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摘要:為滿足人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境溫濕度的精準(zhǔn)測(cè)控、高效性能、方式多樣和操控快捷方便等方面的需求，研發(fā)了一款基于機(jī)智云平臺(tái)帶可通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)，語(yǔ)音，按鍵等多種智能操控方式、精準(zhǔn)檢測(cè)、快速響應(yīng)功能的高效溫濕度測(cè)控系統(tǒng)。特別是針對(duì)該測(cè)控系統(tǒng)在調(diào)控濕度時(shí)受溫度變化影響極小，濕度調(diào)控效率高這兩個(gè)突出特色進(jìn)行了探究，對(duì)于大棚、糧庫(kù)，以及各種室內(nèi)場(chǎng)合的濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、調(diào)控以及實(shí)時(shí)傳送顯示數(shù)據(jù)并具有報(bào)警提示功能，具有很好的推廣應(yīng)用前景。
引言 隨著信息技術(shù)和社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于室內(nèi)溫濕度的控制也提出了更高的要求，尤其對(duì)于環(huán)境溫濕度的控制方面，一個(gè)合適的環(huán)境溫濕度可以給人以更加舒適的生活體驗(yàn)。此外，目前大棚養(yǎng)殖等農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，許多工作仍然依賴人工操作。現(xiàn)代加濕器在檢測(cè)精度、控制方式和應(yīng)用場(chǎng)景等方面還存在很多待探討的物理原理和急需解決的技術(shù)問(wèn)題。對(duì)此，本系統(tǒng)基于室內(nèi)溫濕度測(cè)控技術(shù)研發(fā)了一款基于機(jī)智云平臺(tái)在室內(nèi)環(huán)境下可通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)，語(yǔ)音，按鍵等多種智能操控方式、精準(zhǔn)檢測(cè)、快速響應(yīng)功能的溫濕度測(cè)控系統(tǒng)。當(dāng)溫度、濕度不符合用戶的需求時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的自動(dòng)控制，使環(huán)境信息滿足用戶需求[1]。本系統(tǒng)對(duì)濕度的智能控制速度和加濕效率的優(yōu)勢(shì)也是十分突出的。
1高效溫濕度測(cè)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路 本系統(tǒng)采用機(jī)智云平臺(tái)APP、WiFi模塊、語(yǔ)音識(shí)別模塊、語(yǔ)音合成模塊、微處理器、濕度傳感器和加濕除濕模塊設(shè)計(jì)了一套可通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)對(duì)室內(nèi)溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)、報(bào)警提示的智能溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)。主控制器采用價(jià)格低廉、性能高的STM32F103作為主控芯片[2]。系統(tǒng)控制方式可以分為三種：通過(guò)機(jī)智云平臺(tái)開(kāi)發(fā)APP借助WIFI網(wǎng)絡(luò)、使用語(yǔ)音以及按鍵控制MCU,MCU從而對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)濕度的設(shè)定、調(diào)節(jié)等功能，當(dāng)環(huán)境的濕度過(guò)高或者過(guò)低都會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警提示。圖1展示了本系統(tǒng)的總體方案框圖。
2測(cè)控系統(tǒng)的器件選用及結(jié)構(gòu)搭建 2.1MCU主控模塊 本次選用的微控制器意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103RCT6。這款控制芯片的內(nèi)核規(guī)格為是32位的，主頻頻率72MHz，程序的內(nèi)存類型為flash，具有256KB的閃存存儲(chǔ)器，以及48KB的SRAM隨機(jī)存儲(chǔ)器。這款芯片不僅開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，而且成本代價(jià)低。STM32F103RCT6[3]采用的Cortex-M3內(nèi)核使用哈佛結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)和程序代碼獨(dú)立存儲(chǔ)，指令總線和數(shù)據(jù)總線也是相互獨(dú)立互不干擾的。這種結(jié)構(gòu)使得數(shù)據(jù)的讀取時(shí)間大大縮減，工作效率大大提高，性能也得到了很大程度上的提高，同時(shí)各個(gè)總線接口可以并行運(yùn)行。
圖1系統(tǒng)總體方案框圖
2.2WiFi模塊
本文選擇esp8266，作為通信模塊組件，如圖2所示，主要考慮到了其以下的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：它直接通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)透?jìng)鞣奖憬尤雴纹瑱C(jī)；模塊的封裝設(shè)計(jì)十分精巧方便安裝拆卸；此模塊針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，可以將電氣設(shè)備通過(guò)此模塊連接到互聯(lián)網(wǎng)或本地通信網(wǎng)絡(luò)上從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能。
2.3語(yǔ)音識(shí)別模塊 本次項(xiàng)目使用的語(yǔ)音識(shí)別模塊采用芯片是深圳市中原嵌入式科技有限公司開(kāi)發(fā)的LD3320，如圖3所示。該模塊配備了一個(gè)單片機(jī)(STC11L60XE)，允許通過(guò)SPI和LD3320模塊識(shí)別語(yǔ)音模塊功能。該款單片機(jī)有16個(gè)單片機(jī)IO口，因此模塊無(wú)需借助其他處理器，可以單獨(dú)完成語(yǔ)音識(shí)別和輸出操作。當(dāng)借助其他單片機(jī)和開(kāi)發(fā)板，可以通過(guò)串口的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
圖3LD33320語(yǔ)音識(shí)別模塊
2.4語(yǔ)音合成模塊 此次用于語(yǔ)音播報(bào)的模塊選擇的是SYN6288語(yǔ)音合成模塊。本文通過(guò)語(yǔ)音合成模塊與單片機(jī)、揚(yáng)聲器配合使用，將獲取到的溫濕度信息以及MCU控制信息以語(yǔ)音的形式播報(bào)出來(lái)，再加上語(yǔ)音識(shí)別模塊進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了人機(jī)語(yǔ)音信息交互的效果。對(duì)于此模塊的具體工作流程，如圖4所示。
圖4SYN6288模塊工作流程圖
2.5加濕模塊 超聲波加濕器，工作原理是通過(guò)產(chǎn)生高頻的震蕩信號(hào)(其振蕩頻率通常為1.7MHz或2.4MHz)，然后將產(chǎn)生的超高頻信號(hào)傳輸?shù)届F化片上，帶動(dòng)霧化片的超頻震動(dòng)，從而將霧化片的水打散成直徑在5微米左右的小水珠懸浮在空中，最后通過(guò)風(fēng)機(jī)將產(chǎn)生小水珠吹出帶入到外部空氣當(dāng)中，從而增加環(huán)境的濕度，達(dá)到加濕的目的[4]。因?yàn)榇诉^(guò)程中所用的超頻信號(hào)為1.7MHz超出了人的耳覺(jué)的聽(tīng)覺(jué)范圍，所以沒(méi)有噪音的產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)均勻加濕，使得人體感受更加舒適，并且此過(guò)程中也使得空氣更加的清新，有利于人體的健康。
此項(xiàng)目的使用的加濕模塊，如圖5所示，采用USB供電，模塊的驅(qū)動(dòng)電壓只有5V，功耗小，產(chǎn)生的高頻波形更加的穩(wěn)定，5微米的超細(xì)噴霧孔徑。
圖5超聲波加濕模塊
采用超聲波式的加濕模塊，充分利用其加濕強(qiáng)度大，加濕均勻的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)環(huán)境濕度的快速提升，從而大幅地縮短了濕度的調(diào)控時(shí)間，并通過(guò)計(jì)算目標(biāo)濕度與外部環(huán)境濕度差值，進(jìn)行濕度預(yù)估，提前調(diào)控的方法提高了對(duì)濕度的調(diào)控精度，成功將濕度誤差控制在3%以內(nèi)。為大棚，糧倉(cāng)，以及各類濕度要求較高的室內(nèi)空間實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境濕度進(jìn)行快速、高效、精準(zhǔn)、可靠的控制提供了一套具備一定實(shí)用價(jià)值的解決方案。
3機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的運(yùn)用 3.1機(jī)智云平臺(tái)簡(jiǎn)介 機(jī)智云是一個(gè)專門(mén)針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，旨在為用戶提供云端服務(wù)和智能硬件開(kāi)發(fā)工具，使開(kāi)發(fā)者能夠減小對(duì)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)門(mén)檻，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、降低開(kāi)發(fā)成本、提高開(kāi)發(fā)效率。此外，機(jī)智云平臺(tái)還提供二次開(kāi)發(fā)的GAgent，無(wú)需用戶維護(hù)IaaS平臺(tái)，幫助企業(yè)和開(kāi)發(fā)者更好地服務(wù)大眾。
本系統(tǒng)可以通過(guò)機(jī)智云平臺(tái)選定硬件平臺(tái)，以及方案類型，生成MCU在開(kāi)發(fā)過(guò)程中所需要的代碼，實(shí)現(xiàn)機(jī)智云平臺(tái)與MCU的快速接入。因此可以跳過(guò)通訊協(xié)議，通過(guò)移植生成的源碼便可快速開(kāi)發(fā)硬件程序以實(shí)時(shí)精準(zhǔn)地測(cè)控溫濕度。圖6為機(jī)智云平臺(tái)架構(gòu)原理示意圖。
3.2應(yīng)用開(kāi)發(fā) 機(jī)智云平臺(tái)根據(jù)用戶所使用的平臺(tái)，選擇所需要的平臺(tái)源碼，能夠自動(dòng)生成App的源碼，打包后便可直接安裝到手機(jī)上運(yùn)行。用戶也可以在源碼的基礎(chǔ)上自行修改，通過(guò)自己的創(chuàng)意來(lái)設(shè)計(jì)APP，從而實(shí)現(xiàn)更好的用戶體驗(yàn)或提高應(yīng)用的質(zhì)量。圖7和圖8分別為機(jī)智云平臺(tái)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)及本系統(tǒng)所用應(yīng)用的部分頁(yè)面。
圖6機(jī)智云平臺(tái)架構(gòu)原理示意圖
圖7應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選擇及源碼生成
圖8本系統(tǒng)應(yīng)用的部分頁(yè)面
4軟件及算法設(shè)計(jì) 4.1軟件設(shè)計(jì)總體方案
本次項(xiàng)目用到的所有算法包括語(yǔ)音播報(bào)控制、數(shù)據(jù)處理、事件處理邏輯、語(yǔ)音識(shí)別控制、按鍵掃描及關(guān)鍵詞等算法。圖9為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體方案。
圖9系統(tǒng)軟件及算法結(jié)構(gòu)
4.2語(yǔ)音播報(bào)控制 收起語(yǔ)音播報(bào)控制算法的思想主要是通過(guò)系統(tǒng)的狀態(tài)以及單片機(jī)采集到的一些溫濕度信息，根據(jù)設(shè)定的控制標(biāo)志位狀態(tài)進(jìn)行反饋，配合語(yǔ)音識(shí)別模塊形成人機(jī)交互的效果。當(dāng)單片機(jī)接收到語(yǔ)音識(shí)別模塊發(fā)來(lái)的標(biāo)志符時(shí)，就會(huì)按照設(shè)定文本信息以及采集到的溫濕度信息控制語(yǔ)音合成模塊進(jìn)行語(yǔ)音的合成以及播報(bào)。當(dāng)利用手機(jī)端，按鍵，或者語(yǔ)音控制系統(tǒng)狀態(tài)變化時(shí)語(yǔ)音模塊也會(huì)相應(yīng)地進(jìn)行語(yǔ)音提示。
4.3數(shù)據(jù)處理 用戶數(shù)據(jù)處理的主要任務(wù)是根據(jù)溫濕度模塊獲取的外界溫濕度數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行處理，并根據(jù)濕度調(diào)控開(kāi)關(guān)，警報(bào)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，以及設(shè)定的目標(biāo)濕度，濕度報(bào)警閾值的上下限控制加濕模塊，風(fēng)扇，蜂鳴器的工作狀態(tài)從而達(dá)到濕度控制，濕度報(bào)警的效果。加濕時(shí)風(fēng)扇和加濕模塊同時(shí)工作從而使得加濕更加地均勻，在除濕時(shí)，只需讓風(fēng)扇工作即可達(dá)到除濕的效果。
4.4關(guān)鍵詞添加 關(guān)鍵詞添加算法的思想是提前將指令語(yǔ)句的拼音添加到關(guān)鍵詞列表，并與相應(yīng)的識(shí)別碼進(jìn)行一一映射。當(dāng)識(shí)別模塊識(shí)別到外界的語(yǔ)音信息中有與設(shè)定的關(guān)鍵詞相似的頻率的聲波信號(hào)時(shí)，就會(huì)匹配關(guān)鍵詞語(yǔ)列表中的關(guān)鍵詞，將關(guān)鍵字列表中得分最高的關(guān)鍵詞語(yǔ)找出并映射到相應(yīng)的識(shí)別碼，然后執(zhí)行相應(yīng)操作。
4.5語(yǔ)音識(shí)別控制端
此次使用的語(yǔ)音識(shí)別模塊上搭載有一個(gè)單片機(jī)(STC11L60XE),STC11L60XE和LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊通過(guò)SPI通信，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別的功能。STC11L60XE共引出16個(gè)IO口,無(wú)需配套其他單片機(jī)即可獨(dú)立完成工作。當(dāng)配合其他單片機(jī)、開(kāi)發(fā)板使用時(shí)，可以對(duì)此模塊進(jìn)行編程，添加關(guān)鍵詞，識(shí)別碼處理事件等，然后利用模塊的串口輸出功能進(jìn)行通訊數(shù)據(jù)傳輸。
5溫濕度測(cè)控系統(tǒng)實(shí)物展示 基于上述有關(guān)原理的探究、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)和軟硬件開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)并研發(fā)出一款基于機(jī)智云平臺(tái)在室內(nèi)環(huán)境下可通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)，語(yǔ)音，按鍵等多種智能操控方式、精準(zhǔn)檢測(cè)、快速響應(yīng)功能的溫濕度測(cè)控系統(tǒng)。如圖10和圖11所示。
圖10溫濕度測(cè)控系統(tǒng)實(shí)物正規(guī)
圖11溫濕度測(cè)控系統(tǒng)實(shí)物側(cè)視圖
6結(jié)束語(yǔ) 本文旨在介紹一個(gè)溫濕度測(cè)控系統(tǒng)，它主要解決以下問(wèn)題：物聯(lián)網(wǎng)的快速搭建、個(gè)性化的手機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)、精準(zhǔn)語(yǔ)音指令的識(shí)別以及快速濕度調(diào)節(jié)的能力。該系統(tǒng)能夠?yàn)榇笈�、糧倉(cāng)和其他要求濕度較高的室內(nèi)環(huán)境提供一套高效、精準(zhǔn)、可靠的控制方案。本系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了通過(guò)手機(jī)、語(yǔ)音控制和按鍵對(duì)環(huán)境濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。它的實(shí)用價(jià)值有一定提高，并可作為處理實(shí)際問(wèn)題的解決方案，但在實(shí)際應(yīng)用于各種溫室真實(shí)場(chǎng)景，甚至產(chǎn)品化過(guò)程中，還需進(jìn)一步解決許多待解決的問(wèn)題。
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