基于消息队列遥测传输协议的通信终端设计与实现_郑健.pdf

第 39 卷第 1 期2023 年 2 月天 津理工大学学报JOUNAL OF TIANJIN UNIVESITY OF TECHNOLOGYVol.39 No.1Feb 2023收稿日期:20210831;修订日期:20211106基金项目:莆田市科学技术局项目(2019GM003)DOI:10.3969/j.issn.1673095X.2023.01.004基于消息队列遥测传输协议的通信终端设计与实现郑健*(湄洲湾职业技术学院 信息中心，福建 莆田351119)摘要:遵循易用、安全和低功耗的设计理念，基于消息队列遥测传输协议(message queuing telemetry transport，MQTT)设计一个智能语音可交互也可独立运行的通信系统。该系统实现终端设备的一键拨号、常用号码存储、定位和循迹等功能，也可通过智能语音交互拨号。系统的功能实现主要依托于云原生分布式物联网接入平台(erlang/enterprise/elastic MQTT broker，EMQ X)、微信小程序的应用程序，硬件设备开发主要基于树莓派、音频编解码芯片WM8960 和 A9G 通信模块。实践证明:该系统有较好的可靠性和稳定性，基本满足通信的需求，系统的开发对于解决老年人数字鸿沟问题有一定的帮助。关键词:基于消息队列遥测传输协议;智能语音;语音交互;老年人通信中图分类号:TP277.2文献标识码:A文章编号:1673095X(2023)01002207Design and implementation of the intelligent speech interaction communicationsystem based on the message queuing telemetry transport protocolZHENG Jian*(Information Center，Meizhouwan Vocational Technology College，Putian 351119，China)Abstract:This paper is to describe a designed communication system，follows the design concept of easy，safe and lowpower consumption and based on the message queuing telemetry transport(MQTT)protocol，which can operate both theindependent and dependent intelligent voice interaction The system realizes the terminal equipments functions of one keydialing，frequently used number storage，orientation and tracking，and can also dial through the intelligent voice interaction Therealization of functions mainly depends on the MQTT server of the erlang/enterprise/elastic MQTT broker(EMQ X)and theapplication of WeChat The hardware development is mainly based on the aspberry Pie，WM8960 audio module and A9Gcommunication module The practice test proves that this system is reliable，stable，and meets the needs of communication Thedevelopment of the system is helpful to solve the problem of the digital gap for the elderlyKey words:MQTT;intelligent voice;voice interaction;elderly communication据政府部门相关报告显示我国老龄人口快速增长，部分稍长的老年人群体，不能充分地享受智能化服务带来的便利，老年人面临的数字鸿沟问题日益凸显1。针对这些问题笔者做了相关需求调研，共搜集到有效样本 810 份，大部分老年人希望能拥有有效、简单的沟通设备。据思科公司(Cisco)的思科视觉化网络指数显示，到 2022 年全球有超过半数设备和连接将会是机器与机器(machine to machine，M2M)间的互联，比 2017 年增加 34%。智能音箱、固定设备、移动设备及其他物件的连接数从 2017 年的 61 亿增至 2022年的 146 亿2。如何借助于智能音箱有效解决上述问2023 年 2 月郑健:基于消息队列遥测传输协议的通信终端设计与实现题，成为此课题研究的一个重点。目前物联网标准传输协议主要有消息队列遥测传输协议(message queuing telemetry transport，MQTT)和约 束 应 用 协 议(constrained application protocol，CoAP)3。其中，CoAP 类似超文本传输协议(hypertext transfer protocol，HTTP)，是一种文档传输协议，也是一种基于请求/响应的客户端/服务器端轻量级用户数据包协议(user datagram protocol，UDP)。UDP传输协议适合将物联网应用嵌入到现有 Web 服务器中4。MQTT 是由 IBM 公司提出的一种轻量级的消息发布和订阅(publish/subscribe)方式的交换协议，包含了 MQTT 消息代理服务器、发布者和订阅者5。MQTT 是多个客户端通过一个中央代理传递消息的多对多协议。CoAP 基本上是一个在工作站和服务器间传递状态信息的单对单协议。MQTT 是基于 TCP 协议，而 CoAP 是基于 UDP 协议，故 MQTT 是长连接，而 CoAP 是无连接。MQTT 客户端与代理间保持传输控制协议(transmission control protocol，TCP)连接，这 种 情 形 在 网 络 地 址 转 换(networkaddresstranslation，NAT)环境中也不会产生问题。如在NAT 环境下使用 CoAP，就需采取一些 NAT 穿透性手段6。MQTT 较 CoAP 在传输模式上更为灵活，支持低功耗的设备运行。目前，MQTT 已在大型硬件、互联网企业的相关智能硬件和平台上都得到较广泛的应用，有很大的扩展性和兼容性，所以文中采用 MQTT方式。通过查阅相关文献710 和专利1112 可知，MQTT协议主要应用于物联网的传感终端的数据通信，但目前国内外在应用 MQTT 协议于通信系统的研究较少，且基于智能语音交互的通信常用的方式是通过智能音箱和应用程序间的语音通信，或采用类网间协议(internet protocol，IP)通信的方式进行的。文中设计了一种基于 MQTT 协议的，可与智能音箱互动，也可独立运行的简易寻呼定位器，基本满足老年对于接打、一键寻呼和出行定位的要求，让老年人使用手机的学习成本更低，功耗更低，也能够减少频繁充电带来的麻烦等，可较好地解决在智能手机或老人机上存在的问题，例如:手机按键太多，操作较复杂，按键太小看不清，待机短，忘记充电等。1系统设计概述智能语音交互通信系统结构如图 1 所示。该系统由 EMQ X 代理平台、通信终端、智能音箱、微信小程序和相应 WEB 服务器构成。其中，EMQ X 代理平台作为 MQTT 的消息代理，主要用于通信和定位主题的订阅管理、消息转发和缓冲。通信终端用于接听通话、定位并实时向 EMQ X 代理平台订阅和发布通信和定位消息。智能音箱主要用于语音交互，并向EMQ X 代理平台发布相关通信信息和指令。微信小程序用于亲人查看手机定位信息，并发布通信信息，并辅助进行智能家居设备的控制。图 1智能语音交互通信系统结构Fig.1Structure of intelligent voice interactivecommunication system2智能音箱硬件设计智能音箱的硬件设计主要采用树莓派 4B+驱动扩展板的方式，智能音箱驱动扩展板电路设计图如图 2 所示，主要采用音频编解码芯片 WM8960 低功耗立体 声 编 解 码 器，通 过 内 部 整 合 电 路(inter-integrated circuit，I2C)接口控制，集成电路内置音频总线(interic sound，I2S)接口传输音频，提供高质量(high-fidelity，HiFi)级别的声音输出。板载两个三引脚的(3P)标准可录立体声有源硅麦接口，提供高质量的麦克风阵列录音输入，以便保障语音唤醒和语音识别服务的灵敏度、稳定性和可靠性。同时使用 D 类扬声器驱动器，为 8 负载提供每通道 1 W 功率，保证低漏电、出色的电源纹波抑制比。32天津理工大学学报第 39 卷第 1 期图 2智能音箱驱动扩展板电路设计图Fig.2Circuit design diagram of intelligent speaker drive expansion board此外，该电路还集成完整的麦克风接口和立体声耳机驱动器。由于无需单独的麦克风、扬声器或耳机放大器，因此，显著降低了外部元件的需求。片上数字信号处理功能为麦克风或线路输入执行自动电平控制。设计还集成了立体声 24 位三角积分(deltasigma)转换器与低功率的过采样数字插补和抽取滤波器和灵活的数字音频接口。主时钟可直接输入或通过板载 PLL 内部产生，支持最常用的计时方案。24 位立体声模/数转换器(analog-to-digital converter，ADC)，ADC 模数转换(信噪 比:94 dB)和 数 模 转 换(digital to analogconvertor，DAC)(信噪比:98 dB)采用思睿逻辑(cirrus logic)的音频架构，以极低的功耗实现较高的性能。该设计具有完整模拟音量控制的立体声耳机和线路驱动器并集成了耳机检测支持功能，完整的立体声差分麦克风接口可在 HIFI 品质下实现高增益和低噪声记录。在功耗方面凭借低泄漏、高电源抑制比、防爆裂声机构和灵活的信号提升，减少外部元器件并最大限度地降低功耗，高级片载数字信号处理功能会对麦克风或者线路输入自动进行电平控制。在工作、待机和关闭模式下延长电池寿命，WM8960 可在低至 2.7 V 的模拟电源电压下工作，但数字内核可在低至 1.7 V 的电压下工作以节省功耗，扬声器电源可在高达 5.5 V 的电压下工作。对于功率优化，芯片的各个部分可在软件控制下断电。整个设计呈现出低功耗、高性能和灵活的扩展性。3通信终端硬件设计该通信终端在硬件上主要采用安信可公司的 A9G模块完成系统控制、通信和定位等功能，其通信功能可独立于智能音箱运行，可降低用户的学习成本和使用难度。其中，A9G 模块是一个完整的 4 频(全球移 动 通 信 系 统(globalsystemformobilecommunications，GSM)/通用分组无线业务(generalpacket radio service，GPS)GPS+GPS/全球定位系统(global positioning system，GPS)模块，其支持数字音频和模拟音频，支持半速率(half rate，H)，全 速 率(full rate，F)，增 强 型 全 速 率422023 年 2 月郑健:基于消息队列遥测传输协议的通信终端设计与实现(enh