新型化语音控制“智慧蔬菜大棚”管理系统的设计*

王鹏亮，夏永祥，安国昊

（甘肃机电职业技术学院，甘肃 天水 741001）

0 引言

科技创新是带动经济高速发展的主要保障，进入新世纪，我国进一步加大了科研经费的投入。网络技术、物联网技术、人工智能技术的迅速发展，极大地促进了新型电子设备的研发，而且网络技术、物联网技术、人工智能技术在新型电子设备的生产中快速融合，相互促进，都取得到了长足进步。与此同时，资源的短缺、环境的恶化、生态的破坏加剧了人类的生存紧迫感，改善科技创新生态是新世纪的科技发展的主要命题。为响应国家“绿色产业、生态环保、智慧农业”的号召，本课题组研究设计了一款基于5G网络新型化“智慧蔬菜大棚”管理的系统，该系统在Arduino开发板上主要集成了语音识别控制模块、光能蓄电模块、5G网络模块。仿真结果表明，该系统实现了蔬菜大棚管理的语音控制功能，真正实现了蔬菜大棚管理的智能化和便捷化[1]。

1 “智慧蔬菜大棚”研究的意义

现今，我国大棚蔬菜种植绝大多数仍属于劳动密集型产业，为小农经济模式，人力投入成本高，收益却相对较少，使得蔬菜大棚种植业很难大范围推广。使高投入、低收入的小农经济模式得到扭转，推动蔬菜大棚种植业由劳动密集型向技术密集型转化，是新世纪蔬菜大棚种植业发展的必然趋势[2]，也是本课题组“智慧蔬菜大棚”研究的意义。实践研究表明，本课题组的研究可以改变小农经济模式下人工蔬菜大棚种植的缺陷，有效减少人工成本和其他投资，实现以下功能：1）自动检测温度值、湿度值、光照强度和空气中氧气、二氧化碳浓度；2）根据需要进行温度、湿度的自动调节；3）根据温度和光照强度智能卷、放保温层；4）根据温度高低自动打开或关闭大型风扇实现智能通风；5）进行网络远程遥控。

2 我国物联网蔬菜大棚现状分析

习近平总书记在去年的中央农村工作会议上指出，全面推进乡村振兴，加快农业农村现代化，全党务必充分认识新发展阶段做好“三农”工作的重要性和紧迫性，举全党全社会之力推动乡村振兴，促进农业高质高效、乡村宜居宜业、农民富裕富足[3]。正如习总书记所强调的那样，要想农民富裕，离不开农业的高科技发展。现今，随着科技高速发展，农业的发展已经局部实现了信息化、智能化，而且物联网技术在农业的应用范围中在逐年推广和快速发展，而物联网蔬菜大棚就是物联网技术在农业应用中的一个典型案例。可以这样说，我国在物联网蔬菜大棚种植方面的研究已处于世界前列，可仍存在一些不足，需要改进。

1）数据传输不稳定。蔬菜大棚中各个区域需要安装各种传感器，传感器类型多、节点多造成数据庞大，采集难度大。由于大多蔬菜大棚种植是在农村，地处偏远山区，往往4G网络信号不太好，造成传感器采集的数据传输不稳定而且传输速度较慢。

2）缺少语音控制功能。人机对话和语音控制是近年来新型电子产品的成果，物联网蔬菜大棚中还未使用该功能，系统运行还未实现语音控制。

3）缺少蓄电和供电功能。当外界电源意外断电时，蔬菜大棚整个系统处于瘫痪状态，给系统正常运行和生产带来损失[4]。

3 语音控制“智慧蔬菜大棚”系统设计

3.1 5GWiFi网络模块

将5GWiFi网络模块集成在Arduino主板的网络接口上，使整个蔬菜大棚实现5G无线网络信号全覆盖，Arduino微处理系统通过5G无线网络接收传感器采集的所有数据，然后，Arduino微处理系统根据预案库中的事件处理机制进行相应处理。管理员可以用移动终端或电脑连接5G网络，利用移动终端或电脑对在大棚任何区域进行检视，并且控制系统运行[5]。5GWiFi网络模块工作示意图如图1所示。

图1 5G网络模块工作示意图

3.2 ASIC语音识别控制模块

ASIC语音控制模块是本系统创新亮点所在。该语音控制模块大体由四个小模块和一个语音库组成，四个小模块分别是语音采集模块、语音初期处理模块、语音识别模块和语音指令模块。

语音采集模块是将采集的语音信号转换成语音脉冲序列储存起来，主要处理过程有采集原始语音信号、A/D转换和信号调频。语音初期处理模块是滤除干扰信号，同时将语音特征码矢量化和提取，再将提取的语音特征码量化成标准语音特征矢量，主要处理过程有初步处理语音脉冲信号、提取特征码、量化矢量值。语音识别模块的是将采集的标准语音特征矢量值与标准语音矢量库中的语音模型进行比较，以确定当前语音指令的内容。因此，该模块主要处理过程有语音矢量值的参数评估和指令匹配。语音指令模块的主要作用是系统依据语音指令进行相关操作并完成系统相关功能[6]。ASIC语音控制工作流程如图2所示。

图2 ASIC语音控制工作流程图

3.3 光能蓄电模块

光能蓄电模块主要由太阳能光伏板、锂蓄电池、充放电控制器和交流逆变电源组成。首先，太阳能光伏板将光能转换为电能，由充放电控制器控制转存到锂电池中，当锂电池充电完毕则自动断开充电电路，不再充电。通过液晶显示器实时显示电量和充电进度。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系统正常工作提供电能[7]。光能蓄电模块工作原理如图3所示。

3.4 Arduino主板的功能扩展

Arduino主板作为整个系统各模块的母板，集成了所有的功能模块。作为系统的核心和处理中心的Arduino微处理系统，协调和控制这整个蔬菜大棚系统的正常运作，实现各模块的功能和系统的整体功能[5]。Arduino微处理系统工作原理图如图4所示。

图4 Arduino微处理系统工作原理图

4 结语

为了响应国家倡导的科技兴国、创新发展，农业逐步实现了信息化、智能化，同时也拓宽了物联网在农业中的应用。本项目论述了应用高科技集成技术手段，在Arduino主板上集成了5GWiFi网络模块、语音识别控制模块和光能蓄电模块，实现了蔬菜大棚管理的新型化、智能化和便捷化。本系统的研究与设计也适应现今电子产品发展的主流趋势和我国发展“智慧农业”的要求。