MeowBot：ESP32 语音控制宠物猫 DIY 教程——玩转语音识别与 MQTT 智能家居控制 (附代码解析)

摘要: 本文将手把手教你打造一只名为 MeowBot 的智能宠物猫！它不仅可以通过舵机灵动地打招呼，还能听懂你的语音指令，帮你控制智能家居设备。让我们一起开启这段充满乐趣的 DIY 之旅吧！

关键词: ESP32、语音识别、MQTT、智能家居、宠物机器人

一、引言

厌倦了冰冷的智能音箱？渴望一只既能陪伴你，又能帮你控制家居的萌宠？今天就来教你 DIY 一只基于 ESP32 的智能宠物猫 MeowBot！它能够识别你的语音指令，并通过 MQTT 协议控制智能家居设备，为你的生活增添乐趣和科技感。

二、 MeowBot 功能介绍

MeowBot 具备以下功能:

打招呼: 当你靠近 MeowBot 时，它会通过舵机控制头部和尾巴摆动，并发出喵叫声，萌化你的心。
语音控制: MeowBot 能听懂你的指令，例如“小猫，帮我打开灯”，然后通过 MQTT 协议发送控制指令给智能家居设备。
扩展功能: MeowBot 还可以根据你的创意扩展其他功能，例如播放音乐、语音播报天气等。

三、 MeowBot 系统设计

MeowBot 的系统架构图如下所示:

3.1 硬件部分

MeowBot 的硬件清单如下:

ESP32 开发板: 作为 MeowBot 的大脑，负责接收传感器数据、处理语音指令、控制舵机和发送 MQTT 消息。
LD3320 语音识别模块: 用于识别用户的语音指令，将其转换为文本信息。
MG995 舵机 (x2): 用于控制 MeowBot 的头部和尾巴动作，使其更加生动形象。
HC-SR501 人体红外传感器: 用于检测是否有人靠近 MeowBot，触发打招呼动作。
其他模块 (可选): OLED 显示屏、扬声器、LED 灯等，可以根据需要添加。

3.2 软件部分

MeowBot 的软件部分主要包括：

Arduino IDE: 用于编写和上传 ESP32 代码。
LD3320 库: 用于驱动 LD3320 语音识别模块。
PubSubClient 库: 用于 ESP32 连接 MQTT 服务器。
Servo 库: 用于控制舵机的转动角度。

四、 MeowBot 制作步骤

4.1 硬件连接

按照以下电路图连接各个硬件模块：

注意: 具体的引脚连接需要根据你使用的硬件模块进行调整。

4.2 软件编写

4.2.1 安装库文件

在 Arduino IDE 中，依次点击“项目”->“加载库”->“管理库”，搜索并安装以下库文件：

LD3320
PubSubClient
Servo

4.2.2 代码示例

#include <LD3320.h>
#include <WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
#include <Servo.h>

// WiFi 和 MQTT 设置
const char* ssid = "你的WiFi名称";
const char* password = "你的WiFi密码";
const char* mqtt_server = "你的MQTT服务器地址";
const int mqtt_port = 1883;
const char* mqtt_user = "你的MQTT用户名";
const char* mqtt_password = "你的MQTT密码";

// 定义引脚
const int headServoPin = 12;  // 头部舵机引脚
const int tailServoPin = 14;  // 尾巴舵机引脚
const int pirSensorPin = 27; // 人体红外传感器引脚

// 定义语音指令
const char* openLightCommand = "小猫，帮我打开灯";
const char* closeLightCommand = "小猫，帮我关灯";

// 创建对象
LD3320 voiceRecognition;
WiFiClient espClient;
PubSubClient mqttClient(espClient);
Servo headServo;
Servo tailServo;

// MQTT 主题
const char* lightTopic = "home/light";

// 初始化函数
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  // 初始化语音识别模块
  voiceRecognition.init();
  voiceRecognition.setInterrupt(false);
  // 初始化舵机
  headServo.attach(headServoPin);
  tailServo.attach(tailServoPin);
  // 初始化人体红外传感器
  pinMode(pirSensorPin, INPUT);
  // 连接 WiFi
  WiFi.begin(ssid, password);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(1000);
    Serial.println("正在连接WiFi...");
  }
  Serial.println("WiFi连接成功！");
  // 连接 MQTT 服务器
  mqttClient.setServer(mqtt_server, mqtt_port);
  mqttClient.setCallback(mqttCallback);
  while (!mqttClient.connected()) {
    if (mqttClient.connect("MeowBot", mqtt_user, mqtt_password)) {
      Serial.println("MQTT连接成功！");
    } else {
      Serial.print("MQTT连接失败，错误码：");
      Serial.println(mqttClient.state());
      delay(2000);
    }
  }
}

// 主循环函数
void loop() {
  // 处理 MQTT 连接
  mqttClient.loop();
  // 检测是否有人靠近
  if (digitalRead(pirSensorPin) == HIGH) {
    greet();
  }
  // 语音识别
  if (voiceRecognition.available()) {
    String command = voiceRecognition.readVoice();
    Serial.print("识别到的指令：");
    Serial.println(command);
    // 处理语音指令
    handleCommand(command);
  }
}

// 打招呼函数
void greet() {
  // 头部和尾巴摆动
  for (int i = 0; i < 3; i++) {
    headServo.write(60);
    tailServo.write(120);
    delay(500);
    headServo.write(120);
    tailServo.write(60);
    delay(500);
  }
  // 发出喵叫声 (可选)
}

// 处理语音指令函数
void handleCommand(String command) {
  if (command == openLightCommand) {
    // 发送 MQTT 消息控制灯打开
    mqttClient.publish(lightTopic, "on");
    Serial.println("已发送打开灯的指令");
  } else if (command == closeLightCommand) {
    // 发送 MQTT 消息控制灯关闭
    mqttClient.publish(lightTopic, "off");
    Serial.println("已发送关闭灯的指令");
  } else {
    // 未识别到的指令
    Serial.println("未识别到的指令");
  }
}

// MQTT 回调函数
void mqttCallback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
  // 处理接收到的 MQTT 消息
}

4.3 代码解析

头文件: 代码开头的 #include 部分引入了程序所需库文件的头文件。
- <LD3320.h>: LD3320 语音识别模块库，用于控制和读取 LD3320。
- <WiFi.h>: ESP32 WiFi 库，用于连接 WiFi 网络。
- <PubSubClient.h>: MQTT 客户端库，用于 ESP32 与 MQTT 服务器进行通信。
- <Servo.h>: 舵机控制库，用于控制 MeowBot 的头部和尾巴舵机。
WiFi 和 MQTT 设置:
- ssid 和 password : 存储你的 WiFi 网络名称和密码，确保 MeowBot 能够连接到你的家庭网络。
- mqtt_server, mqtt_port, mqtt_user, mqtt_password: MQTT 服务器的相关信息，包括地址、端口号、用户名和密码。你需要设置好自己的 MQTT 服务器，并将这些信息填写到代码中，以便 MeowBot 与服务器进行通信。
定义引脚:
- headServoPin, tailServoPin, pirSensorPin: 定义了头部舵机、尾巴舵机和人体红外传感器分别连接到 ESP32 开发板的哪些引脚。你需要根据实际连接情况修改这些引脚号。
定义语音指令:
- openLightCommand, closeLightCommand: 定义了 MeowBot 能够识别的语音指令，例如 "小猫，帮我打开灯" 和 "小猫，帮我关灯"。你可以根据自己的喜好修改这些指令，甚至添加更多指令来控制不同的智能家居设备。
创建对象:
- voiceRecognition: 创建 LD3320 对象，用于控制 LD3320 语音识别模块。
- espClient: 创建 WiFiClient 对象，用于 ESP32 连接到 WiFi 网络。
- mqttClient: 创建 PubSubClient 对象，用于 MQTT 通信，需要传入 WiFiClient 对象作为参数。
- headServo, tailServo: 创建 Servo 对象，分别控制 MeowBot 的头部和尾巴舵机。
MQTT 主题:
- lightTopic: 定义了控制灯光状态的 MQTT 主题，例如 "home/light"。你可以根据实际控制的设备修改主题名称。
初始化函数 setup():
- Serial.begin(115200): 初始化串口通信，用于调试输出信息。
- voiceRecognition.init(): 初始化 LD3320 语音识别模块。
- voiceRecognition.setInterrupt(false): 设置语音识别模块为非中断模式，即程序会一直等待识别结果，不会被其他任务打断。
- headServo.attach(headServoPin): 将头部舵机对象与对应的引脚关联起来。
- tailServo.attach(tailServoPin): 将尾巴舵机对象与对应的引脚关联起来。
- pinMode(pirSensorPin, INPUT): 将人体红外传感器引脚设置为输入模式。
- WiFi.begin(ssid, password): 连接 WiFi 网络。
- mqttClient.setServer(mqtt_server, mqtt_port): 设置 MQTT 服务器地址和端口号。
- mqttClient.setCallback(mqttCallback): 设置 MQTT 消息回调函数，当收到订阅主题的消息时，会调用该函数进行处理。
- mqttClient.connect("MeowBot", mqtt_user, mqtt_password): 连接 MQTT 服务器。
主循环函数 loop():
- mqttClient.loop(): 处理 MQTT 连接状态，保持与服务器的连接。
- digitalRead(pirSensorPin) == HIGH: 检测人体红外传感器是否检测到有人靠近。
- greet(): 如果检测到有人靠近，则调用 greet() 函数让 MeowBot 打招呼。
- voiceRecognition.available(): 检查语音识别模块是否识别到语音指令。
- voiceRecognition.readVoice(): 读取识别到的语音指令。
- handleCommand(command): 调用 handleCommand() 函数处理识别到的语音指令。
打招呼函数 greet():
- 通过控制头部和尾巴舵机的角度，模拟 MeowBot 打招呼的动作。

处理语音指令函数 handleCommand():
- 该函数接收一个字符串类型的参数 command，表示识别到的语音指令。
- 首先，使用 if (command == openLightCommand) 判断指令是否为打开灯的指令。
  - 如果是，则调用 mqttClient.publish(lightTopic, "on") 向 MQTT 服务器发送打开灯的指令。
  - lightTopic 是预先定义的控制灯光状态的 MQTT 主题，"on" 表示打开灯。
  - 最后，通过串口打印 "已发送打开灯的指令"，方便调试。
- 接着，使用 else if (command == closeLightCommand) 判断指令是否为关闭灯的指令。
  - 如果是，则调用 mqttClient.publish(lightTopic, "off") 向 MQTT 服务器发送关闭灯的指令。
  - "off" 表示关闭灯。
  - 最后，通过串口打印 "已发送关闭灯的指令"，方便调试。
- 最后，如果指令既不是打开灯也不是关闭灯，则进入 else 分支，表示未识别到有效指令。
  - 此时，程序会通过串口打印 "未识别到的指令"，提示用户重新输入指令。
MQTT 回调函数 mqttCallback():
- 该函数在 ESP32 从订阅的 MQTT 主题接收到消息时被调用。
- 你可以根据需要编写该函数，例如，当接收到控制灯光状态的反馈消息时，可以通过串口打印出来，或者控制 LED 灯指示灯状态等。