基于人工智能的云花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

崔嬙

摘要：隨著人工智能的迅速發(fā)展和在各行各業(yè)中的廣泛應(yīng)用，電子寵物成為人們休閑、消除疲勞感、緩解身心壓力的重要措施。在這樣的背景下，云花卉成為人們新的電子寵物備受喜愛(ài)，因此云花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)入了全面深入的設(shè)計(jì)研究階段。在云花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，需要將濕度監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、光照監(jiān)測(cè)等功能融入系統(tǒng)中，根據(jù)系統(tǒng)中對(duì)花卉養(yǎng)護(hù)數(shù)值的設(shè)定來(lái)檢測(cè)環(huán)境，并借助系統(tǒng)快速完成相關(guān)信息的采集、上傳和存儲(chǔ)，以便及時(shí)補(bǔ)充花卉生長(zhǎng)對(duì)水分、陽(yáng)光以及通風(fēng)等方面的需求。同時(shí)，還可以通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別等功能，在環(huán)境數(shù)據(jù)異常的情況下啟動(dòng)語(yǔ)音提醒功能，以便用戶根據(jù)實(shí)際情況完成相應(yīng)操作，實(shí)現(xiàn)云花卉的有效養(yǎng)護(hù)。由此可見(jiàn)，基于對(duì)人工智能云花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究，可以從其研究意義和具體的設(shè)計(jì)內(nèi)容出發(fā)，探索并實(shí)現(xiàn)花卉的云養(yǎng)護(hù)。

關(guān)鍵詞：人工智能；云花卉；養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP18? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）08-0011-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

隨著現(xiàn)代生活節(jié)奏的加快，人們承受著巨大的身心壓力，容易產(chǎn)生負(fù)面情緒，進(jìn)而影響身心健康和人際關(guān)系的和諧發(fā)展。而美麗的花卉可以讓人心情愉悅，有助于緩解壓力。將花卉與科學(xué)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，使人們可以隨時(shí)觀賞并觀察花卉的生長(zhǎng)情況，美麗花卉的影響能夠使身心得到放松。同時(shí)，通過(guò)與花卉相處，工作和學(xué)習(xí)上的壓力和焦慮也會(huì)得到緩解。云花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)需要滿足用戶的養(yǎng)護(hù)需求，并在調(diào)節(jié)用戶心情的過(guò)程中讓用戶體驗(yàn)到養(yǎng)護(hù)花卉的樂(lè)趣。因此，在系統(tǒng)中增加花卉品種的介紹、養(yǎng)護(hù)要點(diǎn)等內(nèi)容，并在出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)發(fā)出語(yǔ)音警報(bào)，提醒用戶正確操作，以保證花卉始終在舒適的環(huán)境下生長(zhǎng)。因此，需要更多人參與人工智能的云花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，以提升養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值。

1 人工智能的云花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的意義

隨著智能化時(shí)代的到來(lái)，智能家居已經(jīng)逐步走進(jìn)了人們的生活，使人們擺脫了重復(fù)煩瑣的家務(wù)勞動(dòng)，從而提高了人們的生活質(zhì)量。在這樣的背景下，人們有了更高的精神追求，希望在放松的同時(shí)可以感受到生活的樂(lè)趣，從而推動(dòng)了電子寵物領(lǐng)域的發(fā)展。云花卉養(yǎng)護(hù)就是電子寵物的一種存在形式，加強(qiáng)對(duì)云花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究，能最大限度地發(fā)揮出該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，使其為用戶更好地服務(wù)，增加用戶對(duì)花卉的了解[1]。

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是為了實(shí)現(xiàn)云養(yǎng)花，從智能角度對(duì)花卉進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。借助傳感器檢測(cè)花卉土壤的濕度、環(huán)境溫度等指標(biāo)，并及時(shí)發(fā)送信號(hào)，實(shí)現(xiàn)智能澆水、通風(fēng)等功能。同時(shí)，云花卉養(yǎng)護(hù)也豐富了人們的休閑時(shí)光，并能夠在養(yǎng)護(hù)的過(guò)程中學(xué)習(xí)更多的花卉知識(shí)。因此，在人工智能時(shí)代加強(qiáng)云花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究，不斷優(yōu)化該系統(tǒng)的功能，為人們的業(yè)余生活增添更多樂(lè)趣。

2 基于人工智能的云花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體

基于人工智能的云花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的控制核心是單片機(jī)，主要裝置包括水位傳感器、水泵、控制器、太陽(yáng)能電池模塊、云端服務(wù)器、土壤濕度傳感器、溫濕度傳感器、語(yǔ)音電路、LED等（如圖1所示）。

第一，花卉生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)部分需要將單片機(jī)作為核心。主要借助藍(lán)牙和Wi-Fi技術(shù)將核心部分與其他監(jiān)測(cè)設(shè)備有效連接，調(diào)配花卉生長(zhǎng)環(huán)境中的各類資源，并合理應(yīng)用這些資源，以拓展云花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的功能。對(duì)于各項(xiàng)功能，具體如下：其一，借助不同的傳感器監(jiān)測(cè)花卉生長(zhǎng)環(huán)境中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確地傳輸給單片機(jī)。由單片機(jī)控制單元分析比對(duì)這些數(shù)據(jù)[2]。其二，單片機(jī)將接收的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)部芯片上，與芯片中已設(shè)定的有關(guān)花卉的參考數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，從而確定是否針對(duì)花卉的生長(zhǎng)環(huán)境啟動(dòng)報(bào)警和緊急處理功能。其三，經(jīng)過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，用戶可以通過(guò)小程序了解花卉生長(zhǎng)環(huán)境的真實(shí)信息。

第二，智能人花交互部分包括語(yǔ)音識(shí)別電路，可以為人花交互功能的實(shí)現(xiàn)提供支持。利用檢測(cè)技術(shù)區(qū)分花卉生長(zhǎng)環(huán)境中的語(yǔ)音和噪聲，確?？梢酝暾浫胗脩舻恼Z(yǔ)音，并通過(guò)對(duì)比識(shí)別。在這個(gè)模塊中，會(huì)利用轉(zhuǎn)換技術(shù)將語(yǔ)音轉(zhuǎn)換為文本，并利用關(guān)鍵詞找出錄制好的音頻資料并播放，從而實(shí)現(xiàn)花卉與用戶的對(duì)話，即人花交互。

由此可見(jiàn)，在人工智能背景下研究云花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，需要將花卉生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)和智能人花交互兩個(gè)部分合理有效地連接起來(lái)，共同組成養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，為用戶提供科學(xué)技術(shù)支持，改善用戶養(yǎng)護(hù)體驗(yàn)，并實(shí)現(xiàn)云養(yǎng)護(hù)。這樣做不僅方便用戶隨時(shí)查看花卉的生長(zhǎng)情況，還有利于在不同環(huán)境下保證花卉健康生長(zhǎng)，進(jìn)一步提升養(yǎng)護(hù)水平。

2.2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能

2.2.1 監(jiān)控生長(zhǎng)環(huán)境

在設(shè)計(jì)花卉生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，可以采用性能高、功耗低的單片機(jī)作為核心。以STM32F103單片機(jī)為例，其芯片內(nèi)核為Cortex-M3，F(xiàn)lash功能中只讀程序配備的存儲(chǔ)器規(guī)格為64KB。

首先，設(shè)計(jì)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件。1） 對(duì)花卉生長(zhǎng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)主要包括兩個(gè)單元，即環(huán)境監(jiān)測(cè)和適宜控制兩個(gè)單元。環(huán)境監(jiān)測(cè)單元的主要設(shè)備包括土壤濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器等組件，利用單片機(jī)加強(qiáng)對(duì)各時(shí)段的控制，對(duì)所有傳感器進(jìn)行有效賦能，從而對(duì)花卉生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的有效采集。利用藍(lán)牙或Wi-Fi技術(shù)將監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)上傳至相應(yīng)的App終端或小程序中。2） 對(duì)于系統(tǒng)中的環(huán)境適宜控制單元，其組件主要包括LED補(bǔ)光燈、水閥、風(fēng)扇等，可以改善花卉目前的生長(zhǎng)環(huán)境，包括調(diào)整光照、通風(fēng)等，有利于花卉的健康生長(zhǎng)。3） 在該系統(tǒng)中，配備規(guī)格和型號(hào)合適的CPU和開(kāi)發(fā)板，將多種功能整合在一個(gè)系統(tǒng)中，包括語(yǔ)音、開(kāi)關(guān)燈等功能。該系統(tǒng)還能夠?yàn)槎嘤脩艨刂铺峁┯欣麠l件。同時(shí)，可以利用USB等技術(shù)增加數(shù)據(jù)記錄、物聯(lián)網(wǎng)等功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的有效拓展。該系統(tǒng)將云數(shù)據(jù)庫(kù)作為運(yùn)行的依托，并按照花卉的種類在系統(tǒng)中設(shè)定合適的參考數(shù)據(jù)。如果傳感器采集的數(shù)據(jù)與設(shè)定的參考數(shù)據(jù)存在差異，系統(tǒng)將及時(shí)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)花卉生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，并通過(guò)語(yǔ)音系統(tǒng)發(fā)出提醒，使用戶了解實(shí)際情況。

其次，針對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。在本次研究中，將Keil uVision5作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，以Proteus仿真模擬軟件為基礎(chǔ)，MCU-ISP作為程序燒錄軟件。在軟件系統(tǒng)中，所有的傳感器進(jìn)程都進(jìn)行初始化處理，包括溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、氣體傳感器等[3]。例如，當(dāng)土壤濕度低于系統(tǒng)中的設(shè)定值時(shí)，需要為花卉澆水，這時(shí)啟動(dòng)系統(tǒng)的補(bǔ)水功能；如果高于設(shè)定值，則不啟動(dòng)水閥。對(duì)于光照傳感器，當(dāng)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)值低于設(shè)定值時(shí)，需要打開(kāi)LED補(bǔ)光燈；如果高于設(shè)定值，則不需要啟動(dòng)LED。對(duì)于系統(tǒng)中使用的氣體和溫濕度傳感器超出系統(tǒng)設(shè)定值，需要打開(kāi)風(fēng)扇，并啟動(dòng)語(yǔ)音報(bào)警；低于設(shè)定值時(shí)，則不需要開(kāi)啟風(fēng)扇，語(yǔ)音也恢復(fù)正常。

2.2.2 智能人花交互

在人工智能技術(shù)背景下的人花交互，是以花卉生長(zhǎng)的實(shí)時(shí)條件為依據(jù)，利用數(shù)據(jù)和語(yǔ)音的形式將真實(shí)的信息反饋給用戶。對(duì)于不同品種的花卉，數(shù)據(jù)庫(kù)中的養(yǎng)護(hù)參數(shù)設(shè)定也不同，養(yǎng)護(hù)方案也存在較大的差異性。用戶可以掃描相應(yīng)品種的二維碼，了解有關(guān)花卉生長(zhǎng)條件、作用、注意事項(xiàng)等方面的介紹。對(duì)于語(yǔ)音識(shí)別模塊，可以參考用戶當(dāng)時(shí)的情緒，使花卉與用戶之間進(jìn)行有效的溝通。

智能人花交互功能中，可以將交互的話題分為5類，以滿足用戶的不同需求，提升云花卉養(yǎng)護(hù)的情緒價(jià)值。這5類情緒包括：1） 傳感器采集到的環(huán)境信息與花卉養(yǎng)護(hù)方案中的數(shù)值不同時(shí)，系統(tǒng)語(yǔ)音系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)向用戶求助，如“太熱啦！”“好渴呀！”“我想曬太陽(yáng)！”等。用戶會(huì)根據(jù)語(yǔ)音求助內(nèi)容作出相應(yīng)的操作。2） 當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到用戶主動(dòng)靠近花卉時(shí)，會(huì)與用戶打招呼，如“嗨，你好呀！”。如果用戶沒(méi)有給予語(yǔ)音回應(yīng)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出更多的“熱?！焙陀腥さ脑掝}等，使人花互動(dòng)更有趣，從而為用戶提供情緒價(jià)值。3） 用戶可以向系統(tǒng)提出問(wèn)題，如“今天的天氣如何？”。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別“天氣”這一關(guān)鍵詞，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)搜集相關(guān)信息，并播放收集的信息，給予用戶貼心的提示，如“今天有雨，記得帶雨傘??！”“今天天氣很好，出門愉快！”。4） 如果用戶想聽(tīng)音樂(lè)放松身心，系統(tǒng)可自動(dòng)識(shí)別“音樂(lè)”這個(gè)關(guān)鍵詞，并自動(dòng)播放。除了系統(tǒng)自帶的音樂(lè)外，還可以允許系統(tǒng)外接USB或通過(guò)藍(lán)牙外接設(shè)備播放用戶喜歡的音樂(lè)[4]。5） 如果系統(tǒng)沒(méi)有編寫的話題或未檢測(cè)到關(guān)鍵詞，系統(tǒng)會(huì)表達(dá)“我沒(méi)有聽(tīng)懂，需要我為你唱首歌嗎？”等音頻，然后根據(jù)用戶的選擇進(jìn)入相應(yīng)的服務(wù)功能。

首先，進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。1） 對(duì)于語(yǔ)音識(shí)別模塊，主要組件是語(yǔ)音識(shí)別電路，利用系統(tǒng)中的“關(guān)鍵詞”進(jìn)行識(shí)別。例如，使用LD332X芯片作為電路的核心組件，利用MIC技術(shù)分析頻譜、采集語(yǔ)音，與系統(tǒng)“關(guān)鍵詞”模塊進(jìn)行對(duì)比，搜索關(guān)鍵詞，并啟動(dòng)相應(yīng)的功能模塊。2） 語(yǔ)音播放功能的實(shí)現(xiàn)是利用錄放語(yǔ)音的技術(shù)形式實(shí)現(xiàn)人花交互。例如，使用ISD1820芯片匹配與語(yǔ)音相適應(yīng)的關(guān)鍵詞，并進(jìn)行處理。語(yǔ)音信號(hào)在經(jīng)過(guò)系統(tǒng)處理后，借助主控模塊中的CPU傳輸信號(hào)，然后播放相應(yīng)的語(yǔ)音，實(shí)現(xiàn)人花交互。對(duì)于ISD1820芯片，采樣時(shí)的頻率范圍為3.2～8.0kHz，語(yǔ)音錄放時(shí)長(zhǎng)一般在8～20秒，并且該芯片可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)IO控制和按鍵控制。

其次，進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。在軟件設(shè)計(jì)中，需要能夠識(shí)別用戶發(fā)出的語(yǔ)音，并根據(jù)指令中的關(guān)鍵詞配合系統(tǒng)中的內(nèi)容，向語(yǔ)音電路傳送指令，播放相應(yīng)的音頻資料。在軟件中，人花交互功能的設(shè)計(jì)流程為：各模塊初始化，紅外檢測(cè)組件工作，對(duì)用戶是否靠近進(jìn)行檢測(cè)，如果檢測(cè)出用戶靠近，則花卉發(fā)出語(yǔ)音，打招呼；然后識(shí)別語(yǔ)音，成功識(shí)別后將其轉(zhuǎn)換為文本，匹配相應(yīng)的關(guān)鍵詞，播放相應(yīng)的音頻文件；如果沒(méi)有識(shí)別出語(yǔ)音，則進(jìn)入播放音樂(lè)環(huán)節(jié)。在本次的研究中，語(yǔ)音系統(tǒng)使用的助手是wukong-robot。如果紅外傳感器運(yùn)行時(shí)檢測(cè)到有人靠近，則語(yǔ)音助手被激活，進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。語(yǔ)音內(nèi)容則借助STT引擎進(jìn)行文本轉(zhuǎn)換，然后匹配與文本相關(guān)的關(guān)鍵詞，在成功匹配的基礎(chǔ)上，語(yǔ)音指令傳輸給語(yǔ)音電路，然后對(duì)應(yīng)地播放錄制的音頻內(nèi)容。如果沒(méi)有相應(yīng)的關(guān)鍵詞與語(yǔ)音指令匹配，軟件系統(tǒng)則自動(dòng)進(jìn)入“唱歌”環(huán)節(jié)。

2.3 系統(tǒng)測(cè)試

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成之后，軟件和硬件都需要進(jìn)行調(diào)試，以測(cè)試相應(yīng)的功能是否正常。結(jié)合云花卉養(yǎng)護(hù)的具體情況展開(kāi)測(cè)試，如果養(yǎng)護(hù)的花卉是蝴蝶蘭，那么系統(tǒng)測(cè)試可以分為兩個(gè)部分：其一，測(cè)試環(huán)境監(jiān)測(cè)功能。系統(tǒng)中溫度的設(shè)定值為16～30℃，如果高于這個(gè)值則需要啟動(dòng)風(fēng)扇功能；對(duì)濕度的要求是60%～80%，如果低于這個(gè)范圍，則需要啟動(dòng)加濕器功能；土壤濕度的系統(tǒng)設(shè)定值為50%，如果低于這個(gè)值，則需要啟動(dòng)澆水功能；對(duì)于光照，蝴蝶蘭需要半遮陰條件，不能直射，系統(tǒng)設(shè)定值為1000Lux，但如果低于這個(gè)值，則需要啟動(dòng)補(bǔ)光燈功能[5]。其二，測(cè)試人花對(duì)話功能。利用紅外傳感器進(jìn)行檢測(cè)，將其檢測(cè)值設(shè)定為5m，即有人靠近到5m范圍內(nèi)，云花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)啟動(dòng)，開(kāi)始打招呼，并進(jìn)入語(yǔ)音識(shí)別等服務(wù)功能中。

經(jīng)過(guò)一系列系統(tǒng)測(cè)試，如果符合設(shè)計(jì)需求，則該系統(tǒng)可以正常使用；如果出現(xiàn)個(gè)別功能或硬件無(wú)法使用等情況，則需要及時(shí)檢查問(wèn)題所在及原因，作出相應(yīng)處理并解決問(wèn)題，然后再次進(jìn)行測(cè)試，直到系統(tǒng)可以正常使用。

3 總結(jié)

在云花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的輔助下，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)智能通風(fēng)、澆水、光照以及參數(shù)調(diào)整等功能，還能夠?qū)崿F(xiàn)人花互動(dòng)，使花卉養(yǎng)護(hù)更有趣，改善用戶體驗(yàn)，使用戶的生活壓力、學(xué)習(xí)壓力等都能夠得到有效緩解，身心得到放松。在未來(lái)想要實(shí)現(xiàn)云花卉養(yǎng)護(hù)，可以將論壇、日常交流等融入其中，改善云花卉養(yǎng)護(hù)的整體氛圍，增加養(yǎng)護(hù)過(guò)程的愉悅感，這樣用戶就可以在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中感受到樂(lè)趣，提升幸福指數(shù)。因此，要進(jìn)一步加強(qiáng)基于人工智能云花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，不斷完善該系統(tǒng)的功能，使其更符合現(xiàn)代生活中人們的精神需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王顥毅，何興，呂承昊，等.基于人工智能的云花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2023，31（10）：29-33.

[2] 邵美芝，王豐碩，楊美華，等.基于傳感器的智能盆栽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)時(shí)代，2021（9）：46-50.

[3] 陸衛(wèi)忠，黃宏梅，楊茹，等.基于深度學(xué)習(xí)的智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2021，38（8）：72-77.

[4] 崔慶華，王金輝，陳祖棟，等.基于STM32的智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技視界，2020（2）：102-103.

[5] 韓夢(mèng)迪，劉明，王帥，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的花卉養(yǎng)護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全，2019，38（7）：93-96.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】