基于新型化“智慧蔬菜大棚”管理系統的語音控制模塊設計*

王鵬亮

（甘肅機電職業技術學院，甘肅 天水 741000）

0 引言

進入21世紀，科技創新高速發展逐步帶動農業發展的信息化和智能化，我國在一直倡導農業可持續、智能化發展，“綠色產業、生態環保，智慧農業”一直是我國農業發展的口號。為了響應國家的號召，應利用物聯網技術的先進性和無污染性等優點，使其在農業應用發展中快速普及。傳統物聯網蔬菜大棚，只能對空氣和土壤的溫、濕度做出檢測，根據溫、濕度決定是否開啟灌溉裝置、是否打開保溫層、是否開啟通風裝置等，但并未實現語音控制和系統自供電功能。基于此，筆者設計了一款基于語音控制新型化“智慧蔬菜大棚”管理系統，通過語音控制模塊的規劃和工作原理分析，重點介紹了語音控制模塊的設計與功能實現，從而實現蔬菜大棚管理的語音控制功能，使蔬菜大棚管理邁入智能化和新型化，操作更為便捷。

1 系統總體設計

基于本系統的智能蔬菜大棚，主要是在Arduino主板上集成了語音控制模塊、5GWiFi模塊、光能蓄電模塊、監測模塊和系統微處理器等5大模塊。基于本系統的智能蔬菜大棚管理系統Arduino微處理系統集成框圖如圖1所示。

圖1 Arduino微處理系統集成框圖

智慧蔬菜大棚管理系統工作原理是監測器監測空氣的成分含量，監測土壤酸堿度和溫濕度，并把監測到的數據通過無線傳輸給Arduino微處理器進行處理顯示。語音控制模塊將采集的語音信號通過A/D轉換電路和語音微處理器轉換為驅動指令，再將驅動指令傳輸給Arduino處理器，Arduino處理器按照指令操控某一設備進行相關操作，實現相關功能。Arduino微處理系統工作所需的電能都是由太陽能蓄電模塊供給。太陽能光伏板首先將收集的太陽能轉換為電能，再將轉換的電能經充放電控制器控制轉存到鋰蓄電池組中，鋰蓄電池組中的電能由充放電控制器控制給Arduino微處理系統供電，讓Arduino微處理系統正常工作[1-2]。系統微處理器處理系統結構圖如圖2所示。

圖2 Arduino微處理系統工作原理圖

2 語音控制模塊

語音控制模塊是本系統的創新之處，同時也是本系統的亮點所在。該系統的語音控制模塊大體由四個小模塊和一個語音庫組成，四個小模塊分別是語音采集模塊、語音初期處理模塊、語音識別模塊和語音指令模塊[3]。

2.1 語音采集模塊

語音采集模塊重點進行采集信號和信號調頻等工作，它將原始的語音信號轉換成語音脈沖序列儲存起來，主要處理過程有采集原始語音信號、A/D轉換和信號調頻。其結構圖如圖3所示。

圖3 語音采集結構圖

2.2 語音初期處理模塊

語音初期處理模塊的主要工作是將干擾信號濾除掉，同時將語音特征碼矢量化和提取，再將提取的語音特征碼量化成標準語音特征矢量，因此該模塊主要處理過程有初步處理語音脈沖信號、提取特征碼、量化矢量值。該模塊處理過程如圖4所示。

圖4 語音初期處理結構圖

2.3 語音識別模塊

語音識別模塊的主要作用是將采集的標準語音特征矢量值與標準語音矢量庫中的語音模型進行比較，以確定當前語音指令的內容，因此該模塊主要處理過程有語音矢量值的參數評估和指令匹配[4]。該模塊處理過程如圖5所示。

圖5 語音識別結構圖

2.4 語音指令模塊

語音指令模塊的主要作用是系統依據語音指令進行相關操作并完成系統相關功能，如果操作步驟復雜，系統會給予用戶相關操作的語音提示，所以該模塊主要處理過程有信號驅動、操控對象、功能實現、調用提示語音預案集、D/A轉換、信號放大和語音播放等。該模塊處理過程如圖6所示。

圖6 語音提示示意圖

2.5 語音控制模塊工作流程圖

語音控制模塊工作流程圖如圖7所示[1]。

圖7 語音控制模塊工作流程圖

2.6 語音控制模塊工作原理

語音控制模塊的工作原理是：1）用話筒采集語音模擬信號，通過調制器將采集的語音模擬信號放大。2）通過A/D轉換電路器將模擬語音信號轉換成電信號，再將電信號傳送給該模塊的微處理系統進行處理，微處理系統根據預案集中形成一個最終處理方案。3）語音控制模塊微處理系統將最終處理方案一方面轉化成語音信號，在將語音信號通過喇叭播放給管理員，另一方面將最終處理方案轉給Arduino的微處理系統，讓Arduino的微處理系統的微處理器做出與之對應的處理，實現系統對應的功能[5]。例如，管理員對著話筒說“打開通風系統”，則語音控制模塊將接收到的信號傳輸給Arduino的微處理器，微處理器根據預案庫中的設置進行自動打開天窗、進行通風操作。語音控制模塊工作原理示意圖如圖8所示。

圖8 語音控制模塊工作原理示意圖

2.7 語音控制模塊電路規劃

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

圖9 語音微處理器電路

圖10 語音芯片處理電路

3 結語

邁入新世紀，高科技快速發展，農業信息化、智能化發展逐步成為現實，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業發展的趨勢。為了響應國家倡導的“綠色農業”號召，課題小組設計了一款基于語音控制新型化“智慧蔬菜大棚”管理系統，該系統簡化了蔬菜大棚管理系統的操作流程，方便了管理人員操作，具有廣闊的推廣及應用前景。