用树莓派实现对话机器人

最近用树莓派实现了一个能和人对话的机器人，简要介绍一下。

树莓派（Raspberry Pi）是世界上最流行的微型电脑主板，是开源硬件的领导产品，它为学生计算机编程教育而设计，只有信用卡大小，且价格低廉。支持linux(debian)等操作系统。最重要的是资料完善，社区活跃。
我用的是树莓派B+版本，基本配置是博通BCM2836处理器，4核900M主频，1G RAM。

我的目标是做成一个和人对话的机器人，这就需要机器人有输入设备和输出设备。输入设备是麦克风，输出可以是HDMI、耳机或音响，我这里用了音响。下面是我的树莓派照片。4个USB接口分别连了无线网卡、无线键盘、麦克风、音响供电。


我们可以把机器人的对话分成三个部分：听、思考、说。
“听”，是把人说的话记录下来，并转换成文字。
“思考”，就是根据不同的输入给出不同的输出。比如，对方说“现在时间”，你就可以回答“现在是北京时间xx点xx分”。
“说”，是把文字转换成语音，并播放出来。

这三个部分涉及到大量语音识别、语音合成、人工智能等技术，这些都是要花大量时间精力研究的，好在有些公司已经开放了接口给客户使用。这里，我选择了百度的API。下面分别说明这三个部分的实现。

“听”

首先是把人说的话录制下来，我使用了arecord工具。命令如下：

1. arecord -D "plughw:1" -f S16_LE -r 16000 test.wav

其中，-D参数后接录制设备，连接麦克风后，树莓派上有2个设备：内部设备和外部usb设备，plughw:1代表使用外部设备。-f表示录制的格式，-r表示声音采样频率。由于后面提到的百度语音识别对音频文件格式是有要求的，我们需要录制成符合要求的格式。另外，在这里我没有指定录制的时间，它会一直录制下去，直到用户按下ctrl-c。录制后的音频文件保存为test.wav。
接下来，我们要把音频转换成文字，即语音识别（asr），百度的语音开放平台提供了免费的服务，并支持REST API
文档见： http://yuyin.baidu.com/docs/asr/57
流程基本就是获取token，把需要识别的语音信息、语音数据、token等发送给百度的语音识别服务器，就能获取到对应的文字。因为服务器支持REST API，我们可以用任何语言来实现客户端的代码，这里使用的是python

1. # coding: utf-8
   
2. 
   
3. import urllib.request
   
4. import json
   
5. import base64
   
6. import sys
   
7. 
   
8. def get_access_token():
   
9.     url = "https://openapi.baidu.com/oauth/2.0/token"
   
10.     grant_type = "client_credentials"
    
11.     client_id = "xxxxxxxxxxxxxxxxxx"
    
12.     client_secret = "xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx"
    
13. 
    
14.     url = url + "?" + "grant_type=" + grant_type + "&" + "client_id=" + client_id + "&" + "client_secret=" + client_secret
    
15. 
    
16.     resp = urllib.request.urlopen(url).read()
    
17.     data = json.loads(resp.decode("utf-8"))
    
18.     return data["access_token"]
    
19. 
    
20. 
    
21. def baidu_asr(data, id, token):
    
22.     speech_data = base64.b64encode(data).decode("utf-8")
    
23.     speech_length = len(data)
    
24. 
    
25.     post_data = {
    
26.             "format" : "wav",
    
27.             "rate" : 16000,
    
28.             "channel" : 1,
    
29.             "cuid" : id,
    
30.             "token" : token,
    
31.             "speech" : speech_data,
    
32.             "len" : speech_length
    
33.     }
    
34. 
    
35.     url = "http://vop.baidu.com/server_api"
    
36.     json_data = json.dumps(post_data).encode("utf-8")
    
37.     json_length = len(json_data)
    
38.     #print(json_data)
    
39. 
    
40.     req = urllib.request.Request(url, data = json_data)
    
41.     req.add_header("Content-Type", "application/json")
    
42.     req.add_header("Content-Length", json_length)
    
43. 
    
44.     print("asr start request\n")
    
45.     resp = urllib.request.urlopen(req)
    
46.     print("asr finish request\n")
    
47.     resp = resp.read()
    
48.     resp_data = json.loads(resp.decode("utf-8"))
    
49.     if resp_data["err_no"] == 0:
    
50.         return resp_data["result"]
    
51.     else:
    
52.         print(resp_data)
    
53.         return None
    
54. 
    
55. def asr_main(filename):
    
56.     f = open(filename, "rb")
    
57.     audio_data = f.read()
    
58.     f.close()
    
59. 
    
60.     #token = get_access_token()
    
61.     token = "xxxxxxxxxxxxxxxxxx"
    
62.     uuid = "xxxx"
    
63.     resp = baidu_asr(audio_data, uuid, token)
    
64.     print(resp[0])
    
65.     return resp[0]

“思考”
这里我使用了百度api store的图灵机器人。其文档见：http://apistore.baidu.com/apiworks/servicedetail/736.html
它的使用非常简单，这里不再赘述，代码如下：

1. import urllib.request
   
2. import sys
   
3. import json
   
4. 
   
5. def robot_main(words):
   
6.     url = "http://apis.baidu.com/turing/turing/turing?"
   
7. 
   
8.     key = "879a6cb3afb84dbf4fc84a1df2ab7319"
   
9.     userid = "1000"
   
10. 
    
11.     words = urllib.parse.quote(words)
    
12.     url = url + "key=" + key + "&info=" + words + "&userid=" + userid
    
13. 
    
14.     req = urllib.request.Request(url)
    
15.     req.add_header("apikey", "xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx")
    
16. 
    
17.     print("robot start request")
    
18.     resp = urllib.request.urlopen(req)
    
19.     print("robot stop request")
    
20.     content = resp.read()
    
21.     if content:
    
22.         data = json.loads(content.decode("utf-8"))
    
23.         print(data["text"])
    
24.         return data["text"]
    
25.     else:
    
26.         return None

“说”
先需要把文字转换成语音，即语音合成（tts）。然后把声音播放出来。
百度的语音开放平台提供了tts的接口，并可配置男女声、语调、语速、音量。服务器返回mp3格式的音频数据。我们把数据以二进制方式写入文件中。
详见http://yuyin.baidu.com/docs/tts/136
代码如下：

1. # coding: utf-8
   
2. 
   
3. import urllib.request
   
4. import json
   
5. import sys
   
6. 
   
7. def baidu_tts_by_post(data, id, token):
   
8.     post_data = {
   
9.             "tex" : data,
   
10.             "lan" : "zh",
    
11.             "ctp" : 1,
    
12.             "cuid" : id,
    
13.             "tok" : token,
    
14.     }
    
15. 
    
16.     url = "http://tsn.baidu.com/text2audio"
    
17.     post_data = urllib.parse.urlencode(post_data).encode('utf-8')
    
18.     #print(post_data)
    
19.     req = urllib.request.Request(url, data = post_data)
    
20. 
    
21.     print("tts start request")
    
22.     resp = urllib.request.urlopen(req)
    
23.     print("tts finish request")
    
24.     resp = resp.read()
    
25.     return resp
    
26. 
    
27. def tts_main(filename, words):
    
28.     token = "xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx"
    
29.     text = urllib.parse.quote(words)
    
30.     uuid = "xxxx"
    
31.     resp = baidu_tts_by_post(text, uuid, token)
    
32. 
    
33.     f = open("test.mp3", "wb")
    
34.     f.write(resp)
    
35.     f.close()

得到音频文件后，可以使用mpg123播放器播放。

1. mpg123 test.mp3

整合
最后，把这三个部分组合起来。
可以先把python相关的代码整合成main.py，如下：

点击(此处)折叠或打开

1. import asr
   
2. import tts
   
3. import robot
   
4. 
   
5. words = asr.asr_main("test.wav")
   
6. new_words = robot.robot_main(words)
   
7. tts.tts_main("test.mp3", new_words)

再使用脚本，调用相关工具：

1. #! /bin/bash
   
2. arecord -D "plughw:1" -f S16_LE -r 16000 test.wav
   
3. python3 main.py
   
4. mpg123 test.mp3

好了，现在你可以和机器人对话了。运行脚本，对着麦克风说句话，然后按ctrl-c，机器人就会回你话了。