基于機(jī)智云平臺(tái)的高效溫濕度智能測控系統(tǒng)研發(fā)

張鵬超，陳鵬，朱喜安，郭俊豪，胡安正，安忙忙

（湖北文理學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，湖北襄陽，441053）

0 引言

隨著信息技術(shù)和社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對于室內(nèi)溫濕度的控制也提出了更高的要求，尤其對于環(huán)境溫濕度的控制方面，一個(gè)合適的環(huán)境溫濕度可以給人以更加舒適的生活體驗(yàn)。此外，目前大棚養(yǎng)殖等農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，許多工作仍然依賴人工操作?，F(xiàn)代加濕器在檢測精度、控制方式和應(yīng)用場景等方面還存在很多待探討的物理原理和急需解決的技術(shù)問題。對此，本系統(tǒng)基于室內(nèi)溫濕度測控技術(shù)研發(fā)了一款基于機(jī)智云平臺(tái)在室內(nèi)環(huán)境下可通過WiFi 網(wǎng)絡(luò)，語音，按鍵等多種智能操控方式、精準(zhǔn)檢測、快速響應(yīng)功能的溫濕度測控系統(tǒng)。當(dāng)溫度、濕度不符合用戶的需求時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的自動(dòng)控制，使環(huán)境信息滿足用戶需求[1]。本系統(tǒng)對濕度的智能控制速度和加濕效率的優(yōu)勢也是十分突出的。

1 高效溫濕度測控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

本系統(tǒng)采用機(jī)智云平臺(tái)APP、WiFi 模塊、語音識(shí)別模塊、語音合成模塊、微處理器、濕度傳感器和加濕除濕模塊設(shè)計(jì)了一套可通過WiFi 網(wǎng)絡(luò)對室內(nèi)溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)、報(bào)警提示的智能溫濕度檢測系統(tǒng)。主控制器采用價(jià)格低廉、性能高的STM32F103 作為主控芯片[2]。系統(tǒng)控制方式可以分為三種：通過機(jī)智云平臺(tái)開發(fā)APP 借助WIFI 網(wǎng)絡(luò)、使用語音以及按鍵控制MCU，MCU 從而對各個(gè)傳感器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)濕度的設(shè)定、調(diào)節(jié)等功能，當(dāng)環(huán)境的濕度過高或者過低都會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警提示。圖1 展示了本系統(tǒng)的總體方案框圖。

圖1 系統(tǒng)總體方案框圖

2 測控系統(tǒng)的器件選用及結(jié)構(gòu)搭建

■2.1 MCU 主控模塊

本次選用的微控制器意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103RCT6。這款控制芯片的內(nèi)核規(guī)格為是32 位的，主頻頻率72MHz，程序的內(nèi)存類型為flash，具有256KB的閃存存儲(chǔ)器，以及48KB 的SRAM 隨機(jī)存儲(chǔ)器。這款芯片不僅開發(fā)簡單，而且成本代價(jià)低。STM32F103RCT6[3]采用的Cortex-M3 內(nèi)核使用哈佛結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)和程序代碼獨(dú)立存儲(chǔ)，指令總線和數(shù)據(jù)總線也是相互獨(dú)立互不干擾的。這種結(jié)構(gòu)使得數(shù)據(jù)的讀取時(shí)間大大縮減，工作效率大大提高，性能也得到了很大程度上的提高，同時(shí)各個(gè)總線接口可以并行運(yùn)行。

■2.2 WiFi 模塊

本文選擇ESP8266，作為通信模塊組件，如圖2 所示，主要考慮到了其以下的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：它直接通過串口實(shí)現(xiàn)透傳方便接入單片機(jī)；模塊的封裝設(shè)計(jì)十分精巧方便安裝拆卸；此模塊針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，可以將電氣設(shè)備通過此模塊連接到互聯(lián)網(wǎng)或本地通信網(wǎng)絡(luò)上從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能。

圖2 ESP8266WiFi 模塊

■2.3 語音識(shí)別模塊

本次項(xiàng)目使用的語音識(shí)別模塊采用芯片是深圳市中原嵌入式科技有限公司開發(fā)的LD3320，如圖3 所示。該模塊配備了一個(gè)單片機(jī)(STC11L60XE)，允許通過SPI 和LD3320 模塊識(shí)別語音模塊功能。該款單片機(jī)有16 個(gè)單片機(jī)IO 口，因此模塊無需借助其他處理器，可以單獨(dú)完成語音識(shí)別和輸出操作。當(dāng)借助其他單片機(jī)和開發(fā)板，可以通過串口的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 LD3320 語音識(shí)別模塊

■2.4 語音合成模塊

此次用于語音播報(bào)的模塊選擇的是SYN6288 語音合成模塊。本文通過語音合成模塊與單片機(jī)、揚(yáng)聲器配合使用，將獲取到的溫濕度信息以及MCU 控制信息以語音的形式播報(bào)出來，再加上語音識(shí)別模塊進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了人機(jī)語音信息交互的效果。對于此模塊的具體工作流程，如圖4 所示。

圖4 SYN6288 模塊工作流程圖

■2.5 加濕模塊

超聲波加濕器，工作原理是通過產(chǎn)生高頻的震蕩信號(其振蕩頻率通常為1.7MHz 或2.4MHz)，然后將產(chǎn)生的超高頻信號傳輸?shù)届F化片上，帶動(dòng)霧化片的超頻震動(dòng)，從而將霧化片的水打散成直徑在5 微米左右的小水珠懸浮在空中，最后通過風(fēng)機(jī)將產(chǎn)生小水珠吹出帶入到外部空氣當(dāng)中，從而增加環(huán)境的濕度，達(dá)到加濕的目的[4]。因?yàn)榇诉^程中所用的超頻信號為1.7MHz 超出了人的耳覺的聽覺范圍，所以沒有噪音的產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)均勻加濕，使得人體感受更加舒適，并且此過程中也使得空氣更加的清新，有利于人體的健康。

此項(xiàng)目的使用的加濕模塊，如圖5 所示，采用USB 供電，模塊的驅(qū)動(dòng)電壓只有5V，功耗小，產(chǎn)生的高頻波形更加的穩(wěn)定，5 微米的超細(xì)噴霧孔徑。

圖5 超聲波加濕模塊

采用超聲波式的加濕模塊，充分利用其加濕強(qiáng)度大，加濕均勻的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)環(huán)境濕度的快速提升，從而大幅地縮短了濕度的調(diào)控時(shí)間，并通過計(jì)算目標(biāo)濕度與外部環(huán)境濕度差值，進(jìn)行濕度預(yù)估，提前調(diào)控的方法提高了對濕度的調(diào)控精度，成功將濕度誤差控制在3%以內(nèi)。為大棚，糧倉，以及各類濕度要求較高的室內(nèi)空間實(shí)現(xiàn)對環(huán)境濕度進(jìn)行快速、高效、精準(zhǔn)、可靠的控制提供了一套具備一定實(shí)用價(jià)值的解決方案。

3 機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的運(yùn)用

■3.1 機(jī)智云平臺(tái)簡介

機(jī)智云是一個(gè)專門針對物聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)設(shè)計(jì)的開發(fā)平臺(tái)，旨在為用戶提供云端服務(wù)和智能硬件開發(fā)工具，使開發(fā)者能夠減小對物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的開發(fā)門檻，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高開發(fā)效率。此外，機(jī)智云平臺(tái)還提供二次開發(fā)的Gagent，無需用戶維護(hù)IaaS 平臺(tái)，幫助企業(yè)和開發(fā)者更好地服務(wù)大眾[5]。

本系統(tǒng)可以通過機(jī)智云平臺(tái)選定硬件平臺(tái)，以及方案類型，生成MCU 在開發(fā)過程中所需要的代碼，實(shí)現(xiàn)機(jī)智云平臺(tái)與MCU 的快速接入。因此可以跳過通訊協(xié)議，通過移植生成的源碼便可快速開發(fā)硬件程序以實(shí)時(shí)精準(zhǔn)地測控溫濕度。圖6 為機(jī)智云平臺(tái)架構(gòu)原理示意圖。

圖6 機(jī)智云平臺(tái)架構(gòu)原理示意圖

■3.2 應(yīng)用開發(fā)

機(jī)智云平臺(tái)根據(jù)用戶所使用的平臺(tái)，選擇所需要的平臺(tái)源碼，能夠自動(dòng)生成App 的源碼，打包后便可直接安裝到手機(jī)上運(yùn)行。用戶也可以在源碼的基礎(chǔ)上自行修改，通過自己的創(chuàng)意來設(shè)計(jì)APP，從而實(shí)現(xiàn)更好的用戶體驗(yàn)或提高應(yīng)用的質(zhì)量。圖7 和圖8 分別為機(jī)智云平臺(tái)應(yīng)用的開發(fā)及本系統(tǒng)所用應(yīng)用的部分頁面。

圖7 應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)的選擇及源碼生成

圖8 本系統(tǒng)應(yīng)用的部分頁面

4 軟件及算法設(shè)計(jì)

■4.1 軟件設(shè)計(jì)總體方案

本次項(xiàng)目用到的所有算法包括語音播報(bào)控制、數(shù)據(jù)處理、事件處理邏輯、語音識(shí)別控制、按鍵掃描及關(guān)鍵詞等算法。圖9 為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體方案。

圖9 系統(tǒng)軟件及算法結(jié)構(gòu)

■4.2 語音播報(bào)控制

語音播報(bào)控制算法的思想主要是通過系統(tǒng)的狀態(tài)以及單片機(jī)采集到的一些溫濕度信息，根據(jù)設(shè)定的控制標(biāo)志位狀態(tài)進(jìn)行反饋，配合語音識(shí)別模塊形成人機(jī)交互的效果。當(dāng)單片機(jī)接收到語音識(shí)別模塊發(fā)來的標(biāo)志符時(shí)，就會(huì)按照設(shè)定文本信息以及采集到的溫濕度信息控制語音合成模塊進(jìn)行語音的合成以及播報(bào)。當(dāng)利用手機(jī)端，按鍵，或者語音控制系統(tǒng)狀態(tài)變化時(shí)語音模塊也會(huì)相應(yīng)地進(jìn)行語音提示。

■4.3 數(shù)據(jù)處理

用戶數(shù)據(jù)處理的主要任務(wù)是根據(jù)溫濕度模塊獲取的外界溫濕度數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行處理，并根據(jù)濕度調(diào)控開關(guān)，警報(bào)開關(guān)的狀態(tài)，以及設(shè)定的目標(biāo)濕度，濕度報(bào)警閾值的上下限控制加濕模塊，風(fēng)扇，蜂鳴器的工作狀態(tài)從而達(dá)到濕度控制，濕度報(bào)警的效果。加濕時(shí)風(fēng)扇和加濕模塊同時(shí)工作從而使得加濕更加地均勻，在除濕時(shí)，只需讓風(fēng)扇工作即可達(dá)到除濕的效果。

■4.4 關(guān)鍵詞添加

關(guān)鍵詞添加算法的思想是提前將指令語句的拼音添加到關(guān)鍵詞列表，并與相應(yīng)的識(shí)別碼進(jìn)行一一映射。當(dāng)識(shí)別模塊識(shí)別到外界的語音信息中有與設(shè)定的關(guān)鍵詞相似的頻率的聲波信號時(shí)，就會(huì)匹配關(guān)鍵詞語列表中的關(guān)鍵詞，將關(guān)鍵字列表中得分最高的關(guān)鍵詞語找出并映射到相應(yīng)的識(shí)別碼，然后執(zhí)行相應(yīng)操作。

■4.5 語音識(shí)別控制端

此次使用的語音識(shí)別模塊上搭載有一個(gè)單片機(jī)(STC11L60XE),STC11L60XE 和LD3320 語音識(shí)別模塊通過SPI 通信，實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別的功能。STC11L60XE 共引出16個(gè)IO 口,無需配套其他單片機(jī)即可獨(dú)立完成工作。當(dāng)配合其他單片機(jī)、開發(fā)板使用時(shí)，可以對此模塊進(jìn)行編程，添加關(guān)鍵詞，識(shí)別碼處理事件等，然后利用模塊的串口輸出功能進(jìn)行通訊數(shù)據(jù)傳輸。

5 溫濕度測控系統(tǒng)實(shí)物展示

基于上述有關(guān)原理的探究、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)和軟硬件開發(fā)，設(shè)計(jì)并研發(fā)出一款基于機(jī)智云平臺(tái)在室內(nèi)環(huán)境下可通過WiFi 網(wǎng)絡(luò)，語音，按鍵等多種智能操控方式、精準(zhǔn)檢測、快速響應(yīng)功能的溫濕度測控系統(tǒng)。如圖10 和圖11 所示。

圖10 溫濕度測控系統(tǒng)實(shí)物正視

圖11 溫濕度測控系統(tǒng)實(shí)物側(cè)視圖

6 結(jié)束語

本文旨在介紹一個(gè)溫濕度測控系統(tǒng)，它主要解決以下問題：物聯(lián)網(wǎng)的快速搭建、個(gè)性化的手機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)、精準(zhǔn)語音指令的識(shí)別以及快速濕度調(diào)節(jié)的能力。該系統(tǒng)能夠?yàn)榇笈?、糧倉和其他要求濕度較高的室內(nèi)環(huán)境提供一套高效、精準(zhǔn)、可靠的控制方案。本系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了通過手機(jī)、語音控制和按鍵對環(huán)境濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。它的實(shí)用價(jià)值有一定提高，并可作為處理實(shí)際問題的解決方案，但在實(shí)際應(yīng)用于各種溫室真實(shí)場景，甚至產(chǎn)品化過程中，還需進(jìn)一步解決許多待解決的問題。