手把手教你做一个天猫精灵（二）

上一章讲到如何使用fubuki-iot制作一个简单的电脑版的天猫精灵，这次需要把它运行在硬件上。考虑到硬件环境比较复杂，我最终选择了相对简单的树莓派（Ubuntu 22.04 LTS 64bit）。同时，配合麦克风、扬声器等元件可以满足基本的语音输入和输出功能。

硬件准备

• 树莓派（Raspberry Pi 3/4/zero w均可，但是要能联网）
• 扬声器、麦克风（最好是免驱动的）
• 开关、面包板、杜邦线、充电线等

硬件环境搭建

树莓派

我用的是Raspberry Pi Zero 2w，但是发现USB接口不够又添加了扩展版。如图所示：

提醒：如果第一次使用需要刷系统。最新的刷系统方式是通过 Raspberry Pi Imager 刷的，可以在官网下载这个软件，然后选择对应的Linux系统，并配置账户、WIFI等信息，最后写到SD卡中。然后将SD卡插入树莓派，连上电源就可以运行了。

启动树莓派后先通过SSH登陆树莓派，然后下载 fubuki-iot包和RPI.GPIO包。如果没有pip需要先安装对应版本的pip。

fubuki-iot安装

fubuki-iot这个包是默认包含pyaudio包的，而pyaudio是需要C++扩展包安装的，所以要安装对应的api：

sudo apt-get update
sudo apt-get install build-essential

这个软件包括arm-linux-gnueabihf-gcc这个C++编译器，在Linux环境下开发经常要用到。此外，我们还要下载对应的Python接口和Audio接口以供C++调用：

sudo apt-get install python3-dev
sudo apt install portaudio19-dev python3-pyaudio

最后安装fubuki-iot应该可以能正常安装了：

pip install fubuki-iot

RPI.GPIO安装

这个包也需要底层依赖的支持，只需要安装Linux的GPIO支持即可：

sudo apt-get install rpi.gpio
pip install RPI.GPIO

其实，树莓派的GPIO还支持I2C和SPI协议，它们可以通过极少的引脚数完成元件设备之间的通信。此外，树莓派也支持UART串口通信，这大大加速了元件之间的交流速率。但是这些内容我们目前还接触不到，只需要最原始的GPIO对引脚操作即可。

按钮

在上一章中，我们通过键盘唤醒智能终端的，在树莓派中，我们可以结合其GPIO能力，通过按钮唤醒它。根据上图，我们选择一个GPIO引脚作为输入，如果为高电平则表示唤醒，可以如图所示接入：

通过开关直接和电源和GPIO4相连，这样当开关闭合的时候就可以给树莓派一个高电平触发唤醒功能了。但是这样接会导致开关断开的时候引脚是高阻态，因此最好是按照下面方法接入：

这样，闭合开关后相当于把电阻短路了，这样是高电平。而断开状态引脚则直接和GND相连，所以是低电平。

提醒：在数字信号领域中有“上拉电阻”和“下拉电阻”的概念，具体可以查找相关资料。

麦克风、扬声器和电源

由于使用的是免驱动的麦克风和扬声器，所以直接通过USB接口和扬声器接口接到树莓派上即可。但是仍有可能遇到依赖缺失的问题，比如ALSA报错，这时候需要安装alsa-utils，具体可点击这里。

树莓派的供电是为人诟病的地方，其所有版本的电压不能超过 5V ，而电流则是在条件允许的情况下越大越好。我采用的是原配的充电器，即5V-2000mA。刚开始会有点供电不足的情况但后来有点缓解，而使用移动电源（3.6V-10000mA）则有明显的异味。同时，用原配电源也不宜太长。

程序开发

上一章我们用fubuki-iot创建了一个语义模型，并实现了提醒事项的功能，这次我们要创建一个录音设备，从而实现通过GPIO唤醒终端。

首先，我们在原有的mods目录下创建一个文件，命名为gpio.py，并在入口文件app.py中加入一行引入这个文件：

from iot import Terminal
Terminal.load_models('mods.timer')
Terminal.load_models('mods.gpio')

if __name__ == '__main__':
    Terminal.run()

然后，在gpio.py中创建一个类，让它继承Recorder代表录音机，并实现两个方法。其中awake方法调用GPIO轮询检查GPIO4的电平状态，如果是高电平则返回True代表唤醒。而record函数则仍然使用内置的AudioClient，具体如下调用：

import RPi.GPIO as GPIO
import time as tm

from iot import Recorder, RecorderFactory
from iot.integration.audio import AudioClient
from iot.utils import get_slash
from iot.context import Context


@RecorderFactory.set
class RaspberryRecorder(Recorder):

    def awake(self) -> bool:
        print("按下按钮唤醒终端")
        GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
        GPIO.setup(7, GPIO.IN)
        while True:
            if GPIO.input(7):
                GPIO.cleanup()
                return True

    def record(self, time: int) -> str:
        data = AudioClient.record(time=time)
        local_time = tm.strftime('%Y-%m-%d_%H-%M-%S', tm.localtime())
        path = f'{Context.config["RESOURCE_PATH"]}{get_slash()}wav{get_slash()}{local_time}.wav'
        AudioClient.save(data=data, path=path)
        return path

最后，我们再修改一下配置文件，添加一行如下：

DEVICE_REC=RaspberryRecorder

注意：dotenv包在我的Linux环境下有点问题，有时找不到.env文件，但是把它移到项目根目录的外层。即/home/pi/目录下就可以找到了。

最后，我们运行程序。就可以通过按钮实现对终端的唤醒，并使用提醒事项的功能。

同样，树莓派的环境下仍可以使用PocketSphinx的语音唤醒功能，也需要下载相关的依赖，具体点击这里。

在这一章中，我们把项目移植到了树莓派中，但是受硬件限制所以需要安装很多依赖，可能每个人遇到的问题都不一样。下一章我们要实现智能终端操作硬件的功能。