柯春艷，白雅雯

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830000）

隨著生產(chǎn)力和科技水平的提高，基于物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的智能化生產(chǎn)模式已經(jīng)應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)的方方面面，其中智慧農(nóng)業(yè)需求旺盛，發(fā)展迅速，對(duì)于以農(nóng)業(yè)為主的區(qū)域經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要意義。將智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用引入物聯(lián)網(wǎng)工程本科實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容中，一方面能夠提升學(xué)生解決實(shí)際生產(chǎn)問題的能力，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研一體化建設(shè)；另外一方面，有助于提升符合新業(yè)態(tài)需求的人才培養(yǎng)質(zhì)量，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供高質(zhì)量人才做準(zhǔn)備。

1 智慧大棚概述

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式采用的是人工監(jiān)管，這種方式耗費(fèi)人力和時(shí)間成本，且很大程度依賴于勞動(dòng)者的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)運(yùn)而生，可謂是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的一次技術(shù)革命，它將可感知信息的傳感設(shè)備，按照雙方規(guī)定的協(xié)議，將物體連接到網(wǎng)絡(luò)中，可通過傳遞信息的中間設(shè)備進(jìn)行通信，來(lái)達(dá)到識(shí)別、監(jiān)管、定位等功能。溫室大棚作為我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要組成部分，通過改變農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物能夠不受時(shí)間和地域環(huán)境的限制，規(guī)?；a(chǎn)。隨著大棚數(shù)量和人力成本的增加，過去采用人工對(duì)大棚室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)和管理的成本不斷提高，且人工數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率無(wú)法保證，管理也不方便。在大棚中采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)大棚內(nèi)溫度、濕度、含氧量、光照度、土壤墑情等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，大棚管理者根據(jù)檢測(cè)情況采取相應(yīng)的管理措施，為農(nóng)作物提供更適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，進(jìn)而極大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率及農(nóng)作物的產(chǎn)量與質(zhì)量，從而提高農(nóng)作物種植者的經(jīng)濟(jì)收入[1]，提高經(jīng)濟(jì)效益。

智慧大棚系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具備物聯(lián)網(wǎng)典型架構(gòu)的特點(diǎn)，由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層構(gòu)成。其中感知層的各種數(shù)據(jù)傳感器負(fù)責(zé)采集環(huán)境或多媒體信息，各類傳感器型號(hào)和廠商眾多，但多數(shù)都具備兼容性和通用性，為用戶設(shè)計(jì)選型提供了極大的便利；網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)特定的場(chǎng)景和需求采用不同通信方式或協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和傳輸，由物聯(lián)網(wǎng)中間件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理、計(jì)算、定位和實(shí)時(shí)處理等，為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)支撐；應(yīng)用層涉及技術(shù)較為廣泛，基于低層數(shù)據(jù)面向用戶提供數(shù)據(jù)展示、分析、挖掘、管理、決策支持等不同服務(wù)[2]。

2 總體設(shè)計(jì)方案

智慧大棚語(yǔ)音控制系統(tǒng)以市場(chǎng)常見物聯(lián)網(wǎng)智慧大棚系統(tǒng)為基礎(chǔ)，增加語(yǔ)音交互功能，依托于語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)為用戶提供大棚現(xiàn)場(chǎng)智能控制服務(wù)。系統(tǒng)按主要功能分為數(shù)據(jù)采集模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、語(yǔ)音控制模塊和遠(yuǎn)程控制模塊四部分。設(shè)計(jì)以Arm處理作為主控板，無(wú)線通信模塊選用價(jià)格低廉、兼容性高的ESP8266模塊，數(shù)據(jù)采集模塊主要有溫濕度傳感器和光照傳感器，應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)基于中間件的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)展示和遠(yuǎn)程控制，基于LD3320的語(yǔ)音控制和自動(dòng)補(bǔ)光三個(gè)主要功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[1]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以ARM架構(gòu)處理器的最小系統(tǒng)為主控板，采用5V直流供電，集成DS18B20、BH1750P溫度和數(shù)字式光照傳感器，WiFi無(wú)線通信模塊，語(yǔ)音識(shí)別模塊等，學(xué)習(xí)者綜合運(yùn)用所謂知識(shí)，舉一反三，利用主控板豐富的接口資源擴(kuò)展其他功能[3]。

3.1 主控模塊

STM32F407 VET6是基于ARM-Coretex M3內(nèi)核的32位多RISC型高性能微處理器，在目前的實(shí)時(shí)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中占有一定的市場(chǎng)，將其作為實(shí)驗(yàn)主控模塊，可以幫助學(xué)生掌握實(shí)際生產(chǎn)需要的技能，為將來(lái)就業(yè)打好基礎(chǔ)。處理器具有512KB的Flash程序存儲(chǔ)空間和192KB的RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，GPIO資源豐富，各種功能接口齊全，包括多組 I2C、SPI、CANBUS、USART 數(shù)據(jù)接口，兩個(gè)12位1-Msample/s模數(shù)轉(zhuǎn)換通道、多路GPIO接口、內(nèi)置10個(gè)定時(shí)器等，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和兼容性，能夠滿足多數(shù)實(shí)時(shí)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用終端的需求。

3.2 語(yǔ)音模塊

LD3320提供基于“關(guān)鍵詞語(yǔ)列表”和ASR識(shí)別技術(shù)的語(yǔ)音識(shí)別、聲控、人機(jī)對(duì)話等應(yīng)用功能，能夠?qū)崿F(xiàn)非特定人語(yǔ)音識(shí)別，通過音頻接收器捕捉語(yǔ)音信號(hào)，經(jīng)過內(nèi)部程序分析處理后，通過SPI通信接口將識(shí)別結(jié)果返回給主控模塊。LD3320采用3.3V供電，內(nèi)部集成有快速穩(wěn)定的優(yōu)化算法，不需外接 Flash和RAM等存儲(chǔ)設(shè)備，識(shí)別功能穩(wěn)定，準(zhǔn)確率較高。LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊的識(shí)別基本原理如圖2所示。

圖2 語(yǔ)音識(shí)別模塊原理圖

3.3 通訊模塊

ESP8266是功耗低，集成度高的WiFi芯片，工作電壓3.3V，該模組有多個(gè)不同的版本，最小封裝尺寸僅為5mm×5mm，設(shè)計(jì)使用基礎(chǔ)版ESP8266-01S。該模組板載射頻和功放、天線、低噪放大器與濾波器等單元，有六個(gè)引腳，支持UART、I2C、SPI通信方式，實(shí)驗(yàn)中采用UART通信方式。ESP826模塊支持三種工作模式：SoftAP模式、Station模式、SoftAP+Station模式，通過標(biāo)準(zhǔn)AT指令設(shè)置選擇工作模式和指定服務(wù)器或者客戶端建立TCP/UDP等連接。

3.4 數(shù)據(jù)采集模塊

感知層采用DS18B20數(shù)字式溫度傳感器和BH1750環(huán)境光傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)采用，模塊分別應(yīng)用為GPIO和IIC接口，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用接口資源少，使用時(shí)不需要設(shè)計(jì)外圍電路。傳感器和主控板的硬件連接如圖3所示。

圖3 傳感器與主控板連接圖

4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，C語(yǔ)言擁有很強(qiáng)的可移植性，采用eclipse，作為開發(fā)環(huán)境，eclipse在C語(yǔ)言的編譯、檢查、幫助等各方面性能優(yōu)秀，且具有較好的擴(kuò)展性和兼容性，代碼補(bǔ)全和排版，代碼折疊和跟蹤等功能為使用者提供良好的編程體驗(yàn)。

4.1 主程序流程設(shè)計(jì)

程序流程如圖4所示，系統(tǒng)復(fù)位后先進(jìn)行一系列的初始化設(shè)置，包括BH1750和DS18B20模塊初始化、通信端口初始化、WiFi參數(shù)配置、LD3320參數(shù)配置、RTC參數(shù)配置等。初始化結(jié)束后，程序首先判斷語(yǔ)音模塊是否接收到控制指令，若有則進(jìn)入語(yǔ)音交互子程序中，用戶可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行語(yǔ)音交互，獲得環(huán)境數(shù)據(jù)；若無(wú)則判斷預(yù)先設(shè)定的RTC時(shí)間條件，若滿足間隔時(shí)間，即通過WiFi模塊主動(dòng)將環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)中間件平臺(tái)，使得用戶可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)查看大棚數(shù)據(jù)[4]。

圖4 程序流程圖

中間件平臺(tái)采用機(jī)智云實(shí)現(xiàn)設(shè)備接入，機(jī)智云是國(guó)內(nèi)應(yīng)用廣泛的開放物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，為用戶提供終端接入、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)展示和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程交互等功能，功能完善、界面友好、操作方便，對(duì)用戶具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，對(duì)開發(fā)者提供有價(jià)值的參考模板。

4.2 語(yǔ)音交互子程序

語(yǔ)音交互子程序根據(jù)接收的語(yǔ)音信號(hào)，主要完成當(dāng)前環(huán)境溫濕度和光照度信息的播報(bào)和語(yǔ)音控制補(bǔ)光的功能（圖5）。此外，程序還提供閾值報(bào)警接口函數(shù)，系統(tǒng)擴(kuò)展人體檢測(cè)模塊后，當(dāng)檢測(cè)到大棚內(nèi)有人進(jìn)入，則自動(dòng)播報(bào)當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù)，并根據(jù)設(shè)定的閾值發(fā)出報(bào)警提示信息[5]。

圖5 語(yǔ)音交互子程序流程流程圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的智慧大棚語(yǔ)音控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)中間件遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與基于語(yǔ)音識(shí)別模塊進(jìn)行大棚現(xiàn)場(chǎng)語(yǔ)音交互的功能，學(xué)生通過項(xiàng)目實(shí)踐深入理解物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用模型，掌握開發(fā)基本技術(shù)和一般流程。該實(shí)驗(yàn)與實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用緊密結(jié)合，綜合性較強(qiáng)，能夠提升學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。