基于ESP32-S3与阿里云物联网平台的儿童陪伴型智能机器人

1.引言

在数字化快速发展的当下，儿童成长环境深受科技影响，家长陪伴时间的减少，使得儿童陪伴型智能机器人成为填补孩子情感陪伴空白、辅助教育成长的重要力量。物联网（IoT）技术的蓬勃发展，为智能设备互联提供了基础。ESP32-S3微控制器性能高、功耗低，外设接口丰富，运算与数据处理能力强，在智能硬件开发领域备受关注。阿里云物联网平台依托强大云计算资源，能提供安全可靠的设备接入与管理服务，实现海量设备数据的实时处理与远程管控。

将ESP32-S3与阿里云物联网平台结合开发儿童陪伴型智能机器人，具有创新性与现实意义。本文设计的机器人能模仿儿童作息，引导孩子养成良好生活习惯，还能感知室内温湿度并实时预警，通过Wi-Fi接入阿里云物联网平台，实现云端消息流转和手机端命令下发。

2.系统总体方案设计

儿童陪伴型智能机器人系统由智能机器人终端、阿里云iot平台、智能机器人业务服务器和智能机器人APP组成。智能机器人终端以ESP32-S3为核心开发板，集成温湿度传感器、RFID传感器等。智能机器人终端采用FreeRTOS实时操作系统调度管理任务，利用定时器控制任务执行时间。每日定时读取和更新配置文件，获取任务数据，与儿童互动并采集环境数据上传。阿里云iot平台提供设备接入接口，支持MQTT协议接入。终端与平台建立连接，实现数据双向流动，中转任务数据，保障系统数据协同。智能机器人业务服务器存储习惯养成任务数据，动态调整任务内容，还存储手机端APP的语音数据。智能机器人APP基于Android原生开发，方便家长控制机器人，设置任务参数并接收终端反馈数据，辅助儿童养成良好习惯，陪伴儿童成长。

整体架构分为三层（见图1）：感知层如同设备的“感官”，负责采集外界环境信息，像温度、湿度等，同时接收用户语音指令实现语音控制，还集成了RFID射频识别技术，方便用户通过RFID卡片与设备交互。传输层是连接感知层和应用层的纽带，它将感知层数据打包，借助Wi-Fi通信模块，通过MQTT协议传输到应用层的云平台；云平台也能通过传输层向感知层下发指令，比如修改任务执行时间。应用层主要对感知层数据进行统计、分析和处理。用户可通过手机APP查看智能机器人的健康状态，如饥饿度、清洁度等，还能根据作息规律设置任务执行时间，实现人机交互。

3.系统软件设计

引入FreeRTOS实时操作系统，提升系统响应速度和任务调度灵活性。运行在ESP32-S3开发板上，体积小、功耗低、实时性强且成本低，在资源受限场景表现出色，还提供丰富开发资源。系统涉及实时传感器数据和系统参数上报，通过多个线程调度不同任务，提高响应速度。

3.1智能机器人终端系统设计

主程序流程为：硬件初始化后，尝试用MQTT协议连接云平台。若连接成功，订阅主题，创建FreeRTOS资源并启动系统；若首次连接失败，会再次尝试，三次连接失败则判定连接异常。

Wi-Fi模块开机后先以SoftAP模式等待手机连接，连接后进入Web配网界面，输入家庭网络信息完成配网。网络连接稳定后配置MQTT参数，包括设置心跳时间，进行设备身份验证，验证通过后连接MQTT客户端与云端交互数据。

阿里云平台通过物模型从属性、事件和服务三方面定义标准，提升研发效率。以属性上报的有效业务与感知数据结构为例（见图2），数据由1字节类型、4字节消息ID和28字节数据字段组成，像饥饿度、温湿度等数据各占4字节存储空间，程序用共同体内嵌结构体方式存储和发送数据。设备端按此格式打包数据，通过MQTT协议发布到云端，接收数据时则按协议解包。

3.2智能机器人APP端设计

智能机器人APP基于Android系统观察者模式设计，包含一个核心服务和三个活动界面（见图3）。核心服务负责获取华为云设备信息和声音文件版本信息，对比版本后更新机器人状态并通知活动界面。状态展示活动用于呈现机器人状态；录音变音活动可对录制声音变音并上传文件；配置设置活动能设置习惯养成任务。主业务界面采用Navigation drawer views模板，侧边栏导航操作便捷，还有FloatingActionButton提示新语音信息。活动开启时绑定服务获取信息，关闭时解除绑定释放资源。

4.总结

本文围绕儿童陪伴型智能机器人的设计开发，详细阐述了系统架构、软件设计和各部分协同运作的原理。在数字化时代背景下，借助物联网技术，结合ESP32-S3和阿里云物联网平台优势，赋予机器人多种功能。

系统采用三层架构，软件利用FreeRTOS优化调度。机器人各部分分工明确、协同工作，为儿童成长提供科技关怀，促进儿童优秀生活习惯的养成，填补情感和教育空缺，推动智能机器人领域发展。

5.参考文献

[1]高美宁.人工智能背景下学龄前儿童玩具设计研究[D].天津科技大学，2021.DOI：10.27359/d.cnki.gtqgu.2021.000856.

[2]王爱利.基于ESP32的智能家居系统的设计与实现[D].沈阳师范大学，2023.DOI：10.27328/d.cnki.gshsc.2023.000311.

[3]朱军霞.游戏化教学在幼儿行为习惯养成中的应用[J].甘肃教育，2025，（04）：146-149.

[4]张婉珍，刁立强，刘鑫宇，等.基于STM32智能路灯系统的设计与实现[J].物联网技术，2025，15（06）：142-144.DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2025.06.031.

项目来源：黑龙江省大学生创新训练项目 名称：基于有形交互的儿童陪伴型智能机器人 编号：S202110214030

第一作者：

陶佳辰 （2004.6-），男，

黑龙江齐齐哈尔人，学士学历，本科生，哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院，

研究方向： 嵌入式系统开发。

其他作者：

高健哲（2004.1-），男，

黑龙江牡丹江人，学士学历，本科生，哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院，

研究方向：智能信息处理。

姜知含（2005.5-），男，

黑龙江牡丹江人，学士学历，本科生，哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院，研究方向：集成电路科学与工程。