ESP32智能语音设备WebSocket通信协议详解

最新推荐文章于 2025-06-17 17:55:46 发布

冯梦姬Eddie

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ESP32智能语音设备WebSocket通信协议详解

xiaozhi-esp32 Build your own AI friend 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/xia/xiaozhi-esp32

引言

在现代物联网和智能语音交互系统中，WebSocket协议因其全双工通信特性而成为实时数据传输的理想选择。本文将深入解析78/xiaozhi-esp32项目中使用的WebSocket通信协议，帮助开发者理解设备与服务器之间的交互机制。

协议概述

78/xiaozhi-esp32项目中的WebSocket协议主要用于实现以下功能：

语音数据的实时传输
设备状态同步
物联网指令控制
语音交互状态管理

通信流程详解

1. 连接建立阶段

设备端初始化流程：

硬件初始化（音频编解码器、显示屏、LED等）
网络连接建立
WebSocket协议实例创建
主循环进入等待状态

连接建立关键步骤：

通过OpenAudioChannel()发起连接
设置必要的请求头信息：
- Authorization: Bearer令牌
- Protocol-Version: 协议版本
- Device-Id: 设备MAC地址
- Client-Id: 设备唯一标识

2. 握手协议

客户端发送的Hello消息示例：

{
  "type": "hello",
  "version": 1,
  "transport": "websocket",
  "audio_params": {
    "format": "opus",
    "sample_rate": 16000,
    "channels": 1,
    "frame_duration": 60
  }
}

服务器响应要求：

必须包含"type":"hello"和"transport":"websocket"
可协商音频参数
超时时间为10秒

3. 消息类型解析

客户端到服务器消息

Listen消息 - 控制录音状态

{
  "session_id": "xxx",
  "type": "listen",
  "state": "start",
  "mode": "manual"
}

Abort消息 - 中断当前操作

{
  "session_id": "xxx",
  "type": "abort",
  "reason": "wake_word_detected"
}

IoT消息 - 设备状态上报

{
  "session_id": "xxx",
  "type": "iot",
  "states": {
    "temperature": 25.5,
    "humidity": 60
  }
}

服务器到客户端消息

STT消息 - 语音识别结果

{
  "type": "stt",
  "text": "打开客厅的灯"
}

TTS消息 - 语音合成控制

{
  "type": "tts",
  "state": "start"
}

IoT指令 - 设备控制

{
  "type": "iot",
  "commands": [
    {
      "device": "living_room_light",
      "action": "turn_on"
    }
  ]
}

4. 音频数据传输

音频编解码规范：

编码格式：Opus
采样率：16000Hz
声道数：单声道
帧时长：60ms（可配置）

数据传输方式：

客户端录音数据：麦克风→Opus编码→WebSocket二进制帧
服务器TTS数据：WebSocket二进制帧→Opus解码→扬声器

状态机设计

设备主要状态及转换条件：

Idle状态
- 初始状态
- 可转换为Connecting状态（用户触发/唤醒）
Connecting状态
- 建立WebSocket连接
- 成功→Listening状态
- 失败→Idle状态（带错误提示）
Listening状态
- 持续发送录音数据
- 收到TTS开始→Speaking状态
- 用户取消→Idle状态
Speaking状态
- 播放接收到的音频
- TTS结束→Idle/Listening状态
- 异常中断→Idle状态

错误处理机制

连接错误
- 握手超时（10秒）
- 网络不可达
- 鉴权失败
通信错误
- WebSocket异常断开
- 消息解析失败
- 音频解码错误
恢复策略
- 自动重试机制
- 错误状态提示
- 安全回退到Idle状态

协议扩展建议

QoS保障
- 可考虑增加消息序列号
- 实现消息确认机制
性能优化
- 动态调整音频帧大小
- 带宽自适应编码
安全增强
- 定期更新Bearer令牌
- 敏感数据加密

实际应用示例

典型语音交互流程：

设备唤醒，建立WebSocket连接
发送Listen消息开始录音
传输语音数据（二进制帧）
接收STT消息（语音识别结果）
接收TTS消息和音频数据
播放语音响应
返回Idle状态

开发注意事项

资源管理
- WebSocket连接需要及时释放
- 音频编解码器资源竞争处理
时序控制
- 状态转换的线程安全
- 消息处理的顺序保证
兼容性考虑
- 协议版本协商
- 可选字段处理

总结

78/xiaozhi-esp32项目的WebSocket协议设计具有以下特点：

简洁的JSON消息格式
高效的二进制音频传输
明确的状态机设计
完善的错误处理机制

开发者可根据实际需求，在此协议基础上进行功能扩展和性能优化，构建更强大的智能语音交互系统。

xiaozhi-esp32 Build your own AI friend 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/xia/xiaozhi-esp32

创作声明：本文部分内容由AI辅助生成（AIGC），仅供参考