物联网控制模块：通过AI语音指令操控ESP32开发板设备

admin · 发表于 2025-6-12 18:47:22

物联网控制模块：通过AI语音指令操控ESP32开发板设备

本模块实现了AI语音聊天机器人的物联网控制功能，使用户可以通过语音指令控制接入到ESP32开发板的各种物联网设备。

工作原理
整个物联网控制模块的工作流程如下：

1、设备注册：在开发板初始化阶段（如在compact_wifi_board.cc中），各种物联网设备通过ThingManager注册到系统中
2、设备描述：系统将设备描述信息（包括名称、属性、方法等）通过通信协议（如MQTT或WebSocket）发送给AI服务器
3、用户交互：用户通过语音与AI对话，表达控制物联网设备的意图
4、命令执行：AI服务器解析用户意图，生成控制命令，通过协议发送回ESP32，由ThingManager分发给对应的设备执行
5、状态更新：设备执行命令后，状态变化会通过ThingManager收集并发送回AI服务器，保持状态同步

核心组件
ThingManager
ThingManager是物联网控制模块的核心管理类，采用单例模式实现：

AddThing：注册物联网设备
GetDescriptorsJson：获取所有设备的描述信息，用于向AI服务器报告设备能力
GetStatesJson：获取所有设备的当前状态，可以选择只返回变化的部分
Invoke：根据AI服务器下发的命令，调用对应设备的方法

Thing

Thing是所有物联网设备的基类，提供了以下核心功能：

属性管理：通过PropertyList定义设备的可查询状态
方法管理：通过MethodList定义设备可执行的操作
JSON序列化：将设备描述和状态转换为JSON格式，便于网络传输
命令执行：解析和执行来自AI服务器的指令

设备设计示例
灯（Lamp）
灯是一个简单的物联网设备示例，通过GPIO控制LED的开关状态：

class Lamp : public Thing {
private:
gpio_num_t gpio_num_ = GPIO_NUM_18; // GPIO引脚
bool power_ = false; // 灯的开关状态
public:
Lamp() : Thing("Lamp", "一个测试用的灯") {
// 初始化GPIO
InitializeGpio();
// 定义属性：power（表示灯的开关状态）
properties_.AddBooleanProperty("power", "灯是否打开", [this]() -> bool {
return power_;
});
// 定义方法：TurnOn（打开灯）
methods_.AddMethod("TurnOn", "打开灯", ParameterList(), [this](const ParameterList& parameters) {
power_ = true;
gpio_set_level(gpio_num_, 1);
});
// 定义方法：TurnOff（关闭灯）
methods_.AddMethod("TurnOff", "关闭灯", ParameterList(), [this](const ParameterList& parameters) {
power_ = false;
gpio_set_level(gpio_num_, 0);
});
}
};

复制代码

用户可以通过语音指令如”请打开灯”来控制灯的开关。

扬声器（Speaker）

扬声器控制实现了音量调节功能：

class Speaker : public Thing {
public:
Speaker() : Thing("Speaker", "扬声器") {
// 定义属性：volume（当前音量值）
properties_.AddNumberProperty("volume", "当前音量值", [this]() -> int {
auto codec = Board::GetInstance().GetAudioCodec();
return codec->output_volume();
});
// 定义方法：SetVolume（设置音量）
methods_.AddMethod("SetVolume", "设置音量", ParameterList({
Parameter("volume", "0到100之间的整数", kValueTypeNumber, true)
}), [this](const ParameterList& parameters) {
auto codec = Board::GetInstance().GetAudioCodec();
codec->SetOutputVolume(static_cast<uint8_t>(parameters["volume"].number()));
});
}
};

复制代码

用户可以通过语音指令如”把音量调到50”来控制扬声器的音量。

设计自定义物联网设备
要设计一个新的物联网设备，需要以下步骤：

1、创建设备类：继承Thing基类
2、定义属性：使用properties_添加设备的可查询状态
3、定义方法：使用methods_添加设备可执行的操作
4、实现硬件控制：在方法回调中实现对硬件的控制
5、注册设备：注册设备有两种方式（见下文），并在板级初始化中添加设备实例

两种设备注册方式
1、使用DECLARE_THING宏：适合通用设备类型

// 在设备实现文件末尾添加
DECLARE_THING(MyDevice);
// 然后在板级初始化中
thing_manager.AddThing(iot::CreateThing("MyDevice"));

复制代码

2、直接创建设备实例：适合特定于板级的设备

// 在板级初始化中
auto my_device = new iot::MyDevice();
thing_manager.AddThing(my_device);

复制代码

设备实现位置建议

您可以根据设备的通用性选择不同的实现位置：

1、通用设备：放在main/iot/things/目录下，使用DECLARE_THING注册
2、板级特定设备：直接在板级目录(如main/boards/your_board/)中实现，使用直接创建实例的方式注册

这种灵活性允许您为不同的板设计特定的设备实现，同时保持通用设备的可重用性。

属性类型

物联网设备支持以下属性类型：

布尔值（kValueTypeBoolean）：开关状态等
数值（kValueTypeNumber）：温度、音量等
字符串（kValueTypeString）：设备名称、状态描述等

方法参数

设备方法可以定义参数，支持以下参数类型：
布尔值：开关等
数值：温度、音量等
字符串：命令、模式等

使用示例

在板级初始化代码（如compact_wifi_board.cc）中注册物联网设备：

void InitializeIot() {
auto& thing_manager = iot::ThingManager::GetInstance();
thing_manager.AddThing(iot::CreateThing("Speaker"));
thing_manager.AddThing(iot::CreateThing("Lamp"));
}

复制代码

之后，用户可以通过语音指令控制这些设备，例如：
“打开灯”
“我要睡觉了，帮我关灯”
“音量有点太小了”
“把音量设置为80%”
AI服务器会将这些语音指令解析为对应的设备控制命令，通过协议发送给ESP32执行。

注意事项

大模型控制的随机性

由于语音控制由大型语言模型(LLM)处理，控制过程可能存在一定的随机性和不确定性。为了增强安全性和可靠性，请考虑以下建议：

1、关键操作添加警示信息：对于潜在危险或不可逆的操作，在方法描述中添加警示信息

methods_.AddMethod("PowerOff", "关闭系统电源[警告:此操作将导致设备完全关闭，请慎重使用]",
ParameterList(), [this](const ParameterList& parameters) {
// 关闭电源的实现
});

复制代码

2、二次确认机制：重要操作应在描述中明确要求二次确认

methods_.AddMethod("ResetToFactory", "恢复出厂设置[必须要用户二次确认]",
ParameterList(), [this](const ParameterList& parameters) {
// 恢复出厂设置的实现
});

复制代码

通信协议限制

1、当前IoT协议(1.0版本)存在以下限制：
2、单向控制流：大模型只能下发指令，无法立即获取指令执行结果
3、状态更新延迟：设备状态变更需要等到下一轮对话时，通过读取property属性值才能获知
4、异步反馈：如果需要操作结果反馈，必须通过设备属性的方式间接实现

最佳实践

1、使用有意义的属性名称：属性名称应清晰表达其含义，便于大模型理解和使用
2、不产生歧义的方法描述：为每个方法提供明确的自然语言描述，帮助大模型更准确地理解和调用

物联网控制模块：通过AI语音指令操控ESP32开发板设备

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