861 是高度集成化的一款32bit 微型處理芯片，其內(nèi)部集成IEEE802.11b/g/n 基帶電路和RF 電路的SOC WIFI 芯片，其WIFI 基帶支持正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM），向下兼容直接序列擴(kuò)頻（DSSS）和補(bǔ)碼鍵控技術(shù)（CCK）。之所以選擇Hi3861 作為主控MCU 是因?yàn)槠錁O具外設(shè)接口豐富資源，包括多種GPIO、定時(shí)中斷、各種通信協(xié)議如SPI、IIC、UART 等等，同時(shí)支持HUAWEI LiteOS 和第三方組方，能滿足不同系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求[6]。構(gòu)建基于OpenHarmony 系統(tǒng)的硬件原理圖如圖2 所示。

圖2 Hi3861 硬件系統(tǒng)

1.1.1 環(huán)境參數(shù)檢測(cè)

本系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)主要采集溫濕度和光照度，采用BH1750 進(jìn)行光照度的采集，同時(shí)采用SHT30 進(jìn)行溫濕度采集，通過(guò)分時(shí)復(fù)用IIC0 進(jìn)行通信。BH1750 是一款數(shù)字型光照強(qiáng)度傳感集成芯片，其構(gòu)成檢測(cè)單元原理如圖3（a）所示。BH1750 芯片內(nèi)含光敏PD、運(yùn)算放大及16bitADC，能夠廣泛地對(duì)光照強(qiáng)度高精度測(cè)定，可達(dá)1 lux 的分辨力，測(cè)定上限可達(dá)100 000 lux，最小誤差變動(dòng)在±20%，同時(shí)受紅外線影響很小。SHT30 是一款高度集成電容式測(cè)濕度元件和能隙式測(cè)溫度元件，其構(gòu)成的溫濕度檢測(cè)原理如圖3（b）所示。SHT30芯片內(nèi)含14bitADC，具有較高的可靠性與長(zhǎng)期的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，其溫度測(cè)量精度可達(dá)±0.2 ℃，測(cè)溫范圍在5~60 ℃，分辨率達(dá)0.015 ℃；濕度范圍20~80%RH，濕度測(cè)量精度可達(dá)±2%RH。

圖3 環(huán)境參數(shù)檢測(cè)

1.1.2 紅外語(yǔ)音提醒

本系統(tǒng)的語(yǔ)音提醒單元由熱電勢(shì)紅外探測(cè)與SYN6228 語(yǔ)音播報(bào)2 部分組成，完成語(yǔ)音提醒功能。在圖4（a）中基于HC-SR505 小型感應(yīng)模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制，具有高靈敏度、小體積、高可靠性、低功耗和經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛使用。若人體進(jìn)行一定的活動(dòng)，也會(huì)有電平信號(hào)，在不使用攝像頭涉及隱私的情況下可以進(jìn)行人體活動(dòng)信息記錄。檢測(cè)到電平變化立即通過(guò)UART 發(fā)送命令給SYN6228 芯片進(jìn)行播音。SYN6228語(yǔ)音播報(bào)部分原理如圖4（b）所示，SYN6228 芯片將txt 轉(zhuǎn)換成中英文進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)。該芯片支持GBK、UNICODE 等多種編碼格式；具備有多種不同的控制命令，具有16 級(jí)音量調(diào)節(jié)；支持6 級(jí)語(yǔ)速；等等。多種功能與控制，具備智能文本分析處理算法，可以識(shí)別多種常用格式進(jìn)行中英文播報(bào)。

圖4 紅外語(yǔ)音播報(bào)提醒

1.2 基于華為DevEco Device Tool 的OpenHarmony開發(fā)

本系統(tǒng)的開發(fā)是基于華為DevEco Device Tool 編譯平臺(tái)，在該平臺(tái)可進(jìn)行代碼編輯、編譯、在線燒錄和調(diào)試等功能，編程語(yǔ)言選擇C/C++，在windows 桌面使用VS Code 開發(fā)。本系統(tǒng)使用DevEco Device Tool 3.1 Release，該工具使用remote-ssh 協(xié)同開發(fā)，其較舊版本新增編譯工具鏈一鍵配置、源碼級(jí)調(diào)試插件等全新功能，同時(shí)集成HDF 驅(qū)動(dòng)開發(fā)、仿真器、棧分析等工具，助力智能設(shè)備開發(fā)效率提升[7]。本系統(tǒng)開發(fā)則基于windows Vscode 開發(fā)與unbuntu20.4，通過(guò)remote-ssh進(jìn)行開發(fā)，節(jié)約開發(fā)時(shí)間，提高開發(fā)效率。OpenHarmony內(nèi)核有2 種，分別是Linux Kernel 和LiteOs[8]。本系統(tǒng)采用的是基于目前流行的RISC-V 架構(gòu)內(nèi)置WIFI 的Hi3861 芯片，而RISC-V 架構(gòu)是一個(gè)完全開源的架構(gòu)，該系統(tǒng)的內(nèi)存小于128 kB，屬于輕量系統(tǒng)類設(shè)備[9]。

1.2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本智能居家提醒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，一方面采集居家環(huán)境參數(shù)，若超過(guò)閾值則發(fā)生環(huán)境參數(shù)報(bào)警，進(jìn)行監(jiān)測(cè)的同時(shí)經(jīng)過(guò)WIFI 聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)上傳云端；另一方面實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)老人或者身體欠缺者，給予實(shí)時(shí)語(yǔ)音關(guān)懷提醒并記錄。具體流程如圖5 所示。

圖5 基于OpenHarmony 的系統(tǒng)流程

1.2.2 系統(tǒng)軟件開發(fā)

該系統(tǒng)基于OpenHarmony liteOS 3.1.0 LTS 版本，主要分成3 個(gè)線程，主線程的任務(wù)為連接WIFI 通過(guò)MQTT 進(jìn)行消息訂閱；副任務(wù)一的任務(wù)為環(huán)境參數(shù)讀取及打包進(jìn)行無(wú)線上傳；副任務(wù)二的任務(wù)為檢測(cè)人的活動(dòng)情況進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，以及進(jìn)行環(huán)境參數(shù)和人體活動(dòng)情況顯示。其中主線程的任務(wù)需要連接WIFI 及以MQTT 協(xié)議進(jìn)行傳輸，因此線程的大小需要分配較大且優(yōu)先級(jí)較高；副任務(wù)一收集環(huán)境參數(shù)，線程大小分配較小，但是優(yōu)先級(jí)較次等；副任務(wù)二進(jìn)行人體活動(dòng)檢測(cè)，其中包含OLED 顯示所需要的字庫(kù)，因此分配大小需要較大，但優(yōu)先級(jí)可以較低一級(jí)，具體分配如以下代碼所示。

osThreadAttr_t attr;

attr.name = "task_main_entry";

attr.attr_bits = 0U;

attr.cb_mem = NULL;

attr.cb_size = 0U;

attr.stack_mem = NULL;

attr.stack_size = 10240;

attr.priority = 24;

if（osThreadNew（（osThreadFunc_t）task_main_entry，NULL，&attr）== NULL）

{

printf（"Falied to create task_main_entry! "）;

}

attr.stack_size = 2048;

attr.priority = 25;

attr.name = "task_sensor_entry";

if（osThreadNew（（osThreadFunc_t）task_sensor_entry，NULL，&attr）== NULL）

{

printf（"Falied to create task_sensor_entry! "）;

}

attr.stack_size = 10240;

attr.priority = 26;

attr.name = "task_Oled_entry";

if（osThreadNew（（osThreadFunc_t）task_Oled_entry，NULL，&attr）== NULL）

{

printf（"Falied to create task_Oled_entry! "）;

}

主線程的核心代碼如下所示，完成WIFI 聯(lián)網(wǎng)，以及MQTT 代理訂閱設(shè)置。MQTT 是一個(gè)基于客戶端-服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱的傳輸協(xié)議，具備輕量、簡(jiǎn)單、開放和易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，可作為OpenHarmony 的第三方開發(fā)接入，便于開發(fā)[10]。

app_msg_t *app_msg;

uint32_t ret = WifiConnect（MYWifi，MYWifiSSD）;

device_info_init （ CLIENT_ID ，USERNAME ，PASSWORD）;

my_mqtt_init（）;

my_set_cmd_rsp_cb（my_cmd_rsp_cb）;

環(huán)境參數(shù)線程的核心完成濕度、溫度及光照度的檢測(cè)，進(jìn)行數(shù)據(jù)打包，具體代碼如下所示。

app_msg_t *app_msg;

Environment_Data_TypeDef data;

Environment_Init（）;

while（1）

{

Environment_Read_Data（&data）;

if（NULL ! = app_msg）

{

app_msg->msg_type = en_msg_report;

app_msg->msg.report.hum=（int）data.

Humidity;

app_msg ->msg.report.lum =（int）data.

Lux;

app_msg->msg.report.temp=（int）data.

Temperature;

if（0 !=osMessageQueuePut（mid_Msg

Queue，&app_msg，0U，0U））

free（app_msg）;

}

}

人體活動(dòng)檢測(cè)線程，一旦有人靠近，距離在2 m 之內(nèi)則立即進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，然后人體依舊在敏感區(qū)域則進(jìn)行記錄但是不進(jìn)行提醒，只有超過(guò)1 min 后才重新進(jìn)行語(yǔ)音關(guān)環(huán)。其核心代碼如下所示。

OledInit（）;

OledFillScreen（0）;

OledShowString（30，1，"MyHose"，F(xiàn)ONT6x8）;

YS_SYN_Init（）;

SYN_FrameInfo（0，str00）;

開機(jī)以后，其人體傳感單元需要經(jīng)過(guò)1 min 的等待，同時(shí)還可以減少誤差提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

IoSetFunc（human_GPIO，human_GPIO_FUN）;

GpioSetDir（human_GPIO，WIFI_IOT_GPIO_DIR_I N）;

IoSetPull（human_GPIO，WIFI_IOT_IO_PULL_UP）;

GpioRegisterIsrFunc（human_GPIO，WIFI_IOT_INT_TYPE_EDGE，WIFI_IOT_GPIO_EDGE_FALL_LEVEL_LOW，MyPressed，NULL）;

經(jīng)上述的編程，燒錄進(jìn)入搭建的硬件系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。該系統(tǒng)的云端選擇使用華為云。在系統(tǒng)底層業(yè)務(wù)中需要對(duì)代碼添加正確的設(shè)備ID 后，將底層Hi3861嵌入式設(shè)備開發(fā)代碼添加在云平臺(tái)上所注冊(cè)的相關(guān)信息中，最終實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備與云平臺(tái)的連接、數(shù)據(jù)推送和命令接收等功能。

1.3 系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)包含下位機(jī)即Hi3861 為核心的嵌入式系統(tǒng)及上位機(jī)即華為云端[11]，因此系統(tǒng)測(cè)試也要分為底層硬件測(cè)試與上層華為云測(cè)試，具體實(shí)物如圖6 所示，而其具體測(cè)試分以下2 個(gè)階段測(cè)試。

圖6 便攜式提醒裝置實(shí)物

1.3.1 底層測(cè)試

首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行底層硬件測(cè)試主要功能，包括WIFI 連接、環(huán)境參數(shù)檢測(cè)、串口打印與OLED 顯示和人體活動(dòng)提醒功能，然后對(duì)整機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)整體檢驗(yàn)。在此過(guò)程中一直連接著華為云。該系統(tǒng)能夠在OLED 屏幕上觀察到相關(guān)環(huán)境信息與人體活動(dòng)信息，且能夠在串口調(diào)試助手界面獲取信息。由圖7 可知，本系統(tǒng)正常獲取光照強(qiáng)度、溫濕度這些環(huán)境參數(shù)數(shù)值，并且能夠觀察到人體活動(dòng)的信息。

圖7 智能提醒系統(tǒng)串口測(cè)試

1.3.2 華為云端測(cè)試

在華為云端部分創(chuàng)建了“mysmartmdeical”的IoT產(chǎn)品，且使用MQTT 作為本系統(tǒng)的通信協(xié)議類型，然后添加了其系統(tǒng)所檢測(cè)的環(huán)境參數(shù)：溫濕度、光照強(qiáng)度、燈光狀態(tài)等作為服務(wù)屬性及照明燈狀態(tài)并且進(jìn)行開關(guān)控制的命令。按照相關(guān)引導(dǎo)進(jìn)行該產(chǎn)品注冊(cè)設(shè)備，以此才能獲得此設(shè)備的ID、密鑰等諸多信息。結(jié)合底層測(cè)試部分將這些信息添加到系統(tǒng)底層的代碼中去。并且要使得整機(jī)能夠正常運(yùn)行，就需要在底層代碼中配置WIFI 進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)操作，使該系統(tǒng)的硬件設(shè)備連接至外部網(wǎng)絡(luò)，與華為云進(jìn)行正常通信。如圖8所示。

圖8 華為云端測(cè)試

將云端數(shù)據(jù)與PC 串口數(shù)據(jù)或者OLED 顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，該終端系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，并且底層的數(shù)據(jù)與華為云端的環(huán)境數(shù)據(jù)相一致，而且云端所下發(fā)命令指令在底層硬件上能夠正確有效的執(zhí)行，同時(shí)能夠進(jìn)行正確的檢測(cè)人體活動(dòng)并進(jìn)行語(yǔ)音提醒，能夠進(jìn)行記錄活動(dòng)信息。綜合測(cè)試結(jié)果，本系統(tǒng)具備了環(huán)境參數(shù)采集并將所采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)上報(bào)；正確識(shí)別人體活動(dòng)，并對(duì)其進(jìn)行語(yǔ)音提醒并記住活動(dòng)信息；響應(yīng)云端下發(fā)的功能指令，所設(shè)計(jì)的功能均實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的基于OpenHarmony 的智能居家語(yǔ)音提醒系統(tǒng)，使用華為IoT 解決方案，主控MCU 選用內(nèi)置WIFI 的海思Hi3681 微型處理器構(gòu)建起輕量級(jí)終端設(shè)備，而系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)則選擇windows 桌面下VScode、Ubuntu 與DevEco Device Tool 插件進(jìn)行OpenHarmony 操作系統(tǒng)上的整體系統(tǒng)軟件開發(fā)，而網(wǎng)絡(luò)通信則使用WIFI 配合MQTT 協(xié)議并應(yīng)用華為云IoT 接入設(shè)備平臺(tái)進(jìn)行整體結(jié)合。通過(guò)本系統(tǒng)的上下層測(cè)試表明，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的采集與數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)上報(bào)、人體進(jìn)入語(yǔ)音提醒并記住，同時(shí)能夠完成云端命令下發(fā)執(zhí)行等功能，驗(yàn)證了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的正確性、流暢性及完整性。該系統(tǒng)具有硬件靈巧輕便可攜帶，同時(shí)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠易推廣的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)所使用的開發(fā)平臺(tái)集成了所需要的工具，使得開發(fā)易上手，與其他IoT 物聯(lián)網(wǎng)解決方案對(duì)比，使用的華為物聯(lián)網(wǎng)IoT 解決方案進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)智能居家語(yǔ)音提醒系統(tǒng)，開發(fā)效率較高，系統(tǒng)部署較快，適合在居家環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)中使用。