新型化語音控制“智慧蔬菜大棚”管理系統的設計*

王鵬亮，夏永祥，安國昊

（甘肅機電職業技術學院，甘肅 天水 741001）

0 引言

科技創新是帶動經濟高速發展的主要保障，進入新世紀，我國進一步加大了科研經費的投入。網絡技術、物聯網技術、人工智能技術的迅速發展，極大地促進了新型電子設備的研發，而且網絡技術、物聯網技術、人工智能技術在新型電子設備的生產中快速融合，相互促進，都取得到了長足進步。與此同時，資源的短缺、環境的惡化、生態的破壞加劇了人類的生存緊迫感，改善科技創新生態是新世紀的科技發展的主要命題。為響應國家“綠色產業、生態環保、智慧農業”的號召，本課題組研究設計了一款基于5G網絡新型化“智慧蔬菜大棚”管理的系統，該系統在Arduino開發板上主要集成了語音識別控制模塊、光能蓄電模塊、5G網絡模塊。仿真結果表明，該系統實現了蔬菜大棚管理的語音控制功能，真正實現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

現今，我國大棚蔬菜種植絕大多數仍屬于勞動密集型產業，為小農經濟模式，人力投入成本高，收益卻相對較少，使得蔬菜大棚種植業很難大范圍推廣。使高投入、低收入的小農經濟模式得到扭轉，推動蔬菜大棚種植業由勞動密集型向技術密集型轉化，是新世紀蔬菜大棚種植業發展的必然趨勢[2]，也是本課題組“智慧蔬菜大棚”研究的意義。實踐研究表明，本課題組的研究可以改變小農經濟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，實現以下功能：1）自動檢測溫度值、濕度值、光照強度和空氣中氧氣、二氧化碳濃度；2）根據需要進行溫度、濕度的自動調節；3）根據溫度和光照強度智能卷、放保溫層；4）根據溫度高低自動打開或關閉大型風扇實現智能通風；5）進行網絡遠程遙控。

2 我國物聯網蔬菜大棚現狀分析

習近平總書記在去年的中央農村工作會議上指出，全面推進鄉村振興，加快農業農村現代化，全黨務必充分認識新發展階段做好“三農”工作的重要性和緊迫性，舉全黨全社會之力推動鄉村振興，促進農業高質高效、鄉村宜居宜業、農民富裕富足[3]。正如習總書記所強調的那樣，要想農民富裕，離不開農業的高科技發展。現今，隨著科技高速發展，農業的發展已經局部實現了信息化、智能化，而且物聯網技術在農業的應用范圍中在逐年推廣和快速發展，而物聯網蔬菜大棚就是物聯網技術在農業應用中的一個典型案例。可以這樣說，我國在物聯網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。

1）數據傳輸不穩定。蔬菜大棚中各個區域需要安裝各種傳感器，傳感器類型多、節點多造成數據龐大，采集難度大。由于大多蔬菜大棚種植是在農村，地處偏遠山區，往往4G網絡信號不太好，造成傳感器采集的數據傳輸不穩定而且傳輸速度較慢。

2）缺少語音控制功能。人機對話和語音控制是近年來新型電子產品的成果，物聯網蔬菜大棚中還未使用該功能，系統運行還未實現語音控制。

3）缺少蓄電和供電功能。當外界電源意外斷電時，蔬菜大棚整個系統處于癱瘓狀態，給系統正常運行和生產帶來損失[4]。

3 語音控制“智慧蔬菜大棚”系統設計

3.1 5GWiFi網絡模塊

將5GWiFi網絡模塊集成在Arduino主板的網絡接口上，使整個蔬菜大棚實現5G無線網絡信號全覆蓋，Arduino微處理系統通過5G無線網絡接收傳感器采集的所有數據，然后，Arduino微處理系統根據預案庫中的事件處理機制進行相應處理。管理員可以用移動終端或電腦連接5G網絡，利用移動終端或電腦對在大棚任何區域進行檢視，并且控制系統運行[5]。5GWiFi網絡模塊工作示意圖如圖1所示。

圖1 5G網絡模塊工作示意圖

3.2 ASIC語音識別控制模塊

ASIC語音控制模塊是本系統創新亮點所在。該語音控制模塊大體由四個小模塊和一個語音庫組成，四個小模塊分別是語音采集模塊、語音初期處理模塊、語音識別模塊和語音指令模塊。

語音采集模塊是將采集的語音信號轉換成語音脈沖序列儲存起來，主要處理過程有采集原始語音信號、A/D轉換和信號調頻。語音初期處理模塊是濾除干擾信號，同時將語音特征碼矢量化和提取，再將提取的語音特征碼量化成標準語音特征矢量，主要處理過程有初步處理語音脈沖信號、提取特征碼、量化矢量值。語音識別模塊的是將采集的標準語音特征矢量值與標準語音矢量庫中的語音模型進行比較，以確定當前語音指令的內容。因此，該模塊主要處理過程有語音矢量值的參數評估和指令匹配。語音指令模塊的主要作用是系統依據語音指令進行相關操作并完成系統相關功能[6]。ASIC語音控制工作流程如圖2所示。

圖2 ASIC語音控制工作流程圖

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，太陽能光伏板將光能轉換為電能，由充放電控制器控制轉存到鋰電池中，當鋰電池充電完畢則自動斷開充電電路，不再充電。通過液晶顯示器實時顯示電量和充電進度。然后，蓄電池中的電能通過放電裝置轉換為恒壓直流電接到Arduino主板上，給Arduino系統正常工作提供電能[7]。光能蓄電模塊工作原理如圖3所示。

3.4 Arduino主板的功能擴展

Arduino主板作為整個系統各模塊的母板，集成了所有的功能模塊。作為系統的核心和處理中心的Arduino微處理系統，協調和控制這整個蔬菜大棚系統的正常運作，實現各模塊的功能和系統的整體功能[5]。Arduino微處理系統工作原理圖如圖4所示。

圖4 Arduino微處理系統工作原理圖

4 結語

為了響應國家倡導的科技興國、創新發展，農業逐步實現了信息化、智能化，同時也拓寬了物聯網在農業中的應用。本項目論述了應用高科技集成技術手段，在Arduino主板上集成了5GWiFi網絡模塊、語音識別控制模塊和光能蓄電模塊，實現了蔬菜大棚管理的新型化、智能化和便捷化。本系統的研究與設計也適應現今電子產品發展的主流趨勢和我國發展“智慧農業”的要求。