智慧大棚语音控制系统实验设计*

柯春艳，白雅雯

（新疆农业大学，新疆 乌鲁木齐 830000）

随着生产力和科技水平的提高，基于物联网等技术的智能化生产模式已经应用于社会生产的方方面面，其中智慧农业需求旺盛，发展迅速，对于以农业为主的区域经济建设具有重要意义。将智慧农业应用引入物联网工程本科实践教学内容中，一方面能够提升学生解决实际生产问题的能力，促进产学研一体化建设；另外一方面，有助于提升符合新业态需求的人才培养质量，为区域经济发展提供高质量人才做准备。

1 智慧大棚概述

传统农业种植模式采用的是人工监管，这种方式耗费人力和时间成本，且很大程度依赖于劳动者的生产经验。结合物联网技术的智慧农业应运而生，可谓是农业领域的一次技术革命，它将可感知信息的传感设备，按照双方规定的协议，将物体连接到网络中，可通过传递信息的中间设备进行通信，来达到识别、监管、定位等功能。温室大棚作为我国农业产业发展的重要组成部分，通过改变农作物的生长环境，实现农作物能够不受时间和地域环境的限制，规模化生产。随着大棚数量和人力成本的增加，过去采用人工对大棚室内环境进行检测和管理的成本不断提高，且人工数据准确率无法保证，管理也不方便。在大棚中采用物联网技术对大棚内温度、湿度、含氧量、光照度、土壤墒情等环境参数进行监测，大棚管理者根据检测情况采取相应的管理措施，为农作物提供更适宜的生长环境，进而极大提高农业生产效率及农作物的产量与质量，从而提高农作物种植者的经济收入[1]，提高经济效益。

智慧大棚系统基于物联网技术，具备物联网典型架构的特点，由感知层、网络层和应用层构成。其中感知层的各种数据传感器负责采集环境或多媒体信息，各类传感器型号和厂商众多，但多数都具备兼容性和通用性，为用户设计选型提供了极大的便利；网络层根据特定的场景和需求采用不同通信方式或协议对数据进行处理、存储和传输，由物联网中间件平台实现数据的管理、计算、定位和实时处理等，为应用层提供数据支撑；应用层涉及技术较为广泛，基于低层数据面向用户提供数据展示、分析、挖掘、管理、决策支持等不同服务[2]。

2 总体设计方案

智慧大棚语音控制系统以市场常见物联网智慧大棚系统为基础，增加语音交互功能，依托于语音识别技术为用户提供大棚现场智能控制服务。系统按主要功能分为数据采集模块、网络通信模块、语音控制模块和远程控制模块四部分。设计以Arm处理作为主控板，无线通信模块选用价格低廉、兼容性高的ESP8266模块，数据采集模块主要有温湿度传感器和光照传感器，应用层实现基于中间件的数据监测、数据展示和远程控制，基于LD3320的语音控制和自动补光三个主要功能。系统结构图如图1所示[1]。

图1 系统结构图

3 硬件平台设计

实验平台以ARM架构处理器的最小系统为主控板，采用5V直流供电，集成DS18B20、BH1750P温度和数字式光照传感器，WiFi无线通信模块，语音识别模块等，学习者综合运用所谓知识，举一反三，利用主控板丰富的接口资源扩展其他功能[3]。

3.1 主控模块

STM32F407 VET6是基于ARM-Coretex M3内核的32位多RISC型高性能微处理器，在目前的实时物联网应用中占有一定的市场，将其作为实验主控模块，可以帮助学生掌握实际生产需要的技能，为将来就业打好基础。处理器具有512KB的Flash程序存储空间和192KB的RAM数据存储空间，GPIO资源丰富，各种功能接口齐全，包括多组 I2C、SPI、CANBUS、USART 数据接口，两个12位1-Msample/s模数转换通道、多路GPIO接口、内置10个定时器等，具有较好的经济性和兼容性，能够满足多数实时物联网应用终端的需求。

3.2 语音模块

LD3320提供基于“关键词语列表”和ASR识别技术的语音识别、声控、人机对话等应用功能，能够实现非特定人语音识别，通过音频接收器捕捉语音信号，经过内部程序分析处理后，通过SPI通信接口将识别结果返回给主控模块。LD3320采用3.3V供电，内部集成有快速稳定的优化算法，不需外接 Flash和RAM等存储设备，识别功能稳定，准确率较高。LD3320语音识别模块的识别基本原理如图2所示。

图2 语音识别模块原理图

3.3 通讯模块

ESP8266是功耗低，集成度高的WiFi芯片，工作电压3.3V，该模组有多个不同的版本，最小封装尺寸仅为5mm×5mm，设计使用基础版ESP8266-01S。该模组板载射频和功放、天线、低噪放大器与滤波器等单元，有六个引脚，支持UART、I2C、SPI通信方式，实验中采用UART通信方式。ESP826模块支持三种工作模式：SoftAP模式、Station模式、SoftAP+Station模式，通过标准AT指令设置选择工作模式和指定服务器或者客户端建立TCP/UDP等连接。

3.4 数据采集模块

感知层采用DS18B20数字式温度传感器和BH1750环境光传感器采集环境数据进行环境数据采用，模块分别应用为GPIO和IIC接口，硬件结构简单，占用接口资源少，使用时不需要设计外围电路。传感器和主控板的硬件连接如图3所示。

图3 传感器与主控板连接图

4 系统程序设计

设计采用C语言作为编程语言，C语言拥有很强的可移植性，采用eclipse，作为开发环境，eclipse在C语言的编译、检查、帮助等各方面性能优秀，且具有较好的扩展性和兼容性，代码补全和排版，代码折叠和跟踪等功能为使用者提供良好的编程体验。

4.1 主程序流程设计

程序流程如图4所示，系统复位后先进行一系列的初始化设置，包括BH1750和DS18B20模块初始化、通信端口初始化、WiFi参数配置、LD3320参数配置、RTC参数配置等。初始化结束后，程序首先判断语音模块是否接收到控制指令，若有则进入语音交互子程序中，用户可以在现场进行语音交互，获得环境数据；若无则判断预先设定的RTC时间条件，若满足间隔时间，即通过WiFi模块主动将环境数据发送至物联网中间件平台，使得用户可以远程监测查看大棚数据[4]。

图4 程序流程图

中间件平台采用机智云实现设备接入，机智云是国内应用广泛的开放物联网平台，为用户提供终端接入、数据管理、数据展示和数据远程交互等功能，功能完善、界面友好、操作方便，对用户具有很强的实用价值，对开发者提供有价值的参考模板。

4.2 语音交互子程序

语音交互子程序根据接收的语音信号，主要完成当前环境温湿度和光照度信息的播报和语音控制补光的功能（图5）。此外，程序还提供阈值报警接口函数，系统扩展人体检测模块后，当检测到大棚内有人进入，则自动播报当前环境数据，并根据设定的阈值发出报警提示信息[5]。

图5 语音交互子程序流程流程图

5 结论

本文设计的智慧大棚语音控制系统实验，能够实现基于物联网中间件远程监测数据与基于语音识别模块进行大棚现场语音交互的功能，学生通过项目实践深入理解物联网技术在智慧农业领域的应用模型，掌握开发基本技术和一般流程。该实验与实际生产应用紧密结合，综合性较强，能够提升学生应用所学知识解决实际问题的能力。