基于機智云平臺的高效溫濕度智能測控系統研發

張鵬超，陳鵬，朱喜安，郭俊豪，胡安正，安忙忙

（湖北文理學院 物理與電子工程學院，湖北襄陽，441053）

0 引言

隨著信息技術和社會的不斷發展，人們對于室內溫濕度的控制也提出了更高的要求，尤其對于環境溫濕度的控制方面，一個合適的環境溫濕度可以給人以更加舒適的生活體驗。此外，目前大棚養殖等農業應用領域，許多工作仍然依賴人工操作?，F代加濕器在檢測精度、控制方式和應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問題。對此，本系統基于室內溫濕度測控技術研發了一款基于機智云平臺在室內環境下可通過WiFi 網絡，語音，按鍵等多種智能操控方式、精準檢測、快速響應功能的溫濕度測控系統。當溫度、濕度不符合用戶的需求時，可以實現對設備的自動控制，使環境信息滿足用戶需求[1]。本系統對濕度的智能控制速度和加濕效率的優勢也是十分突出的。

1 高效溫濕度測控系統總體設計思路

本系統采用機智云平臺APP、WiFi 模塊、語音識別模塊、語音合成模塊、微處理器、濕度傳感器和加濕除濕模塊設計了一套可通過WiFi 網絡對室內溫濕度進行實時監測、實時調節、報警提示的智能溫濕度檢測系統。主控制器采用價格低廉、性能高的STM32F103 作為主控芯片[2]。系統控制方式可以分為三種：通過機智云平臺開發APP 借助WIFI 網絡、使用語音以及按鍵控制MCU，MCU 從而對各個傳感器進行控制，實現對目標濕度的設定、調節等功能，當環境的濕度過高或者過低都會進行相應的報警提示。圖1 展示了本系統的總體方案框圖。

圖1 系統總體方案框圖

2 測控系統的器件選用及結構搭建

■2.1 MCU 主控模塊

本次選用的微控制器意法半導體公司生產的STM32F103RCT6。這款控制芯片的內核規格為是32 位的，主頻頻率72MHz，程序的內存類型為flash，具有256KB的閃存存儲器，以及48KB 的SRAM 隨機存儲器。這款芯片不僅開發簡單，而且成本代價低。STM32F103RCT6[3]采用的Cortex-M3 內核使用哈佛結構，數據和程序代碼獨立存儲，指令總線和數據總線也是相互獨立互不干擾的。這種結構使得數據的讀取時間大大縮減，工作效率大大提高，性能也得到了很大程度上的提高，同時各個總線接口可以并行運行。

■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優點：它直接通過串口實現透傳方便接入單片機；模塊的封裝設計十分精巧方便安裝拆卸；此模塊針對物聯網應用設計，可以將電氣設備通過此模塊連接到互聯網或本地通信網絡上從而實現網絡功能。

圖2 ESP8266WiFi 模塊

■2.3 語音識別模塊

本次項目使用的語音識別模塊采用芯片是深圳市中原嵌入式科技有限公司開發的LD3320，如圖3 所示。該模塊配備了一個單片機(STC11L60XE)，允許通過SPI 和LD3320 模塊識別語音模塊功能。該款單片機有16 個單片機IO 口，因此模塊無需借助其他處理器，可以單獨完成語音識別和輸出操作。當借助其他單片機和開發板，可以通過串口的形式進行數據傳輸。

圖3 LD3320 語音識別模塊

■2.4 語音合成模塊

此次用于語音播報的模塊選擇的是SYN6288 語音合成模塊。本文通過語音合成模塊與單片機、揚聲器配合使用，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出來，再加上語音識別模塊進而實現了人機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)，然后將產生的超高頻信號傳輸到霧化片上，帶動霧化片的超頻震動，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，最后通過風機將產生小水珠吹出帶入到外部空氣當中，從而增加環境的濕度，達到加濕的目的[4]。因為此過程中所用的超頻信號為1.7MHz 超出了人的耳覺的聽覺范圍，所以沒有噪音的產生，從而實現均勻加濕，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。

此項目的使用的加濕模塊，如圖5 所示，采用USB 供電，模塊的驅動電壓只有5V，功耗小，產生的高頻波形更加的穩定，5 微米的超細噴霧孔徑。

圖5 超聲波加濕模塊

采用超聲波式的加濕模塊，充分利用其加濕強度大，加濕均勻的特點實現環境濕度的快速提升，從而大幅地縮短了濕度的調控時間，并通過計算目標濕度與外部環境濕度差值，進行濕度預估，提前調控的方法提高了對濕度的調控精度，成功將濕度誤差控制在3%以內。為大棚，糧倉，以及各類濕度要求較高的室內空間實現對環境濕度進行快速、高效、精準、可靠的控制提供了一套具備一定實用價值的解決方案。

3 機智云物聯網平臺的運用

■3.1 機智云平臺簡介

機智云是一個專門針對物聯網和云服務設計的開發平臺，旨在為用戶提供云端服務和智能硬件開發工具，使開發者能夠減小對物聯網平臺的開發門檻，縮短產品研發周期、降低開發成本、提高開發效率。此外，機智云平臺還提供二次開發的Gagent，無需用戶維護IaaS 平臺，幫助企業和開發者更好地服務大眾[5]。

本系統可以通過機智云平臺選定硬件平臺，以及方案類型，生成MCU 在開發過程中所需要的代碼，實現機智云平臺與MCU 的快速接入。因此可以跳過通訊協議，通過移植生成的源碼便可快速開發硬件程序以實時精準地測控溫濕度。圖6 為機智云平臺架構原理示意圖。

圖6 機智云平臺架構原理示意圖

■3.2 應用開發

機智云平臺根據用戶所使用的平臺，選擇所需要的平臺源碼，能夠自動生成App 的源碼，打包后便可直接安裝到手機上運行。用戶也可以在源碼的基礎上自行修改，通過自己的創意來設計APP，從而實現更好的用戶體驗或提高應用的質量。圖7 和圖8 分別為機智云平臺應用的開發及本系統所用應用的部分頁面。

圖7 應用開發平臺的選擇及源碼生成

圖8 本系統應用的部分頁面

4 軟件及算法設計

■4.1 軟件設計總體方案

本次項目用到的所有算法包括語音播報控制、數據處理、事件處理邏輯、語音識別控制、按鍵掃描及關鍵詞等算法。圖9 為系統軟件設計總體方案。

圖9 系統軟件及算法結構

■4.2 語音播報控制

語音播報控制算法的思想主要是通過系統的狀態以及單片機采集到的一些溫濕度信息，根據設定的控制標志位狀態進行反饋，配合語音識別模塊形成人機交互的效果。當單片機接收到語音識別模塊發來的標志符時，就會按照設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行語音的合成以及播報。當利用手機端，按鍵，或者語音控制系統狀態變化時語音模塊也會相應地進行語音提示。

■4.3 數據處理

用戶數據處理的主要任務是根據溫濕度模塊獲取的外界溫濕度數據點進行處理，并根據濕度調控開關，警報開關的狀態，以及設定的目標濕度，濕度報警閾值的上下限控制加濕模塊，風扇，蜂鳴器的工作狀態從而達到濕度控制，濕度報警的效果。加濕時風扇和加濕模塊同時工作從而使得加濕更加地均勻，在除濕時，只需讓風扇工作即可達到除濕的效果。

■4.4 關鍵詞添加

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

■4.5 語音識別控制端

此次使用的語音識別模塊上搭載有一個單片機(STC11L60XE),STC11L60XE 和LD3320 語音識別模塊通過SPI 通信，實現語音識別的功能。STC11L60XE 共引出16個IO 口,無需配套其他單片機即可獨立完成工作。當配合其他單片機、開發板使用時，可以對此模塊進行編程，添加關鍵詞，識別碼處理事件等，然后利用模塊的串口輸出功能進行通訊數據傳輸。

5 溫濕度測控系統實物展示

基于上述有關原理的探究、系統整體設計和軟硬件開發，設計并研發出一款基于機智云平臺在室內環境下可通過WiFi 網絡，語音，按鍵等多種智能操控方式、精準檢測、快速響應功能的溫濕度測控系統。如圖10 和圖11 所示。

圖10 溫濕度測控系統實物正視

圖11 溫濕度測控系統實物側視圖

6 結束語

本文旨在介紹一個溫濕度測控系統，它主要解決以下問題：物聯網的快速搭建、個性化的手機應用程序設計、精準語音指令的識別以及快速濕度調節的能力。該系統能夠為大棚、糧倉和其他要求濕度較高的室內環境提供一套高效、精準、可靠的控制方案。本系統已實現了通過手機、語音控制和按鍵對環境濕度進行實時監控的目的。它的實用價值有一定提高，并可作為處理實際問題的解決方案，但在實際應用于各種溫室真實場景，甚至產品化過程中，還需進一步解決許多待解決的問題。