基于语音控制新型化“智慧蔬菜大棚”管理系统的电路设计

王鹏亮

（甘肃机电职业技术学院 甘肃省天水市 741001）

1 引言

进入新世纪，农业信息化智能化成为新世纪农业发展的趋势，为了响应国家的“绿色产业、生态环保，智慧农业”的号召，物联网技术在农业应用中得到普遍推广和快速发展，而物联网蔬菜大棚就是物联网在农业应用中的一个典例。传统物联网蔬菜大棚，只是实现对空气成分含量和温度的检测，实现对土壤温、湿度的检测，智能浇灌和卷、放保温层等功能，但，并未实现语音控制、链接5G 网络功能和系统自供电功能。本文论述了一款基于语音控制新型化“智慧蔬菜大棚”管理的系统的电路设计，通过系统各模块电路的规划和设计，实现蔬菜大棚管理的语音控制功能、5G 连网功能和系统自供电功能，使蔬菜大棚管理迈入智能化和便捷化。

2 电路设计

基于语音控制网络新型化“智慧蔬菜大棚”管理系统主板主要电路有以下几个模块：Arduino 系统微处理器电路、监测器电路、语音模块电路、5G Wi-Fi 模块电路和光能蓄电模块电路。通过处理器对各模块电路的协调控制，实现系统以下功能：语音控制蔬菜大棚管理系统的运行，连接5G Wi-Fi 实现传感器采集的数据通过无线快速传输，系统通过光能蓄电模块实现工作所需电能自供。

2.1 系统总电路规划

基于本系统的智能蔬菜大棚，主电路板采用Arduino 集成主板。监测器均匀分布在蔬菜大棚，每个监测器上集成有温度传感器、湿度传感器、二氧化碳传感器、氧气传感器、光敏传感器、A/D 转化模块和5G Wi-Fi 模块，监测器结构如图1所示。每个监测器通过埋在地面下的布线管中的排线连接到Arduino 集成主板。Arduino主板上集成有语音控制模块、5G Wi-Fi 模块和光能蓄电模块，语音控制电路模块集成有A/D 转换模块、话筒、喇叭和语音微处理器，5G Wi-Fi 模块可以和移动设备、电脑或监视屏幕相连，所述光能蓄电模块包含锂蓄电池组、充放电控制器和太阳能光伏板，基于本系统的智能蔬菜大棚整个电路系统结构如图2所示。

图1：监测器结构图

图2：Arduino 微处理系统电路集成示意图

2.2 系统微处理器电路的设计

微处理器作为系统的控制和处理核心，其电路布局是庞大且复杂的。本智能管理系统主要采用STM32F103C8T6 作为系统处理器，监测器电路、语音模块电路、5G Wi-Fi 模块电路和光能蓄电模块电路都和微处理器电路相连。由微处理器系统进行协调、控制各模块电路的工作，接收、处理各模块传输来的电子信号，并把处理结果反传输给各模块，实现系统的各项功能。微处理器处理系统结构图如图3所示，微处理器电路如图4所示。

图3：Arduino 微处理器处理系统结构图

图4：Arduino 微处理器电路示意图

2.3 监测器电路的设计

监测器电路设计主要包括氧气传感器电路、二氧化碳传感器电路、光敏传感器电路、温度传感器电路和湿度传感器电路，监测器电路总体设计如图5所示。该电路模块的功能是所有传感器将检测到的模拟信号通过A/D 转换电路转换为具体电信号，然后将转换后的电信号通过5G 无线信号（联网状态）或排线（断网状态）传输给Arduino 处理系统的微处理器进行处理，微处理器将处理信息通过显示屏显示温度、湿度和其他一些信息，并根据预案库中的事件集进行下一步操作，如检测到湿度小于预案库中设置的土壤湿度值，则微处理器自动打开浇水电路，进行土壤灌溉操作。

图5：监测器电路设计

图6：语音模块工作流程图

图7：语音微处理器电路

图8：语音芯片处理电路

图9：光能蓄电模块电路设计

2.4 语音模块电路的设计

如图6所示，语音模块处理系统主要采用LD3200 芯片，主要包括话语音微处理电路（图7）和语音芯片处理电路（图8）。语音模块电路的功能是话筒采集语音模拟信号，调制器再将语音信号放大传输给A/D 转换电路器，将其转换成电信号传送给该模块的微处理系统进行处理，微处理系统根据预案集形成一个最终处理结果，然后将处理结果一方面转化成语音信号通过喇叭播放给管理员，一方面将最终结果转给Arduino 的微处理系统，让Arduino 的微处理系统的微处理器做出与之对应的处理，如管理员对着话筒说“打开通风系统”，则语音模块将接收到的信号传输给Arduino的微处理器，微处理器根据预案库中的设置进行自动打开天窗、进行通风操作。

2.5 光能蓄电模块电路的设计

该模块电路设计主要包括充放电控制器电路、太阳能光伏板电路和蓄电池组电路，光能蓄电模块电路总体设计如图9所示。该电路模块的功能是应用太阳能光伏板将光能转换为电能通过充放电控制器存储到锂蓄电池中，并对充电进度和电量进行实时显示，当充电完毕则自动断开充电电路，不再充电。然后蓄电池中的电能通过放电装置转换为恒压直流电接到Arduino 主板上，给Arduino 微处理系统提供正常工作的电能。

3 结语

随着高科技的迅猛发展，蔬菜大棚管理的新型化、智能化和便捷化以成为新型农业发展的趋势。本系统的研究与设计也顺应我国“智慧农业”的要求，推广前景广阔。