基于天猫精灵AIoT云智能场景下智能家居的设计与应用

蒋梦云 李丹妮

摘要：由于传统意义上智能家居的家电控制匹配复杂性，影响和制约了用户的体验。设计了一款基于阿里飞燕的天猫精灵AIoT在云智能场景下面对智能家居的设计应用。选取支持无线（ESP8266/EM3080-Wi⁃Fi） 模式的智能设备（STM32F系列）作为AIoT智能家居系统的采集终端，通过语音助手对天猫精灵（AIoT） 下达命令。将数据通过MQTT协议在平台云端汇聚，通过AMQP在本地获取数据。再通过阿里云平台提供的WebSDK、RESTApi对获取的数据进行数据分析，在Web可视化工具IoT Studio进行实时展示，并最终实现智能家居的实时检测和相应设备控制。

关键词：物联网；阿里云；智能家居；AIoT；AMQP

中图分类号：TP311.5     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）34-0094-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

当前，随着众多新兴科技行业的崛起，万物互联的发展面临着越来越多的挑战。物联网不再局限于传统的生产方式，而是呈现出设备种类繁多、数量庞大的特点，这成为需要解决的新问题。然而，物联网应用也不再只是简单的数据采集，而是与多种新型技术的融合，为物联网带来了新的发展机遇。

现如今的物联网已经在各个行业中发挥着举足轻重的作用，其发展前景不可估量。未来，物联网将会对人们的生活产生深远的影响，从日常生活的方方面面到各个行业的发展都將受到其影响。因此，应该积极关注物联网的发展动态，探索其在各个领域中的应用，为未来的智能化生活做好准备[1]。

天猫精灵是阿里巴巴集团生产的一款智能语音控制终端，其强大的语音交互功能涵盖了日常生活的众多方面。它不仅具备智能家居接入语音控制的能力，还允许用户通过下达命令实现对家电的远程监控和语音识别控制。一台天猫精灵的智能AI语音助手就能够实现多台智能家居的语音控制功能，在保证低成本的前提下，成功打造了一套基于物联网控制的智能室内家居系统。这一创新解决方案为未来室内物联网智能家居的发展提供了新的方向[2]。

1 智能家居系统架构

图1是智能家居框架结构图，根据框架结构图中的方案，本文设计的智能家居系统分为三个主要模块：1） 阿里云服务平台；2） 智能音箱天猫精灵；3） 支持无线（EM3080-Wi⁃Fi） 模式的STM32主控芯片。

第一部分，阿里云服务平台。该平台主要发挥两个核心功能。首先，它充当了天猫精灵和STM32主控芯片之间的桥梁，通过在阿里云平台上注册天猫精灵需要控制的设备，将主控芯片所控制的设备与天猫精灵建立连接。其次，在设备产品成功联通后，用户可以通过语音助手向天猫精灵（AIoT） 发送指令。这些数据会通过MQTT协议在平台上汇集，并使用AMQP在本地获取数据，也可以通过阿里云平台提供的SDK包进行数据分析[3]。

第二部分是智能音箱天猫精灵。它的主要功能是提供智能语音控制。作为语音控制终端，它与阿里云平台相连，以实现对STM32主控芯片设备的控制。用户只需将设备与天猫精灵连接在同一局域网络下，然后向天猫精灵发出具体控制指令，就能实现对设备的控制。

第三部分是支持无线（EM3080-Wi⁃Fi） 模式的STM32主控芯片。该芯片主要承担两个关键功能。第一个是处理从连接的传感器中采集到的数据。第二个是接收阿里云平台发出的对连接设备的控制指令。该芯片主要包括两个模块：智能家电控制和智能环境检测。智能家电控制模块主要负责控制智能空调设备和智能灯，而智能环境检测模块则主要负责采集室内的温湿度数据变化。

2 智能家居系统功能

本文所设计的智能家居系统是以住宅为单位进行模拟研究的，主要包括智能家电控制和智能环境检测两个主要模块。本方案针对应用型智能音箱在智能家居方面的设计如下[4]：

1） 智能家电控制模块可以根据外界气候的变化监测家中的温度湿度变化情况，用户可以在移动端App上直接调节家里的温度湿度，提前打开空调进行调温，实现了远程控制的功能。此外，还可以将温湿度传感器与智能空调进行联动，通过一台智能音箱实现多个智能家居的控制，有效降低了人们的生活成本。智能灯控是指用户可以通过语音向天猫精灵下达命令，控制多个房间内智能灯的开关、亮度、色温等。同时，根据不同的关键词，还可以调整灯光的不同模式，实现语音控制功能。另外，用户还可以在移动端App上直接控制智能灯的各项功能，实现远程实时控制，以低成本、高效率的方式实现了人们解放双手的生活模式。

2） 智能环境监测模块主要负责实时采集温湿度数据。温湿度对人体健康有着很大的影响，因此本模块可以通过天猫精灵直接播报室内温湿度，实现远程实时检测，方便用户调整到人体最适宜的温湿度环境。同时，用户还可以在移动端App上直接观察到室内的温湿度，可以随时远程控制空调，使住宅环境达到舒适的温湿度[5]。

3 智能家居系统设计

语音是人类沟通最为便捷的方式，可以有效地解放双手，并降低空间距离的限制。通过与智能语音终端（AIoT） 技术的成功结合，智能家居的发展已经推向了一个新的高度。作为物联网大数据视角下信息处理的高级媒介，语音交互的实现使得输入变得更加简单[6]。

图2显示了用户通过语音接口智能音箱天猫精灵与家用电器设备之间的关联。用户通过语音指令向天猫精灵传达命令，天猫精灵将指令传递给电器设备并实现控制。在此过程中，用户无法直接通过语音对设备进行操作，而必须借助智能音箱天猫精灵作为媒介。然而，一旦设备完成操作，将直接向用户反馈结果。这种设计的人机交互方式，不仅释放了用户的双手，还消除了空间距离的限制。

当用户首次使用智能音箱天猫精灵时，需要进行网络配置。天猫精灵顶部有三个按键，分别是静音键、音量加键和音量减键。在配置网络时，用户需要在天猫精灵App上创建账号，并长按音箱顶部的静音键，直到灯光开始闪烁，表示天猫精灵已进入配网模式。只有在配网模式下，用户才能在App中为天猫精灵选择并输入Wi⁃Fi进行网络配置。一旦初次配网成功，只要网络环境正常，后续使用过程中无需再次执行配网流程。联网后的天猫精灵，用户只需说出“天猫精灵”即可唤醒智能音箱[7]。

绑定天猫精灵的方法有两种。第一种方法是用户在天猫精灵App的添加设备页面中选择相应的智能设备进行绑定。第二种方法是用户直接对智能音箱天猫精灵说出“天猫精灵找队友”，天猫精灵会自动扫描附近可以连接的智能设备，并向用户反馈是否需要连接该设备。

4 智能家居系统实现

4.1 主控模块实现

在设备上电后，STM32程序会首先对GPIO管脚和各个外设模块进行初始化。在接收到用户的命令后，程序將数据通过Wi⁃Fi模块发送至阿里云服务器。同时，可以通过串口调试工具来验证数据是否成功上传。如果数据传输成功，设备将根据指令进行相应的控制反馈；如果数据传输失败，将检查对应的软硬件模块是否存在问题[8]。

4.2 Wi⁃Fi模块实现

在本设计中，EM3080 Wi⁃Fi组将作为整个设计方案中最重要的传输桥梁。该模组实际上是一个串口转Wi⁃Fi模块，STM32将通过串口发送AT指令，从而实现数据的接收和发送[9]。

4.3 SHT30环境检测模块驱动实现

智能环境检测模块主要负责温湿度检测。SHT30温湿度传感器是STM32主板芯片的一个模块，它将温度传感器的输出转换为数字数值采集，并向服务器传递相应数值。

4.4 智能空调模块驱动实现

智能空调的实现是通过继电器来控制。针对智能空调开关控制器，本设计具有状态存储功能，可根据智能空调设备的状态，即相应IO口的高低电平状态，来进行开关控制。

4.5 AMQP通信模块实现

本文将使用AMQP SDK接入阿里云物联网平台，以接收服务端订阅消息。这种方法可以实现客户端与物联网平台之间的安全、可靠、高效的消息通信。文中将展示如何使用AMQP SDK建立与物联网平台的连接、认证、心跳等过程，并对接收到的消息进行解析和处理[10] 。

4.6 Web大屏实现

Web屏幕（主屏）将展示温湿度实时数据及曲线变化、灯光状态显示以及实时天气等信息。这些信息将帮助用户更好地了解环境状况，并根据需要做出相应的调整。主屏上将显示详细的温湿度数据，包括实时温度和湿度的数值，以及这些数据的走势曲线图。通过这些数据和曲线，用户可以直观地了解室内环境的温湿度状况，以及它们在不同时间段的变化趋势。此外，主屏还将实时显示灯光的开关状态，让用户轻松掌控室内照明情况[11]。

5 特色与创新

5.1 系统特色

1） 配备了智能语音助手（天猫精灵AIoT） ，只须通过语音唤起天猫精灵语音助手，下达指令，即可完成所需的工作。

2） 在进行串口输出的同时，以固定的时间间隔向云端传输数据，实现了“心跳报文”和终端数据在云IoT平台上物模型数据的直观展示以及基于MQTT协议的命令控制。

3） 通过IoT平台构建Web页面的模型，在云端IDE框架下进行可视化设计，实现采集数据的显示，以及相应功能的实现；最终使得用户在远程也可观测或控制已添加设备。

5.2 系统创新

1） 通过公有云方式实现广域网信息的传输，可以大幅降低独立架设服务器的经济成本，在保障了信息安全性的同时也有利于物联网商品大规模量产后的后期维护。

2） 通过绑定企业物联网平台到自有的IoT设备，实现了“端—云”的直接连通，在其基于实例化的部署架构，提供设备接入的同时，也提供了数据监控和数据流管理，并且与天猫精灵AIoT生态系统相结合实现人工智能技术，AI与IoT设备结合使简单的“物联”上升为“智联”，二者相融合提升了效率和使用场景，为数据创造了更大的价值。

3） 通过IoT设备架构Web页面的方式，在相应的天猫精灵App上实现了“云—端”的IoT设备直接控制流程，还便利于后续云原生的升级，更重要的是，解决了跨平台产品部署的问题，实现了一次开发，处处使用的商业目的。

6 结论

本文设计的智能家居设计，是基于天猫精灵与阿里飞燕平台所结合实现。打破了传统意义上智能家居的家电控制，通过天猫精灵或手机端App实现，打破了空间上的距离限制，释放了群众的双手。从而证明以物联网为基础的智能家居系统的应用，是提高人们生活质量水平的重要途径。

参考文献：

[1] 赵博岩.基于物联网的智能家居系统研究与设计[D].成都：电子科技大学，2019.

[2] 邓昀，李朝庆，程小辉.基于物联网的智能家居远程无线监控系统设计[J].计算机应用，2017，37（1）：159-165.

[3] 郭弘扬.STM32在智能家居安全报警系统中的应用[J].无线互联科技，2022，19（19）：124-126.

[4] 杨幸.应用于智能家居的物联网控制系统设计[D].大连：大连理工大学，2017.

[5] 马可，何人可，马超民.基于语音交互的家用智能扫地机器人体验设计研究[J].包装工程，2020，41（18）：118-124.

[6] 岳骏，解乃军.基于STM32的物联网智能家居系统设计[J].工业仪表与自动化装置，2022（2）：27-31.

[7] 于国福.基于ZigBee3.0技术的智能家居系统设计[J].电视技术，2022，46（10）：222-225.

[8] 孙磊.基于MQTT协议的物联网消息系统的设计与实现[D].南京：东南大学，2021.

[9] 程风.基于语音交互技术的智能家居主控设计[D].合肥：中国科学技术大学，2018.

[10] 熊芳.物联网趋势下的智能家居产品设计研究[D].北京：北方工业大学，2016.

[11] 应宇.基于物联网的智能家居系统人性化设计体现[J].产业创新研究，2022（6）：60-62.

【通联编辑：梁书】