新型化語(yǔ)音控制“智慧蔬菜大棚”管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

王鵬亮，夏永祥，安國(guó)昊

（甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741001）

0 引言

科技創(chuàng)新是帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的主要保障，進(jìn)入新世紀(jì)，我國(guó)進(jìn)一步加大了科研經(jīng)費(fèi)的投入。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，極大地促進(jìn)了新型電子設(shè)備的研發(fā)，而且網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)在新型電子設(shè)備的生產(chǎn)中快速融合，相互促進(jìn)，都取得到了長(zhǎng)足進(jìn)步。與此同時(shí)，資源的短缺、環(huán)境的惡化、生態(tài)的破壞加劇了人類(lèi)的生存緊迫感，改善科技創(chuàng)新生態(tài)是新世紀(jì)的科技發(fā)展的主要命題。為響應(yīng)國(guó)家“綠色產(chǎn)業(yè)、生態(tài)環(huán)保、智慧農(nóng)業(yè)”的號(hào)召，本課題組研究設(shè)計(jì)了一款基于5G網(wǎng)絡(luò)新型化“智慧蔬菜大棚”管理的系統(tǒng)，該系統(tǒng)在Arduino開(kāi)發(fā)板上主要集成了語(yǔ)音識(shí)別控制模塊、光能蓄電模塊、5G網(wǎng)絡(luò)模塊。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了蔬菜大棚管理的語(yǔ)音控制功能，真正實(shí)現(xiàn)了蔬菜大棚管理的智能化和便捷化[1]。

1 “智慧蔬菜大棚”研究的意義

現(xiàn)今，我國(guó)大棚蔬菜種植絕大多數(shù)仍屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，為小農(nóng)經(jīng)濟(jì)模式，人力投入成本高，收益卻相對(duì)較少，使得蔬菜大棚種植業(yè)很難大范圍推廣。使高投入、低收入的小農(nóng)經(jīng)濟(jì)模式得到扭轉(zhuǎn)，推動(dòng)蔬菜大棚種植業(yè)由勞動(dòng)密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)化，是新世紀(jì)蔬菜大棚種植業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[2]，也是本課題組“智慧蔬菜大棚”研究的意義。實(shí)踐研究表明，本課題組的研究可以改變小農(nóng)經(jīng)濟(jì)模式下人工蔬菜大棚種植的缺陷，有效減少人工成本和其他投資，實(shí)現(xiàn)以下功能：1）自動(dòng)檢測(cè)溫度值、濕度值、光照強(qiáng)度和空氣中氧氣、二氧化碳濃度；2）根據(jù)需要進(jìn)行溫度、濕度的自動(dòng)調(diào)節(jié)；3）根據(jù)溫度和光照強(qiáng)度智能卷、放保溫層；4）根據(jù)溫度高低自動(dòng)打開(kāi)或關(guān)閉大型風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)智能通風(fēng)；5）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程遙控。

2 我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)蔬菜大棚現(xiàn)狀分析

習(xí)近平總書(shū)記在去年的中央農(nóng)村工作會(huì)議上指出，全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興，加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化，全黨務(wù)必充分認(rèn)識(shí)新發(fā)展階段做好“三農(nóng)”工作的重要性和緊迫性，舉全黨全社會(huì)之力推動(dòng)鄉(xiāng)村振興，促進(jìn)農(nóng)業(yè)高質(zhì)高效、鄉(xiāng)村宜居宜業(yè)、農(nóng)民富裕富足[3]。正如習(xí)總書(shū)記所強(qiáng)調(diào)的那樣，要想農(nóng)民富裕，離不開(kāi)農(nóng)業(yè)的高科技發(fā)展。現(xiàn)今，隨著科技高速發(fā)展，農(nóng)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)局部實(shí)現(xiàn)了信息化、智能化，而且物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)的應(yīng)用范圍中在逐年推廣和快速發(fā)展，而物聯(lián)網(wǎng)蔬菜大棚就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的一個(gè)典型案例。可以這樣說(shuō)，我國(guó)在物聯(lián)網(wǎng)蔬菜大棚種植方面的研究已處于世界前列，可仍存在一些不足，需要改進(jìn)。

1）數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定。蔬菜大棚中各個(gè)區(qū)域需要安裝各種傳感器，傳感器類(lèi)型多、節(jié)點(diǎn)多造成數(shù)據(jù)龐大，采集難度大。由于大多蔬菜大棚種植是在農(nóng)村，地處偏遠(yuǎn)山區(qū)，往往4G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不太好，造成傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定而且傳輸速度較慢。

2）缺少語(yǔ)音控制功能。人機(jī)對(duì)話(huà)和語(yǔ)音控制是近年來(lái)新型電子產(chǎn)品的成果，物聯(lián)網(wǎng)蔬菜大棚中還未使用該功能，系統(tǒng)運(yùn)行還未實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制。

3）缺少蓄電和供電功能。當(dāng)外界電源意外斷電時(shí)，蔬菜大棚整個(gè)系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)，給系統(tǒng)正常運(yùn)行和生產(chǎn)帶來(lái)?yè)p失[4]。

3 語(yǔ)音控制“智慧蔬菜大棚”系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 5GWiFi網(wǎng)絡(luò)模塊

將5GWiFi網(wǎng)絡(luò)模塊集成在Arduino主板的網(wǎng)絡(luò)接口上，使整個(gè)蔬菜大棚實(shí)現(xiàn)5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)全覆蓋，Arduino微處理系統(tǒng)通過(guò)5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接收傳感器采集的所有數(shù)據(jù)，然后，Arduino微處理系統(tǒng)根據(jù)預(yù)案庫(kù)中的事件處理機(jī)制進(jìn)行相應(yīng)處理。管理員可以用移動(dòng)終端或電腦連接5G網(wǎng)絡(luò)，利用移動(dòng)終端或電腦對(duì)在大棚任何區(qū)域進(jìn)行檢視，并且控制系統(tǒng)運(yùn)行[5]。5GWiFi網(wǎng)絡(luò)模塊工作示意圖如圖1所示。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)模塊工作示意圖

3.2 ASIC語(yǔ)音識(shí)別控制模塊

ASIC語(yǔ)音控制模塊是本系統(tǒng)創(chuàng)新亮點(diǎn)所在。該語(yǔ)音控制模塊大體由四個(gè)小模塊和一個(gè)語(yǔ)音庫(kù)組成，四個(gè)小模塊分別是語(yǔ)音采集模塊、語(yǔ)音初期處理模塊、語(yǔ)音識(shí)別模塊和語(yǔ)音指令模塊。

語(yǔ)音采集模塊是將采集的語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換成語(yǔ)音脈沖序列儲(chǔ)存起來(lái)，主要處理過(guò)程有采集原始語(yǔ)音信號(hào)、A/D轉(zhuǎn)換和信號(hào)調(diào)頻。語(yǔ)音初期處理模塊是濾除干擾信號(hào)，同時(shí)將語(yǔ)音特征碼矢量化和提取，再將提取的語(yǔ)音特征碼量化成標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)音特征矢量，主要處理過(guò)程有初步處理語(yǔ)音脈沖信號(hào)、提取特征碼、量化矢量值。語(yǔ)音識(shí)別模塊的是將采集的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)音特征矢量值與標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)音矢量庫(kù)中的語(yǔ)音模型進(jìn)行比較，以確定當(dāng)前語(yǔ)音指令的內(nèi)容。因此，該模塊主要處理過(guò)程有語(yǔ)音矢量值的參數(shù)評(píng)估和指令匹配。語(yǔ)音指令模塊的主要作用是系統(tǒng)依據(jù)語(yǔ)音指令進(jìn)行相關(guān)操作并完成系統(tǒng)相關(guān)功能[6]。ASIC語(yǔ)音控制工作流程如圖2所示。

圖2 ASIC語(yǔ)音控制工作流程圖

3.3 光能蓄電模塊

光能蓄電模塊主要由太陽(yáng)能光伏板、鋰蓄電池、充放電控制器和交流逆變電源組成。首先，太陽(yáng)能光伏板將光能轉(zhuǎn)換為電能，由充放電控制器控制轉(zhuǎn)存到鋰電池中，當(dāng)鋰電池充電完畢則自動(dòng)斷開(kāi)充電電路，不再充電。通過(guò)液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示電量和充電進(jìn)度。然后，蓄電池中的電能通過(guò)放電裝置轉(zhuǎn)換為恒壓直流電接到Arduino主板上，給Arduino系統(tǒng)正常工作提供電能[7]。光能蓄電模塊工作原理如圖3所示。

3.4 Arduino主板的功能擴(kuò)展

Arduino主板作為整個(gè)系統(tǒng)各模塊的母板，集成了所有的功能模塊。作為系統(tǒng)的核心和處理中心的Arduino微處理系統(tǒng)，協(xié)調(diào)和控制這整個(gè)蔬菜大棚系統(tǒng)的正常運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)各模塊的功能和系統(tǒng)的整體功能[5]。Arduino微處理系統(tǒng)工作原理圖如圖4所示。

圖4 Arduino微處理系統(tǒng)工作原理圖

4 結(jié)語(yǔ)

為了響應(yīng)國(guó)家倡導(dǎo)的科技興國(guó)、創(chuàng)新發(fā)展，農(nóng)業(yè)逐步實(shí)現(xiàn)了信息化、智能化，同時(shí)也拓寬了物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。本項(xiàng)目論述了應(yīng)用高科技集成技術(shù)手段，在Arduino主板上集成了5GWiFi網(wǎng)絡(luò)模塊、語(yǔ)音識(shí)別控制模塊和光能蓄電模塊，實(shí)現(xiàn)了蔬菜大棚管理的新型化、智能化和便捷化。本系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)也適應(yīng)現(xiàn)今電子產(chǎn)品發(fā)展的主流趨勢(shì)和我國(guó)發(fā)展“智慧農(nóng)業(yè)”的要求。