|
摘要:為滿足人們對室內(nèi)環(huán)境溫濕度的精準(zhǔn)測控、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)智云平臺帶可通過WiFi網(wǎng)絡(luò)，語音，按鍵等多種智能操控方式、精準(zhǔn)檢測、快速響應(yīng)功能的高效溫濕度測控系統(tǒng)。特別是針對該測控系統(tǒng)在調(diào)控濕度時受溫度變化影響極小，濕度調(diào)控效率高這兩個突出特色進(jìn)行了探究，對于大棚、糧庫，以及各種室內(nèi)場合的濕度進(jìn)行實時監(jiān)測、調(diào)控以及實時傳送顯示數(shù)據(jù)并具有報警提示功能，具有很好的推廣應(yīng)用前景。
引言 隨著信息技術(shù)和社會的不斷發(fā)展，人們對于室內(nèi)溫濕度的控制也提出了更高的要求，尤其對于環(huán)境溫濕度的控制方面，一個合適的環(huán)境溫濕度可以給人以更加舒適的生活體驗。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�，F(xiàn)代加濕器在檢測精度、控制方式和應(yīng)用場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)問題。對此，本系統(tǒng)基于室內(nèi)溫濕度測控技術(shù)研發(fā)了一款基于機(jī)智云平臺在室內(nèi)環(huán)境下可通過WiFi網(wǎng)絡(luò)，語音，按鍵等多種智能操控方式、精準(zhǔn)檢測、快速響應(yīng)功能的溫濕度測控系統(tǒng)。當(dāng)溫度、濕度不符合用戶的需求時，可以實現(xiàn)對設(shè)備的自動控制，使環(huán)境信息滿足用戶需求[1]。本系統(tǒng)對濕度的智能控制速度和加濕效率的優(yōu)勢也是十分突出的。
1高效溫濕度測控系統(tǒng)總體設(shè)計思路 本系統(tǒng)采用機(jī)智云平臺APP、WiFi模塊、語音識別模塊、語音合成模塊、微處理器、濕度傳感器和加濕除濕模塊設(shè)計了一套可通過WiFi網(wǎng)絡(luò)對室內(nèi)溫濕度進(jìn)行實時監(jiān)測、實時調(diào)節(jié)、報警提示的智能溫濕度檢測系統(tǒng)。主控制器采用價格低廉、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：通過機(jī)智云平臺開發(fā)APP借助WIFI網(wǎng)絡(luò)、使用語音以及按鍵控制MCU,MCU從而對各個傳感器進(jìn)行控制，實現(xiàn)對目標(biāo)濕度的設(shè)定、調(diào)節(jié)等功能，當(dāng)環(huán)境的濕度過高或者過低都會進(jìn)行相應(yīng)的報警提示。圖1展示了本系統(tǒng)的總體方案框圖。
2測控系統(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的閃存存儲器，以及48KB的SRAM隨機(jī)存儲器。這款芯片不僅開發(fā)簡單，而且成本代價低。STM32F103RCT6[3]采用的Cortex-M3內(nèi)核使用哈佛結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)和程序代碼獨立存儲，指令總線和數(shù)據(jù)總線也是相互獨立互不干擾的。這種結(jié)構(gòu)使得數(shù)據(jù)的讀取時間大大縮減，工作效率大大提高，性能也得到了很大程度上的提高，同時各個總線接口可以并行運行。
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優(yōu)點：它直接通過串口實現(xiàn)透傳方便接入單片機(jī)；模塊的封裝設(shè)計十分精巧方便安裝拆卸；此模塊針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計，可以將電氣設(shè)備通過此模塊連接到互聯(lián)網(wǎng)或本地通信網(wǎng)絡(luò)上從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能。
2.3語音識別模塊 本次項目使用的語音識別模塊采用芯片是深圳市中原嵌入式科技有限公司開發(fā)的LD3320，如圖3所示。該模塊配備了一個單片機(jī)(STC11L60XE)，允許通過SPI和LD3320模塊識別語音模塊功能。該款單片機(jī)有16個單片機(jī)IO口，因此模塊無需借助其他處理器，可以單獨完成語音識別和輸出操作。當(dāng)借助其他單片機(jī)和開發(fā)板，可以通過串口的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
圖3LD33320語音識別模塊
2.4語音合成模塊 此次用于語音播報的模塊選擇的是SYN6288語音合成模塊。本文通過語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控制信息以語音的形式播報出來，再加上語音識別模塊進(jìn)而實現(xiàn)了人機(jī)語音信息交互的效果。對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，工作原理是通過產(chǎn)生高頻的震蕩信號(其振蕩頻率通常為1.7MHz或2.4MHz)，然后將產(chǎn)生的超高頻信號傳輸?shù)届F化片上，帶動霧化片的超頻震動，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]。因為此過程中所用的超頻信號為1.7MHz超出了人的耳覺的聽覺范圍，所以沒有噪音的產(chǎn)生，從而實現(xiàn)均勻加濕，使得人體感受更加舒適，并且此過程中也使得空氣更加的清新，有利于人體的健康。
此項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，加濕均勻的特點實現(xiàn)環(huán)境濕度的快速提升，從而大幅地縮短了濕度的調(diào)控時間，并通過計算目標(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，以及各類濕度要求較高的室內(nèi)空間實現(xiàn)對環(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用價值的解決方案。
3機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺的運用 3.1機(jī)智云平臺簡介 機(jī)智云是一個專門針對物聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)設(shè)計的開發(fā)平臺，旨在為用戶提供云端服務(wù)和智能硬件開發(fā)工具，使開發(fā)者能夠減小對物聯(lián)網(wǎng)平臺的開發(fā)門檻，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高開發(fā)效率。此外，機(jī)智云平臺還提供二次開發(fā)的GAgent，無需用戶維護(hù)IaaS平臺，幫助企業(yè)和開發(fā)者更好地服務(wù)大眾。
本系統(tǒng)可以通過機(jī)智云平臺選定硬件平臺，以及方案類型，生成MCU在開發(fā)過程中所需要的代碼，實現(xiàn)機(jī)智云平臺與MCU的快速接入。因此可以跳過通訊協(xié)議，通過移植生成的源碼便可快速開發(fā)硬件程序以實時精準(zhǔn)地測控溫濕度。圖6為機(jī)智云平臺架構(gòu)原理示意圖。
3.2應(yīng)用開發(fā) 機(jī)智云平臺根據(jù)用戶所使用的平臺，選擇所需要的平臺源碼，能夠自動生成App的源碼，打包后便可直接安裝到手機(jī)上運行。用戶也可以在源碼的基礎(chǔ)上自行修改，通過自己的創(chuàng)意來設(shè)計APP，從而實現(xiàn)更好的用戶體驗或提高應(yīng)用的質(zhì)量。圖7和圖8分別為機(jī)智云平臺應(yīng)用的開發(fā)及本系統(tǒng)所用應(yīng)用的部分頁面。
圖6機(jī)智云平臺架構(gòu)原理示意圖
圖7應(yīng)用開發(fā)平臺的選擇及源碼生成
圖8本系統(tǒng)應(yīng)用的部分頁面
4軟件及算法設(shè)計 4.1軟件設(shè)計總體方案
本次項目用到的所有算法包括語音播報控制、數(shù)據(jù)處理、事件處理邏輯、語音識別控制、按鍵掃描及關(guān)鍵詞等算法。圖9為系統(tǒng)軟件設(shè)計總體方案。
圖9系統(tǒng)軟件及算法結(jié)構(gòu)
4.2語音播報控制 收起語音播報控制算法的思想主要是通過系統(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，配合語音識別模塊形成人機(jī)交互的效果。當(dāng)單片機(jī)接收到語音識別模塊發(fā)來的標(biāo)志符時，就會按照設(shè)定文本信息以及采集到的溫濕度信息控制語音合成模塊進(jìn)行語音的合成以及播報。當(dāng)利用手機(jī)端，按鍵，或者語音控制系統(tǒng)狀態(tài)變化時語音模塊也會相應(yīng)地進(jìn)行語音提示。
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)點進(jìn)行處理，并根據(jù)濕度調(diào)控開關(guān)，警報開關(guān)的狀態(tài)，以及設(shè)定的目標(biāo)濕度，濕度報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，濕度報警的效果。加濕時風(fēng)扇和加濕模塊同時工作從而使得加濕更加地均勻，在除濕時，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句的拼音添加到關(guān)鍵詞列表，并與相應(yīng)的識別碼進(jìn)行一一映射。當(dāng)識別模塊識別到外界的語音信息中有與設(shè)定的關(guān)鍵詞相似的頻率的聲波信號時，就會匹配關(guān)鍵詞語列表中的關(guān)鍵詞，將關(guān)鍵字列表中得分最高的關(guān)鍵詞語找出并映射到相應(yīng)的識別碼，然后執(zhí)行相應(yīng)操作。
4.5語音識別控制端
此次使用的語音識別模塊上搭載有一個單片機(jī)(STC11L60XE),STC11L60XE和LD3320語音識別模塊通過SPI通信，實現(xiàn)語音識別的功能。STC11L60XE共引出16個IO口,無需配套其他單片機(jī)即可獨立完成工作。當(dāng)配合其他單片機(jī)、開發(fā)板使用時，可以對此模塊進(jìn)行編程，添加關(guān)鍵詞，識別碼處理事件等，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溫濕度測控系統(tǒng)實物展示 基于上述有關(guān)原理的探究、系統(tǒng)整體設(shè)計和軟硬件開發(fā)，設(shè)計并研發(fā)出一款基于機(jī)智云平臺在室內(nèi)環(huán)境下可通過WiFi網(wǎng)絡(luò)，語音，按鍵等多種智能操控方式、精準(zhǔn)檢測、快速響應(yīng)功能的溫濕度測控系統(tǒng)。如圖10和圖11所示。
圖10溫濕度測控系統(tǒng)實物正規(guī)
圖11溫濕度測控系統(tǒng)實物側(cè)視圖
6結(jié)束語 本文旨在介紹一個溫濕度測控系統(tǒng)，它主要解決以下問題：物聯(lián)網(wǎng)的快速搭建、個性化的手機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計、精準(zhǔn)語音指令的識別以及快速濕度調(diào)節(jié)的能力。該系統(tǒng)能夠為大棚、糧倉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)已實現(xiàn)了通過手機(jī)、語音控制和按鍵對環(huán)境濕度進(jìn)行實時監(jiān)控的目的。它的實用價值有一定提高，并可作為處理實際問題的解決方案，但在實際應(yīng)用于各種溫室真實場景，甚至產(chǎn)品化過程中，還需進(jìn)一步解決許多待解決的問題。
| 
QQ好友和群
QQ空間
騰訊微博
騰訊朋友
收藏
淘帖
頂
踩
