基于机智云平台的高效温湿度智能测控系统研发

张鹏超，陈鹏，朱喜安，郭俊豪，胡安正，安忙忙

（湖北文理学院 物理与电子工程学院，湖北襄阳，441053）

0 引言

随着信息技术和社会的不断发展，人们对于室内温湿度的控制也提出了更高的要求，尤其对于环境温湿度的控制方面，一个合适的环境温湿度可以给人以更加舒适的生活体验。此外，目前大棚养殖等农业应用领域，许多工作仍然依赖人工操作。现代加湿器在检测精度、控制方式和应用场景等方面还存在很多待探讨的物理原理和急需解决的技术问题。对此，本系统基于室内温湿度测控技术研发了一款基于机智云平台在室内环境下可通过WiFi 网络，语音，按键等多种智能操控方式、精准检测、快速响应功能的温湿度测控系统。当温度、湿度不符合用户的需求时，可以实现对设备的自动控制，使环境信息满足用户需求[1]。本系统对湿度的智能控制速度和加湿效率的优势也是十分突出的。

1 高效温湿度测控系统总体设计思路

本系统采用机智云平台APP、WiFi 模块、语音识别模块、语音合成模块、微处理器、湿度传感器和加湿除湿模块设计了一套可通过WiFi 网络对室内温湿度进行实时监测、实时调节、报警提示的智能温湿度检测系统。主控制器采用价格低廉、性能高的STM32F103 作为主控芯片[2]。系统控制方式可以分为三种：通过机智云平台开发APP 借助WIFI 网络、使用语音以及按键控制MCU，MCU 从而对各个传感器进行控制，实现对目标湿度的设定、调节等功能，当环境的湿度过高或者过低都会进行相应的报警提示。图1 展示了本系统的总体方案框图。

图1 系统总体方案框图

2 测控系统的器件选用及结构搭建

■2.1 MCU 主控模块

本次选用的微控制器意法半导体公司生产的STM32F103RCT6。这款控制芯片的内核规格为是32 位的，主频频率72MHz，程序的内存类型为flash，具有256KB的闪存存储器，以及48KB 的SRAM 随机存储器。这款芯片不仅开发简单，而且成本代价低。STM32F103RCT6[3]采用的Cortex-M3 内核使用哈佛结构，数据和程序代码独立存储，指令总线和数据总线也是相互独立互不干扰的。这种结构使得数据的读取时间大大缩减，工作效率大大提高，性能也得到了很大程度上的提高，同时各个总线接口可以并行运行。

■2.2 WiFi 模块

本文选择ESP8266，作为通信模块组件，如图2 所示，主要考虑到了其以下的几个优点：它直接通过串口实现透传方便接入单片机；模块的封装设计十分精巧方便安装拆卸；此模块针对物联网应用设计，可以将电气设备通过此模块连接到互联网或本地通信网络上从而实现网络功能。

图2 ESP8266WiFi 模块

■2.3 语音识别模块

本次项目使用的语音识别模块采用芯片是深圳市中原嵌入式科技有限公司开发的LD3320，如图3 所示。该模块配备了一个单片机(STC11L60XE)，允许通过SPI 和LD3320 模块识别语音模块功能。该款单片机有16 个单片机IO 口，因此模块无需借助其他处理器，可以单独完成语音识别和输出操作。当借助其他单片机和开发板，可以通过串口的形式进行数据传输。

图3 LD3320 语音识别模块

■2.4 语音合成模块

此次用于语音播报的模块选择的是SYN6288 语音合成模块。本文通过语音合成模块与单片机、扬声器配合使用，将获取到的温湿度信息以及MCU 控制信息以语音的形式播报出来，再加上语音识别模块进而实现了人机语音信息交互的效果。对于此模块的具体工作流程，如图4 所示。

图4 SYN6288 模块工作流程图

■2.5 加湿模块

超声波加湿器，工作原理是通过产生高频的震荡信号(其振荡频率通常为1.7MHz 或2.4MHz)，然后将产生的超高频信号传输到雾化片上，带动雾化片的超频震动，从而将雾化片的水打散成直径在5 微米左右的小水珠悬浮在空中，最后通过风机将产生小水珠吹出带入到外部空气当中，从而增加环境的湿度，达到加湿的目的[4]。因为此过程中所用的超频信号为1.7MHz 超出了人的耳觉的听觉范围，所以没有噪音的产生，从而实现均匀加湿，使得人体感受更加舒适，并且此过程中也使得空气更加的清新，有利于人体的健康。

此项目的使用的加湿模块，如图5 所示，采用USB 供电，模块的驱动电压只有5V，功耗小，产生的高频波形更加的稳定，5 微米的超细喷雾孔径。

图5 超声波加湿模块

采用超声波式的加湿模块，充分利用其加湿强度大，加湿均匀的特点实现环境湿度的快速提升，从而大幅地缩短了湿度的调控时间，并通过计算目标湿度与外部环境湿度差值，进行湿度预估，提前调控的方法提高了对湿度的调控精度，成功将湿度误差控制在3%以内。为大棚，粮仓，以及各类湿度要求较高的室内空间实现对环境湿度进行快速、高效、精准、可靠的控制提供了一套具备一定实用价值的解决方案。

3 机智云物联网平台的运用

■3.1 机智云平台简介

机智云是一个专门针对物联网和云服务设计的开发平台，旨在为用户提供云端服务和智能硬件开发工具，使开发者能够减小对物联网平台的开发门槛，缩短产品研发周期、降低开发成本、提高开发效率。此外，机智云平台还提供二次开发的Gagent，无需用户维护IaaS 平台，帮助企业和开发者更好地服务大众[5]。

本系统可以通过机智云平台选定硬件平台，以及方案类型，生成MCU 在开发过程中所需要的代码，实现机智云平台与MCU 的快速接入。因此可以跳过通讯协议，通过移植生成的源码便可快速开发硬件程序以实时精准地测控温湿度。图6 为机智云平台架构原理示意图。

图6 机智云平台架构原理示意图

■3.2 应用开发

机智云平台根据用户所使用的平台，选择所需要的平台源码，能够自动生成App 的源码，打包后便可直接安装到手机上运行。用户也可以在源码的基础上自行修改，通过自己的创意来设计APP，从而实现更好的用户体验或提高应用的质量。图7 和图8 分别为机智云平台应用的开发及本系统所用应用的部分页面。

图7 应用开发平台的选择及源码生成

图8 本系统应用的部分页面

4 软件及算法设计

■4.1 软件设计总体方案

本次项目用到的所有算法包括语音播报控制、数据处理、事件处理逻辑、语音识别控制、按键扫描及关键词等算法。图9 为系统软件设计总体方案。

图9 系统软件及算法结构

■4.2 语音播报控制

语音播报控制算法的思想主要是通过系统的状态以及单片机采集到的一些温湿度信息，根据设定的控制标志位状态进行反馈，配合语音识别模块形成人机交互的效果。当单片机接收到语音识别模块发来的标志符时，就会按照设定文本信息以及采集到的温湿度信息控制语音合成模块进行语音的合成以及播报。当利用手机端，按键，或者语音控制系统状态变化时语音模块也会相应地进行语音提示。

■4.3 数据处理

用户数据处理的主要任务是根据温湿度模块获取的外界温湿度数据点进行处理，并根据湿度调控开关，警报开关的状态，以及设定的目标湿度，湿度报警阈值的上下限控制加湿模块，风扇，蜂鸣器的工作状态从而达到湿度控制，湿度报警的效果。加湿时风扇和加湿模块同时工作从而使得加湿更加地均匀，在除湿时，只需让风扇工作即可达到除湿的效果。

■4.4 关键词添加

关键词添加算法的思想是提前将指令语句的拼音添加到关键词列表，并与相应的识别码进行一一映射。当识别模块识别到外界的语音信息中有与设定的关键词相似的频率的声波信号时，就会匹配关键词语列表中的关键词，将关键字列表中得分最高的关键词语找出并映射到相应的识别码，然后执行相应操作。

■4.5 语音识别控制端

此次使用的语音识别模块上搭载有一个单片机(STC11L60XE),STC11L60XE 和LD3320 语音识别模块通过SPI 通信，实现语音识别的功能。STC11L60XE 共引出16个IO 口,无需配套其他单片机即可独立完成工作。当配合其他单片机、开发板使用时，可以对此模块进行编程，添加关键词，识别码处理事件等，然后利用模块的串口输出功能进行通讯数据传输。

5 温湿度测控系统实物展示

基于上述有关原理的探究、系统整体设计和软硬件开发，设计并研发出一款基于机智云平台在室内环境下可通过WiFi 网络，语音，按键等多种智能操控方式、精准检测、快速响应功能的温湿度测控系统。如图10 和图11 所示。

图10 温湿度测控系统实物正视

图11 温湿度测控系统实物侧视图

6 结束语

本文旨在介绍一个温湿度测控系统，它主要解决以下问题：物联网的快速搭建、个性化的手机应用程序设计、精准语音指令的识别以及快速湿度调节的能力。该系统能够为大棚、粮仓和其他要求湿度较高的室内环境提供一套高效、精准、可靠的控制方案。本系统已实现了通过手机、语音控制和按键对环境湿度进行实时监控的目的。它的实用价值有一定提高，并可作为处理实际问题的解决方案，但在实际应用于各种温室真实场景，甚至产品化过程中，还需进一步解决许多待解决的问题。