智慧大棚語音控制系統實驗設計*

柯春艷，白雅雯

（新疆農業大學，新疆 烏魯木齊 830000）

隨著生產力和科技水平的提高，基于物聯網等技術的智能化生產模式已經應用于社會生產的方方面面，其中智慧農業需求旺盛，發展迅速，對于以農業為主的區域經濟建設具有重要意義。將智慧農業應用引入物聯網工程本科實踐教學內容中，一方面能夠提升學生解決實際生產問題的能力，促進產學研一體化建設；另外一方面，有助于提升符合新業態需求的人才培養質量，為區域經濟發展提供高質量人才做準備。

1 智慧大棚概述

傳統農業種植模式采用的是人工監管，這種方式耗費人力和時間成本，且很大程度依賴于勞動者的生產經驗。結合物聯網技術的智慧農業應運而生，可謂是農業領域的一次技術革命，它將可感知信息的傳感設備，按照雙方規定的協議，將物體連接到網絡中，可通過傳遞信息的中間設備進行通信，來達到識別、監管、定位等功能。溫室大棚作為我國農業產業發展的重要組成部分，通過改變農作物的生長環境，實現農作物能夠不受時間和地域環境的限制，規模化生產。隨著大棚數量和人力成本的增加，過去采用人工對大棚室內環境進行檢測和管理的成本不斷提高，且人工數據準確率無法保證，管理也不方便。在大棚中采用物聯網技術對大棚內溫度、濕度、含氧量、光照度、土壤墑情等環境參數進行監測，大棚管理者根據檢測情況采取相應的管理措施，為農作物提供更適宜的生長環境，進而極大提高農業生產效率及農作物的產量與質量，從而提高農作物種植者的經濟收入[1]，提高經濟效益。

智慧大棚系統基于物聯網技術，具備物聯網典型架構的特點，由感知層、網絡層和應用層構成。其中感知層的各種數據傳感器負責采集環境或多媒體信息，各類傳感器型號和廠商眾多，但多數都具備兼容性和通用性，為用戶設計選型提供了極大的便利；網絡層根據特定的場景和需求采用不同通信方式或協議對數據進行處理、存儲和傳輸，由物聯網中間件平臺實現數據的管理、計算、定位和實時處理等，為應用層提供數據支撐；應用層涉及技術較為廣泛，基于低層數據面向用戶提供數據展示、分析、挖掘、管理、決策支持等不同服務[2]。

2 總體設計方案

智慧大棚語音控制系統以市場常見物聯網智慧大棚系統為基礎，增加語音交互功能，依托于語音識別技術為用戶提供大棚現場智能控制服務。系統按主要功能分為數據采集模塊、網絡通信模塊、語音控制模塊和遠程控制模塊四部分。設計以Arm處理作為主控板，無線通信模塊選用價格低廉、兼容性高的ESP8266模塊，數據采集模塊主要有溫濕度傳感器和光照傳感器，應用層實現基于中間件的數據監測、數據展示和遠程控制，基于LD3320的語音控制和自動補光三個主要功能。系統結構圖如圖1所示[1]。

圖1 系統結構圖

3 硬件平臺設計

實驗平臺以ARM架構處理器的最小系統為主控板，采用5V直流供電，集成DS18B20、BH1750P溫度和數字式光照傳感器，WiFi無線通信模塊，語音識別模塊等，學習者綜合運用所謂知識，舉一反三，利用主控板豐富的接口資源擴展其他功能[3]。

3.1 主控模塊

STM32F407 VET6是基于ARM-Coretex M3內核的32位多RISC型高性能微處理器，在目前的實時物聯網應用中占有一定的市場，將其作為實驗主控模塊，可以幫助學生掌握實際生產需要的技能，為將來就業打好基礎。處理器具有512KB的Flash程序存儲空間和192KB的RAM數據存儲空間，GPIO資源豐富，各種功能接口齊全，包括多組 I2C、SPI、CANBUS、USART 數據接口，兩個12位1-Msample/s模數轉換通道、多路GPIO接口、內置10個定時器等，具有較好的經濟性和兼容性，能夠滿足多數實時物聯網應用終端的需求。

3.2 語音模塊

LD3320提供基于“關鍵詞語列表”和ASR識別技術的語音識別、聲控、人機對話等應用功能，能夠實現非特定人語音識別，通過音頻接收器捕捉語音信號，經過內部程序分析處理后，通過SPI通信接口將識別結果返回給主控模塊。LD3320采用3.3V供電，內部集成有快速穩定的優化算法，不需外接 Flash和RAM等存儲設備，識別功能穩定，準確率較高。LD3320語音識別模塊的識別基本原理如圖2所示。

圖2 語音識別模塊原理圖

3.3 通訊模塊

ESP8266是功耗低，集成度高的WiFi芯片，工作電壓3.3V，該模組有多個不同的版本，最小封裝尺寸僅為5mm×5mm，設計使用基礎版ESP8266-01S。該模組板載射頻和功放、天線、低噪放大器與濾波器等單元，有六個引腳，支持UART、I2C、SPI通信方式，實驗中采用UART通信方式。ESP826模塊支持三種工作模式：SoftAP模式、Station模式、SoftAP+Station模式，通過標準AT指令設置選擇工作模式和指定服務器或者客戶端建立TCP/UDP等連接。

3.4 數據采集模塊

感知層采用DS18B20數字式溫度傳感器和BH1750環境光傳感器采集環境數據進行環境數據采用，模塊分別應用為GPIO和IIC接口，硬件結構簡單，占用接口資源少，使用時不需要設計外圍電路。傳感器和主控板的硬件連接如圖3所示。

圖3 傳感器與主控板連接圖

4 系統程序設計

設計采用C語言作為編程語言，C語言擁有很強的可移植性，采用eclipse，作為開發環境，eclipse在C語言的編譯、檢查、幫助等各方面性能優秀，且具有較好的擴展性和兼容性，代碼補全和排版，代碼折疊和跟蹤等功能為使用者提供良好的編程體驗。

4.1 主程序流程設計

程序流程如圖4所示，系統復位后先進行一系列的初始化設置，包括BH1750和DS18B20模塊初始化、通信端口初始化、WiFi參數配置、LD3320參數配置、RTC參數配置等。初始化結束后，程序首先判斷語音模塊是否接收到控制指令，若有則進入語音交互子程序中，用戶可以在現場進行語音交互，獲得環境數據；若無則判斷預先設定的RTC時間條件，若滿足間隔時間，即通過WiFi模塊主動將環境數據發送至物聯網中間件平臺，使得用戶可以遠程監測查看大棚數據[4]。

圖4 程序流程圖

中間件平臺采用機智云實現設備接入，機智云是國內應用廣泛的開放物聯網平臺，為用戶提供終端接入、數據管理、數據展示和數據遠程交互等功能，功能完善、界面友好、操作方便，對用戶具有很強的實用價值，對開發者提供有價值的參考模板。

4.2 語音交互子程序

語音交互子程序根據接收的語音信號，主要完成當前環境溫濕度和光照度信息的播報和語音控制補光的功能（圖5）。此外，程序還提供閾值報警接口函數，系統擴展人體檢測模塊后，當檢測到大棚內有人進入，則自動播報當前環境數據，并根據設定的閾值發出報警提示信息[5]。

圖5 語音交互子程序流程流程圖

5 結論

本文設計的智慧大棚語音控制系統實驗，能夠實現基于物聯網中間件遠程監測數據與基于語音識別模塊進行大棚現場語音交互的功能，學生通過項目實踐深入理解物聯網技術在智慧農業領域的應用模型，掌握開發基本技術和一般流程。該實驗與實際生產應用緊密結合，綜合性較強，能夠提升學生應用所學知識解決實際問題的能力。