[논문 리뷰] Implementation of Google Assistant & Amazon Alexa on Raspberry Pi.

Shailesh Arya, Samir Patel|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 15.

IoT-based Smart Home Systems참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 단일 Raspberry Pi 3 기반으로 구축된 저비용 이중 가상 보조자원 스마트 스피커 프로토타입을 제시한다. 이 시스템은 음성 활성화 히트워드를 통해 Google 애시스턴트와 Amazon Alexa를 동시에 사용할 수 있도록 한다. 두 보조자원 모두 클라우드 기반 NLP 서비스를 활용하여 음성 입력을 처리하고 의도를 해석하며, USB 스피커를 통해 음성 응답을 제공한다. 이는 가정 자동화 및 일반 목적의 상호작용을 위한 주요 음성 생태계 두 개를 단일 임베디드 플랫폼에 원활하게 통합한 사례를 보여준다.

ABSTRACT

This paper investigates the implementation of voice-enabled Google Assistant and Amazon Alexa on Raspberry Pi. Virtual Assistants are being a new trend in how we interact or do computations with physical devices. A voice-enabled system essentially means a system that processes voice as an input, decodes, or understands the meaning of that input and generates an appropriate voice output. In this paper, we are developing a smart speaker prototype that has the functionalities of both in the same Raspberry Pi. Users can invoke a virtual assistant by saying the hot words and can leverage the best services of both eco-systems. This paper also explains the complex architecture of Google Assistant and Amazon Alexa and the working of both assistants as well. Later, this system can be used to control the smart home IoT devices.

연구 동기 및 목표

• Google 애시스턴트와 Amazon Alexa를 모두 지원하는 저비용 단일 하드웨어 스마트 스피커 프로토타입을 개발하는 것.
• 사용자가 동일한 기기에서 별도의 히트워드(예: 'Ok Google', 'Alexa')를 통해 어느 보조자원이라도 호출할 수 있도록 하는 것.
• 두 보조자원을 공통의 Raspberry Pi 3 플랫폼에 통합하여 IoT 기기의 음성 기반 제어를 가능하게 하는 것.
• 자원 제약이 있는 임베디드 하드웨어에서 두 개의 클라우드 기반 가상 보조자원을 동시에 실행하는 것이 가능한지 검증하는 것.
• 일반적으로 확보 가능한 구성 요소를 사용하여 가정 자동화를 위한 DIY 및 오픈소스 솔루션을 제공하는 것.

제안 방법

• Google 애시스턴트 SDK를 Raspberry Pi 3에 Google 애시스턴트 라이브러리와 OAuth2 인증을 사용하여 배포하며, 클라이언트 비밀번호 JSON 파일을 통해 인증한다.
• Raspberry Pi에 Alexa 음성 서비스(ASV) SDK를 설정하고, 기기 전용 구성 파일을 사용하여 보안 프로필을 설정한다.
• USB 마이크로 음성 입력을, 3.5mm AUX 연결 스피커로 음성 출력을 제공하며, 두 보조자원 모두 원격 클라우드 기반 NLP 및 의도 인식을 통해 음성 명령어를 처리한다.
• 동일한 Raspberry Pi에서 두 보조자원 서비스를 병렬로 실행하며, 별도의 프로세스가 각기 다른 히트워드(예: 'Ok Google'과 'Alexa')를 듣고 있다.
• 웹 기반 인증 프로세스를 통해 획득한 기기 전용 OAuth2 자격 증명과 갱신 토큰을 사용하여 두 보조자원 모두를 인증한다.
• Google 애시스턴트 및 Amazon Alexa 생태계 내부의 네이티브 지원을 통해 스마트 플러그, 조명 등 IoT 기기와의 통합을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 Raspberry Pi 3에서 성능 저하 없이 Google 애시스턴트와 Amazon Alexa를 동시에 작동시킬 수 있는가?
• RQ2 공통의 오디오 입력 및 출력을 공유하는 임베디드 플랫폼에 두 개의 별도 클라우드 기반 가상 보조자원을 어떻게 통합할 수 있는가?
• RQ3 Raspberry Pi에서 DIY 스마트 스피커를 위해 두 보조자원을 활성화하기 위한 핵심 설정 및 인증 절차는 무엇인가?
• RQ4 Raspberry Pi 3와 같은 저비용 단일 보드 컴퓨터가 실시간 음성 처리 및 이중 보조자원 상호작용을 어느 정도 처리할 수 있는가?
• RQ5 기본 IoT 기기들을 사용하여 이러한 시스템을 실용적인 가정 자동화에 어떻게 확장할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 단일 Raspberry Pi 3에서 Google 애시스턴트와 Amazon Alexa를 동시에 실행하며, 각 보조자원이 자신의 히트워드에 대해 독립적으로 반응함을 입증했다.
• 공식 SDK를 사용하여 통합이 이루어졌으며, 맞춤형 음성 인식 모델이 필요로 하지 않아, 클라우드 기반 NLP 및 의도 처리에 의존하였다.
• OAuth2 인증 및 기기 등록을 포함한 설정 프로세스는 표준 개발 도구와 구성 파일을 사용하여 성공적으로 완료되었다.
• 프로토타입은 신뢰할 수 있는 음성 상호작용을 보였으며, 두 보조자원 모두 명령어를 정확히 해석하고 USB 스피커를 통해 음성 응답을 생성했다.
• 시스템은 Google 애시스턴트 및 Amazon Alexa 생태계의 네이티브 통합을 통해 스마트 플러그, 조명 등의 표준 IoT 기기를 음성 명령어로 제어할 수 있다.
• 전체 솔루션은 상용 스마트 스피커보다 훨씬 저렴한 비용으로 제작할 수 있어, 가정 자동화 및 음성 상호작용를 위한 실용적인 DIY 대안이 될 수 있다.