原文:https://club.rt-thread.org/ask/article/80312d50bc48fd76.html
概要本文給大家介紹一個Infineon和ChatGPT的人工智能語音小管家項目,該項目是博主架構師李肯參加由RT-Thread與英飛凌聯(lián)合舉辦的2023英飛凌創(chuàng)意創(chuàng)客大賽的參賽項目,旨在探索智能硬件+智能音箱+ChatGPT的超級組合在C端市場的潛在應用,希望能給大家?guī)韼椭蛦l(fā)。1 前言
如今,智能化的設備慢慢走進了千家萬戶,大大提升了人民生活的智能化,但是隨之而來的是各種智能設備無法互聯(lián)互通,形成了一片片信息孤島,這就迫切需要一個類似于智能家居管家系統(tǒng)的中樞設備來接管這些零散的智能設備;而在各種成熟的應用產(chǎn)品方案中,形態(tài)各異的智能音箱無疑是一個比較合適的選擇。
眾觀市場上的各種智能音響,小度音響憑借其優(yōu)異的市場表現(xiàn),占據(jù)了很大一塊市場份額,使得“小度小度,現(xiàn)在幾度”成為了家庭中很常見的交互問候語。
有這么一個設想,我們將家庭環(huán)境中形態(tài)各異的智能設備,通過簡單的協(xié)議改造,加上終端設備出色的主控能力,智能設備全部集合到小度音箱中去,而這個終端系統(tǒng)與小度音響直接打通,這樣跟小度直接對話就能操作這些智能設備,這是一個不錯的點子。
同時,當下人工智能非常火爆,尤其以ChatGPT最為強大,倘若這樣的一套終端系統(tǒng)能夠接入最前沿的ChatgPT,那么可以想象的是,這個智能系統(tǒng)的可玩性將會大大提升,而本項目正是基于這樣的目的,著手去探討這樣方案的可行性。
2 項目簡介
2.1 項目名稱
基于Infineon和ChatGPT的人工智能語音小管家
2.2 設計思路
本項目主要使用Infineon的控制芯片作為端側的核心控制器,實現(xiàn)一個物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關,網(wǎng)關外圍接入多種傳感器器件和控制器件,通過Wi-Fi模組實現(xiàn)與云端的互通,并接入小度音箱控制系統(tǒng),實現(xiàn)使用音箱控制智能設備。
這個項目中,我將引入時下最流行的人工智能模型ChatGPT,這將極大地提升智能管家的時髦性和可玩性。本項目著重定義的應用場景是在智慧家庭中,一個有趣的人工智能小管家,不僅能夠給家庭智能帶來便利,還將提升家居生活的智能化和幸福感。解放雙手,釋放人類,享受智能生活,一切都將變得可能。
2.3 主要解決的問題
家庭中的智能設備越來越多,一個集中式的智能家庭中樞控制系統(tǒng)迫在眉睫,旨在解決所有智能設備的調(diào)度和控制問題,為智能生活提供便利。同時,將智能音箱系統(tǒng)接入最前沿的ChatGPT技術,豐富設備的可玩性。
2.4 項目創(chuàng)新點
-
主要是設備端各項傳感器器件和控制器件的集成,以及與小度音響的直連互通。
- 在智能家居中,目前主流的所謂的“智能”,都是一個比較粗獷的智能,比如小度、小愛同學等;真正如果做到引入人工智能這種層次,還得看ChatGPT;如果能將ChatGPT接入智能家庭這個場景中,那么可玩的的東西,想象力就可大了。
2.5 本次參賽的初衷
采用本項目參賽,本身并不期望做出多么驚艷的產(chǎn)品,旨在探索智能硬件+智能音箱+ChatGPT的超級組合在C端市場的潛在應用,希望能給大家?guī)韼椭蛦l(fā)。
3 系統(tǒng)架構介紹
3.1 方案預研
在過往的項目經(jīng)歷中,我已實現(xiàn)過 基于小度音箱的智能家庭中樞控制系統(tǒng),參見這里; 這個方案已經(jīng)證實了,小度音箱作為控制中樞的可行性,現(xiàn)在只不過把控制中樞的邏輯移植過來。
剩下的就是小度音箱與ChatGPT的銜接問題,從查到的資料可知,在DuerOS開放平臺 (baidu.com) 的開放資料可知,小度音箱支持自定義 技能, 而通過這個技能,我們可以實現(xiàn)捕捉到從小度音箱獲取的用戶語音輸入信息,這個時候需要利用到 DuerOS SDK 的API能力, 將語音的輸入轉換成文本信息,進而轉發(fā)到了用戶自定義的處理服務器,再由這個服務器將文本信息通過ChatGPT的Open API能力,得到反饋的信息(經(jīng)ChatGPT處理得到的信息),再通過DuerOS SDK的API,通過小度音箱將信息輸出,形成一個操作閉環(huán)。
同時,這個自定義的服務器還可以將與ChatGPT交互的信息,以MQTT Publish的形式推送到智能終端,達到保存信息記錄的目的。
在預研的過程中,有參考一篇博文,給我一定的指導意義,詳見這里。
經(jīng)過以上分析,得到了方案的可行性,下面開始著手設計系統(tǒng)架構圖。
3.2 系統(tǒng)核心架構圖
經(jīng)過調(diào)研設計,得到整個系統(tǒng)的核心架構圖如下所示:
從上面這個核心架構圖中,我們可以看到整個IoT系統(tǒng)組成,包括智能設備終端側、巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺、小度云平臺、小度音箱、OpenAI-ChatGPT后臺,自定義后臺服務(負責對接小度云平臺)等等。下面就整個系統(tǒng)的幾大重要組件,我會一一進行簡要講解。
3.3 終端側
終端側主要承載的是對巴法云平臺的對接,接收巴法云平臺下發(fā)的控制指令和ChatGPT交互數(shù)據(jù),同時做一些邊緣側的應用邏輯處理,還需要具備對外網(wǎng)絡的通訊能力,保持與巴法云平臺的MQTT長鏈接。
這里巴法云平臺推送的數(shù)據(jù)主要有兩類:
-
對外圍的智能設備的操作之類,比如關燈/開燈;
-
還有一類就是小度音箱與ChatGPT的交互記錄數(shù)據(jù)。
終端側包括的核心組件有:英飛凌的PSoC 62 with CAPSENSE evaluation kit,搭載的是國產(chǎn)實時操作系統(tǒng) RT-Thread,同時外設板載有 ESP8266 Wi-Fi通訊模組、繼電器(GPIO模擬)、存儲的SD卡等等。
終端側不僅包含設備硬件,還需要對應的固件軟件,兩者相輔相成,共同完成終端側的功能邏輯。
3.4 后端側
后端側包括兩部分:
巴法云平臺這個后端側,其實沒有真正的開發(fā)工作,僅僅是登錄巴法云平臺后臺,配置MQTT板塊,然后生成【智能燈】兩個設備,以便于終端側和小度音響識別。
同時,巴法云的MQTT后臺,還需要配置一個專門用于傳輸ChatGPT交互數(shù)據(jù)的topic通道,以便于終端與自定義服務器進行數(shù)據(jù)傳輸。
自定義服務器
這個后端側是有一定的開發(fā)工作量,包括以下幾個核心內(nèi)容:
-
移植DuerOS SDK,調(diào)用其API,通過小度技能的Callback能力,將從小度音箱輸入的語音轉文本信息取得;
-
基于OpenAI 的API KEY 能力,編寫邏輯程序,將文本信息發(fā)往ChatGPT服務,并獲得ChatGPT的響應數(shù)據(jù);
-
再通過DuerOS SDK 的API,把ChatGPT的響應數(shù)據(jù)轉為語音,再通過小度音箱播放出來。
值得注意的是,這部分涉及的后端知識比較多,對多個SDK的研究還需要投入更多的時間和精力。
3.5 移動端
這里說的移動端,特指小度APP;其實這里面也沒有開發(fā)工作,當你的小度APP賬號登錄之后,它有一個操作步驟可以加入基于巴法云平臺的【智能設備】,按照說明添加成功后,就可以在小度APP上看到巴法云平臺對應的設備列表了。
詳細的綁定操作步驟,見 此文的第二部分。
4 系統(tǒng)設計說明
4.1 硬件部分
-
MCU主控:英飛凌的PSoC 62
Infineon Technologies 的 PSoC 62S2 評估套件 (CY8CEVAL-062S2) 使客戶能夠使用 PSoC 62 MCU 評估和開發(fā)應用。該套件采用 PSoC 62 MCU (CY8C624ABZI-S2D44):150 MHz Arm Cortex-M4 和 100 MHz Arm Cortex-M0+內(nèi)核、2 MB 閃存、1 MB SRAM、硬件加密加速器、豐富的模擬和數(shù)字外設、音頻和通信接口,以及采用 CAPSENSE 技術的行業(yè)領先電容式感應。PSoC 62S2 評估套件提供了許多開箱即用的用例,用于開發(fā)即將推出的連接邊緣節(jié)點。
它的具體接口資源展示如下:
在我的項目中,我主要使用它的以下幾個外設資源:
1)UART6:RT-Thread的終端調(diào)試串口;
2)UART5:用于連接串口WI-Fi模塊ESP8266,實現(xiàn)網(wǎng)絡通訊能力;
3)GPIO:P0.0 用作系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示燈,P0.1 用于控制智能燈開關(模擬);
4)SDIO:外掛SD卡,用于存儲ChatGPT的交互信息。
以下是我的實物連接示意圖:
-
Wi-Fi模組:ESP8266
本次參賽,我采用了我慣用的Wi-Fi通訊模組ESP8266,非常的便捷,借助RT-Thread的軟件包,基本無需編寫任何代碼,就可以實現(xiàn)網(wǎng)絡能力;當然串口通訊還是需要配置一下,只不過不用寫代碼而已。
我這里使用的搭建ESP8266 Wi-Fi芯片的模組ESP-12F,它是由安信可科技開發(fā)的,該模塊核心處理器 ESP8266 在較小尺寸封裝中集成了 業(yè)界領先的 Tensilica L106 超低功耗 32 位微型 MCU,帶有 16 位精簡模式,主頻支持 80 MHz 和 160 MHz,支持 RTOS,集成 Wi-Fi MAC/ BB/RF/PA/LNA,板載天線。
-
GPIO控制:
目前這一塊的接入,采用的是GPIO做模擬,并沒有實際接入繼電器,但已經(jīng)完全可以實現(xiàn)其操作原理。
其中,P0.0 用作系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示燈(每一秒閃爍一次),P0.1 用于控制智能燈開關(模擬)。
如上上圖所示。
4.2 軟件部分
整個軟件部分的開發(fā)主要分為兩大部分:終端軟件和后端服務器軟件。
終端固件開發(fā)主要包括四大部分:英飛凌的PSoC 62的原廠BSP、RT-Thread實時操作系統(tǒng)、ESP8266相關的配置代碼使能、個性化的應用邏輯代碼。
其中英飛凌的PSoC 62的原廠BSP基本不動,原廠和相關開發(fā)者已經(jīng)適配好了;通用的RT-Thread操作系統(tǒng)的代碼也不在此處的修改中,直接復用已有的代碼,這里使用的版本是 5.0.0版本 。
ESP8266相關的AT、網(wǎng)絡組件代碼也是現(xiàn)成的,使能配置之后就可以直接用了,還是非常的方便。
除了AT相關的軟件包代碼外,我還使用了 paho-mqtt 這個軟件包,這個軟件包主要封裝了MQTT協(xié)議的實現(xiàn)技術細節(jié),開放了一些靈活好用的API給到應用層,以便于提供MQTT的通訊能力。
還有一個cJSON的軟件包,這里也使用到了,它用于做一些上下行數(shù)據(jù)包的解析和封裝,主要原因是需要解析一些與云平臺對接的數(shù)據(jù)協(xié)議,這就要求終端必須具備解析JSON數(shù)據(jù)的能力。
所以這里重點講一下,應用邏輯的代碼:主要包括GPIO的控制等,而這些控制信號的輸入,都是來源于巴法云平臺的下發(fā),而巴法云平臺的聯(lián)動下發(fā)則來源于用戶對小度音響的語音控制輸入。
另一方面,當終端收到來自ChatGPT交互日志的請求數(shù)據(jù)時,也會將該數(shù)據(jù)寫入SD卡作為存儲。
以下是終端軟件應用邏輯部分的層次圖:
其中:
Wi-Fi線程:由于在RT-Thread中AT組件是開啟后,默認就跑起來了,而在應用層暫時沒有一個比較好的方式感知網(wǎng)絡能力的建立,所以這里新建了一個線程,用于實時檢查網(wǎng)絡通訊能力;當網(wǎng)絡通訊能力已建立時,通過信號量的方式,通知其他模塊。
Smart Home (+ ChatGPT) MQTT線程:主要負責跟巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺進行對接,采用的MQTT通訊協(xié)議,它的運行,依賴于基礎網(wǎng)絡能力的建立;當它與巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺建立聯(lián)系時,它就可以接收平臺的控制指令下發(fā),比如開關空調(diào)或開關照明燈等;
系統(tǒng)運行展示線程:此線程并沒有參與過多的應用邏輯,僅僅是每一秒鐘閃爍一下運行指示燈,表示系統(tǒng)正在運行中;
智能燈(模擬)控制模塊:一個LED模擬繼電器控制智能燈的邏輯,當收到下發(fā)的打開或關閉指令時,執(zhí)行對燈的操控;
SD卡存儲顯示:此線程主要用于存儲小度音箱與ChatGPT的交互信息。
以上各個線程各司其職,相輔相成,共同完成智能家庭中樞控制系統(tǒng)的邏輯功能。
下面展示的是工程項目中的代碼結構,里面的代碼結構一本與上面的代碼邏輯示意圖保持一致。
后端代碼開發(fā):
由于時間關系比較緊張,還未完全學透DuerOS SDK與小度音箱的銜接,以下是部分參考代碼,還需要進一步學習:
1javascriptCopycode 2constsdk=require('baidu-sdk'); 3constOpenAI=require('openai'); 4constopenai=newOpenAI(''); 5sdk.onVoice((data)=>{ 6consttext=data.result.recognize[0].payload.result.word[0]; 7openai.generate(text).then((response)=>{ 8sdk.sendText(response.data[0].text); 9}); 10});關于應用OpenAI 的API KEY 構建ChatGPT能力,倒不是一個難事,使用python腳本即可實現(xiàn),范例代碼如下:
1importopenai 2#my_gpt_key="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" 3#my_gpt_key="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" 4#my_gpt_key="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" 5#my_gpt_key="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" 6#my_gpt_key="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" 7my_gpt_key="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" 8importtime 9defask_gpt(text:str): 10#openai.api_type="azure" 11#openai.api_key="..." 12#openai.api_base="https://example-endpoint.openai.azure.com" 13#openai.api_version="2022-12-01" 14openai.api_key=my_gpt_key#"PUTYOURAPIKEYHERE" 15#獲取當前時間 16t1=int(time.time()) 17#listengines 18#engines=openai.Engine.list() 19#printthefirstengine'sid 20#print(engines.data[0].id) 21res=openai.Completion.create( 22engine="text-davinci-003",prompt=text,temperature=0.6,max_tokens=2048 23) 24t2=int(time.time()) 25print(t2-t1) 26returnres.choices[0].text 27defmain(): 28whileTrue: 29query=input("Askaquestion:") 30res=ask_gpt(query) 31print(f"{res} ") 32main()4.3 創(chuàng)新性的開發(fā)環(huán)境
由于我早期基于RT-Thread做開發(fā),也是非常依賴于RT-Thread Studio開發(fā)環(huán)境,雖然提供了一些便利,但是礙于它的配置實在是太慢了,并且非常吃內(nèi)存和吃存儲空間,于是被我啟用了。
也正是由于這些吃癟,我自己經(jīng)過設計,延續(xù)了scons+env的構建環(huán)境,打造了一套屬于自己的開發(fā)環(huán)境,我取名叫 xiotman。關于它的介紹,詳見我的開源項目:xiotman: 一套致力于解決物聯(lián)網(wǎng)終端應用多樣化挑戰(zhàn)的軟件架構解決方案。(gitee.com)
基于scons+env的構建編譯,也是非常的絲滑,多線程編程,想想就開心:

在燒錄固件這塊,我沒有使用RT-Studio的下載工具,而是使用了原廠提供的 Cypress Programmer 4.2,燒錄工具用起來還是很爽的,尤其是自帶燒錄器這個實用功能,必須點個贊。

5 項目實施過程
1)熟悉英飛凌的PSoC 62的基本開發(fā)資料
這一步主要是熟悉開發(fā)板的基本資源,對外設等信息有一定的概念,以便于方便后續(xù)的開發(fā)調(diào)試;同時,還需要把相關的一些官方軟件給安裝好,熟練使用配置工具和下載工具。參加大賽主辦方舉行的一些線上直播活動,了解必要的開發(fā)基礎。磨刀不誤砍柴工,只要熟練上手了,才能開發(fā)出優(yōu)秀的應用程序。2)移植RT-Thread操作系統(tǒng)
本次參賽,其實并不要求去移植RT-Thread,其實也要多感謝RT-Thread官方和社區(qū)的小伙伴,其實他們都已經(jīng)做好了基本的移植了,只需要對照著自己的開發(fā)板資源跳調(diào)整一下即可。
有了上面的踩坑經(jīng)驗,直接上手RT-Thread的DEMO教程,很快就可以把操作系統(tǒng)跑起來了,一切都回歸到熟悉的地方,研發(fā)進度再次提速。
下面就是基于RT-Thread操作系統(tǒng)進行編程了。
3)配置RT-Thread的軟件包
目前由于xiotman的在線更新軟件包的功能還沒完全打通,所以我是通過在原生rt-thread/bsp目錄,使用env配置工具先把軟件包下載下來,然后手動拷貝到xiotman的components/packages/對應的目錄。
這個項目中,我使用了paho-matt軟件包、AT-device軟件包、CJSON軟件包;的確讓我的項目開發(fā)提速了不少。

4)配置巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺
我是參考這個 esp8266接入小度語音,小度音箱控制 來創(chuàng)建自己的自定義產(chǎn)品的,并實現(xiàn)與小度音箱的綁定的。
基本上以上4步完成后,終端就可以很順利地連上巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺了,而這期間基本就是零代碼,全部都歸功于RT-Thread靈活的代碼配置工具,非常地贊。

5)調(diào)試外設驅動
這里主要是調(diào)試各種驅動接口,包括紅外發(fā)射器的UART接口、照明燈開關的GPIO控制。
在調(diào)試過程中,一般一個個模塊來,避免模塊直接的干擾,這樣可以有效地加快開發(fā)速度。
等到各個功能模塊完成后,統(tǒng)一串起來跑一跑,確保沒有問題。
6)全功能自測
到了這一步,基本功能開發(fā)就已經(jīng)完成了,需要將終端設備的功能與云端能力聯(lián)系起來調(diào)試,比如對小度音箱進行控制語音輸入,看一下巴法云平臺能否推送對應的控制消息下來,同時看下終端能否對控制消息進行合理的處理,比如控制空調(diào)開關或者控制照明開關等。
但是由于對接ChatGPT的后端服務器程序還未完工,所以涉及ChatGPT部分的邏輯,還需要再等一等,是一個遺憾。
7)準備結項資料
項目收尾的最后,需要準備各種結項資料,包括項目穩(wěn)定、演示視頻、各種實物圖片等等。
6 項目效果顯示
6.1 功能描述
本期項目中,已實現(xiàn)以下功能:
-
在巴法云后臺配置智能設備:智能空調(diào)和智能燈,在小度APP是可以看到設備情況;
-
基于英飛凌的PSoC 62的終端,實現(xiàn)智能家庭中樞控制系統(tǒng)的功能;
-
跟小度音響語音對話,比如【打開燈】或【關閉燈】,即可實現(xiàn)控制指令下發(fā),終端通過GPIO控制LED(模擬真實場景的智能燈)
-
打通本地空調(diào)狀態(tài)和智能燈狀態(tài)與巴法云、小度平臺的聯(lián)系,實現(xiàn)實時控制聯(lián)動。
還未實現(xiàn)的功能:
-
打通小度音箱與自定義后端服務器,完成語音輸入的提取和轉發(fā)
-
對接OpenAI,基于API KEY 實現(xiàn)ChatGPT的功能。
6.2 圖片展示
以下是項目的部分圖片展示:
-
項目應用啟動/調(diào)試log
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小度APP使用界面
-
通過巴法云添加的智能設備在小度APP的展示
B站視頻(演示小度音箱的智能控制):【英飛凌創(chuàng)意創(chuàng)客大賽】基于Infineon和ChatGPT的人工智能語音小管家】www.bilibili.com/video/BV1Pz4y1E7fp
因時間關系,基于ChatGPT的智能邏輯還沒完全實現(xiàn),演示視頻待下次補充。。。
6.4 代碼開源
本參賽項目的源代碼已全面開源在 這里
其中應用部分的代碼在:https://gitee.com/recan-li/xiotman/tree/master/apps/app_baidu_chatgpt有關項目源代碼的事情,也可與我討論。
7 項目復盤
項目還有一部分功能未實現(xiàn),小小總結一下這次項目:
- DDL無效論:時間不夠用,下次別留這么少的時間了;
- 百度開發(fā)者賬號是需要認證的,需要幾天的時間審核,容易耽誤事兒;
- 英飛凌的PSoC 62 很好用,搭配的開發(fā)工具、下載工具非常棒,能夠讓人快速上手;
- xiotman第一次用于參加業(yè)余比賽,感覺使用起來還是比較清爽的,后面慢慢會都轉到它來開發(fā)更多的項目。
8 致謝
感謝本次大賽的主辦方RT-Thread和英飛凌,為廣大開發(fā)者提供福利的同時,也帶來了業(yè)內(nèi)前沿的開發(fā)技術,是我們學習和提高的一個好平臺,期待下次繼續(xù)參與這樣的比賽。
至于,比賽結果怎么樣,倒是其次,參與過,學習過,提高過,差不多就可以了。
9 項目的TODOLIST
DuerOS SDK的深度研究,爭取玩透小度音箱及百度的AI相關應用;
基于ChatGPT的API KEY 熟練部署ChatGPT的應用,打通智能音箱與ChatGPT的溝通渠道;演示視頻,待補充。 10 參考鏈接RT-Thread x Infineon創(chuàng)意創(chuàng)客大賽
https://club.rt-thread.org/ask/article/d4aa78c6fb75dda7.html
DuerOS開放平臺 (baidu.com)https://dueros.baidu.com/open把 chatGPT 接入小度 - 掘金 (juejin.cn)https://juejin.cn/post/7203685609654550588xiotman: 一套致力于解決物聯(lián)網(wǎng)終端應用多樣化挑戰(zhàn)的軟件架構解決方案。(gitee.com)https://gitee.com/recan-li/xiotmanesp8266接入小度語音,小度音箱控制,附開源app控制https://blog.csdn.net/bemfa/article/details/120034113?spm=1001.2014.3001.5501巴法云接入文檔https://cloud.bemfa.com/docs/#/巴法云開發(fā)者論壇https://bbs.bemfa.com/11 更多分享
本次項目介紹后,我還繼續(xù)探索RT-Thread在各種嵌入式平臺開發(fā)的可能性,并以此來要求自己輸出各種關于RT-Thread、嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)等等熱門技術話題的原創(chuàng)內(nèi)容,歡迎大家持續(xù)關注我。
我是 架構師李肯 (全網(wǎng)同名),2022年電子發(fā)燒友論壇優(yōu)秀開發(fā)者、2022年RT-Thread技術社區(qū)優(yōu)秀布道者、CSDN博客專家,歡迎大家來交流。
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