王鵬亮

（甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741000）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，科技創(chuàng)新高速發(fā)展逐步帶動(dòng)農(nóng)業(yè)發(fā)展的信息化和智能化，我國(guó)在一直倡導(dǎo)農(nóng)業(yè)可持續(xù)、智能化發(fā)展，“綠色產(chǎn)業(yè)、生態(tài)環(huán)保，智慧農(nóng)業(yè)”一直是我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的口號(hào)。為了響應(yīng)國(guó)家的號(hào)召，應(yīng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的先進(jìn)性和無(wú)污染性等優(yōu)點(diǎn)，使其在農(nóng)業(yè)應(yīng)用發(fā)展中快速普及。傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)蔬菜大棚，只能對(duì)空氣和土壤的溫、濕度做出檢測(cè)，根據(jù)溫、濕度決定是否開啟灌溉裝置、是否打開保溫層、是否開啟通風(fēng)裝置等，但并未實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制和系統(tǒng)自供電功能?；诖耍P者設(shè)計(jì)了一款基于語(yǔ)音控制新型化“智慧蔬菜大棚”管理系統(tǒng)，通過(guò)語(yǔ)音控制模塊的規(guī)劃和工作原理分析，重點(diǎn)介紹了語(yǔ)音控制模塊的設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)蔬菜大棚管理的語(yǔ)音控制功能，使蔬菜大棚管理邁入智能化和新型化，操作更為便捷。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于本系統(tǒng)的智能蔬菜大棚，主要是在Arduino主板上集成了語(yǔ)音控制模塊、5GWiFi模塊、光能蓄電模塊、監(jiān)測(cè)模塊和系統(tǒng)微處理器等5大模塊?；诒鞠到y(tǒng)的智能蔬菜大棚管理系統(tǒng)Arduino微處理系統(tǒng)集成框圖如圖1所示。

圖1 Arduino微處理系統(tǒng)集成框圖

智慧蔬菜大棚管理系統(tǒng)工作原理是監(jiān)測(cè)器監(jiān)測(cè)空氣的成分含量，監(jiān)測(cè)土壤酸堿度和溫濕度，并把監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸給Arduino微處理器進(jìn)行處理顯示。語(yǔ)音控制模塊將采集的語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路和語(yǔ)音微處理器轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)指令，再將驅(qū)動(dòng)指令傳輸給Arduino處理器，Arduino處理器按照指令操控某一設(shè)備進(jìn)行相關(guān)操作，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。Arduino微處理系統(tǒng)工作所需的電能都是由太陽(yáng)能蓄電模塊供給。太陽(yáng)能光伏板首先將收集的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，再將轉(zhuǎn)換的電能經(jīng)充放電控制器控制轉(zhuǎn)存到鋰蓄電池組中，鋰蓄電池組中的電能由充放電控制器控制給Arduino微處理系統(tǒng)供電，讓Arduino微處理系統(tǒng)正常工作[1-2]。系統(tǒng)微處理器處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 Arduino微處理系統(tǒng)工作原理圖

2 語(yǔ)音控制模塊

語(yǔ)音控制模塊是本系統(tǒng)的創(chuàng)新之處，同時(shí)也是本系統(tǒng)的亮點(diǎn)所在。該系統(tǒng)的語(yǔ)音控制模塊大體由四個(gè)小模塊和一個(gè)語(yǔ)音庫(kù)組成，四個(gè)小模塊分別是語(yǔ)音采集模塊、語(yǔ)音初期處理模塊、語(yǔ)音識(shí)別模塊和語(yǔ)音指令模塊[3]。

2.1 語(yǔ)音采集模塊

語(yǔ)音采集模塊重點(diǎn)進(jìn)行采集信號(hào)和信號(hào)調(diào)頻等工作，它將原始的語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換成語(yǔ)音脈沖序列儲(chǔ)存起來(lái)，主要處理過(guò)程有采集原始語(yǔ)音信號(hào)、A/D轉(zhuǎn)換和信號(hào)調(diào)頻。其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 語(yǔ)音采集結(jié)構(gòu)圖

2.2 語(yǔ)音初期處理模塊

語(yǔ)音初期處理模塊的主要工作是將干擾信號(hào)濾除掉，同時(shí)將語(yǔ)音特征碼矢量化和提取，再將提取的語(yǔ)音特征碼量化成標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)音特征矢量，因此該模塊主要處理過(guò)程有初步處理語(yǔ)音脈沖信號(hào)、提取特征碼、量化矢量值。該模塊處理過(guò)程如圖4所示。

圖4 語(yǔ)音初期處理結(jié)構(gòu)圖

2.3 語(yǔ)音識(shí)別模塊

語(yǔ)音識(shí)別模塊的主要作用是將采集的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)音特征矢量值與標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)音矢量庫(kù)中的語(yǔ)音模型進(jìn)行比較，以確定當(dāng)前語(yǔ)音指令的內(nèi)容，因此該模塊主要處理過(guò)程有語(yǔ)音矢量值的參數(shù)評(píng)估和指令匹配[4]。該模塊處理過(guò)程如圖5所示。

圖5 語(yǔ)音識(shí)別結(jié)構(gòu)圖

2.4 語(yǔ)音指令模塊

語(yǔ)音指令模塊的主要作用是系統(tǒng)依據(jù)語(yǔ)音指令進(jìn)行相關(guān)操作并完成系統(tǒng)相關(guān)功能，如果操作步驟復(fù)雜，系統(tǒng)會(huì)給予用戶相關(guān)操作的語(yǔ)音提示，所以該模塊主要處理過(guò)程有信號(hào)驅(qū)動(dòng)、操控對(duì)象、功能實(shí)現(xiàn)、調(diào)用提示語(yǔ)音預(yù)案集、D/A轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大和語(yǔ)音播放等。該模塊處理過(guò)程如圖6所示。

圖6 語(yǔ)音提示示意圖

2.5 語(yǔ)音控制模塊工作流程圖

語(yǔ)音控制模塊工作流程圖如圖7所示[1]。

圖7 語(yǔ)音控制模塊工作流程圖

2.6 語(yǔ)音控制模塊工作原理

語(yǔ)音控制模塊的工作原理是：1）用話筒采集語(yǔ)音模擬信號(hào)，通過(guò)調(diào)制器將采集的語(yǔ)音模擬信號(hào)放大。2）通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路器將模擬語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再將電信號(hào)傳送給該模塊的微處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，微處理系統(tǒng)根據(jù)預(yù)案集中形成一個(gè)最終處理方案。3）語(yǔ)音控制模塊微處理系統(tǒng)將最終處理方案一方面轉(zhuǎn)化成語(yǔ)音信號(hào)，在將語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)喇叭播放給管理員，另一方面將最終處理方案轉(zhuǎn)給Arduino的微處理系統(tǒng)，讓Arduino的微處理系統(tǒng)的微處理器做出與之對(duì)應(yīng)的處理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的功能[5]。例如，管理員對(duì)著話筒說(shuō)“打開通風(fēng)系統(tǒng)”，則語(yǔ)音控制模塊將接收到的信號(hào)傳輸給Arduino的微處理器，微處理器根據(jù)預(yù)案庫(kù)中的設(shè)置進(jìn)行自動(dòng)打開天窗、進(jìn)行通風(fēng)操作。語(yǔ)音控制模塊工作原理示意圖如圖8所示。

圖8 語(yǔ)音控制模塊工作原理示意圖

2.7 語(yǔ)音控制模塊電路規(guī)劃

主要采用STC11L08XE芯片作為語(yǔ)音控制模塊微處理器，語(yǔ)音控制模塊主要包括語(yǔ)音芯片處理電路和語(yǔ)音微處理電路。語(yǔ)音微處理電路如圖9所示，語(yǔ)音芯片處理電路如圖10所示。

圖9 語(yǔ)音微處理器電路

圖10 語(yǔ)音芯片處理電路

3 結(jié)語(yǔ)

邁入新世紀(jì)，高科技快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)信息化、智能化發(fā)展逐步成為現(xiàn)實(shí)，其中蔬菜大棚管理的新型化、智能化和便捷化將成為新型農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。為了響應(yīng)國(guó)家倡導(dǎo)的“綠色農(nóng)業(yè)”號(hào)召，課題小組設(shè)計(jì)了一款基于語(yǔ)音控制新型化“智慧蔬菜大棚”管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)簡(jiǎn)化了蔬菜大棚管理系統(tǒng)的操作流程，方便了管理人員操作，具有廣闊的推廣及應(yīng)用前景。