基于語音控制新型化“智慧蔬菜大棚”管理系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

王鵬亮

（甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 甘肅省天水市 741001）

1 引言

進(jìn)入新世紀(jì)，農(nóng)業(yè)信息化智能化成為新世紀(jì)農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢，為了響應(yīng)國家的“綠色產(chǎn)業(yè)、生態(tài)環(huán)保，智慧農(nóng)業(yè)”的號召，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中得到普遍推廣和快速發(fā)展，而物聯(lián)網(wǎng)蔬菜大棚就是物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的一個典例。傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)蔬菜大棚，只是實(shí)現(xiàn)對空氣成分含量和溫度的檢測，實(shí)現(xiàn)對土壤溫、濕度的檢測，智能澆灌和卷、放保溫層等功能，但，并未實(shí)現(xiàn)語音控制、鏈接5G 網(wǎng)絡(luò)功能和系統(tǒng)自供電功能。本文論述了一款基于語音控制新型化“智慧蔬菜大棚”管理的系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，通過系統(tǒng)各模塊電路的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)蔬菜大棚管理的語音控制功能、5G 連網(wǎng)功能和系統(tǒng)自供電功能，使蔬菜大棚管理邁入智能化和便捷化。

2 電路設(shè)計(jì)

基于語音控制網(wǎng)絡(luò)新型化“智慧蔬菜大棚”管理系統(tǒng)主板主要電路有以下幾個模塊：Arduino 系統(tǒng)微處理器電路、監(jiān)測器電路、語音模塊電路、5G Wi-Fi 模塊電路和光能蓄電模塊電路。通過處理器對各模塊電路的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)以下功能：語音控制蔬菜大棚管理系統(tǒng)的運(yùn)行，連接5G Wi-Fi 實(shí)現(xiàn)傳感器采集的數(shù)據(jù)通過無線快速傳輸，系統(tǒng)通過光能蓄電模塊實(shí)現(xiàn)工作所需電能自供。

2.1 系統(tǒng)總電路規(guī)劃

基于本系統(tǒng)的智能蔬菜大棚，主電路板采用Arduino 集成主板。監(jiān)測器均勻分布在蔬菜大棚，每個監(jiān)測器上集成有溫度傳感器、濕度傳感器、二氧化碳傳感器、氧氣傳感器、光敏傳感器、A/D 轉(zhuǎn)化模塊和5G Wi-Fi 模塊，監(jiān)測器結(jié)構(gòu)如圖1所示。每個監(jiān)測器通過埋在地面下的布線管中的排線連接到Arduino 集成主板。Arduino主板上集成有語音控制模塊、5G Wi-Fi 模塊和光能蓄電模塊，語音控制電路模塊集成有A/D 轉(zhuǎn)換模塊、話筒、喇叭和語音微處理器，5G Wi-Fi 模塊可以和移動設(shè)備、電腦或監(jiān)視屏幕相連，所述光能蓄電模塊包含鋰蓄電池組、充放電控制器和太陽能光伏板，基于本系統(tǒng)的智能蔬菜大棚整個電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1：監(jiān)測器結(jié)構(gòu)圖

圖2：Arduino 微處理系統(tǒng)電路集成示意圖

2.2 系統(tǒng)微處理器電路的設(shè)計(jì)

微處理器作為系統(tǒng)的控制和處理核心，其電路布局是龐大且復(fù)雜的。本智能管理系統(tǒng)主要采用STM32F103C8T6 作為系統(tǒng)處理器，監(jiān)測器電路、語音模塊電路、5G Wi-Fi 模塊電路和光能蓄電模塊電路都和微處理器電路相連。由微處理器系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)、控制各模塊電路的工作，接收、處理各模塊傳輸來的電子信號，并把處理結(jié)果反傳輸給各模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。微處理器處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，微處理器電路如圖4所示。

圖3：Arduino 微處理器處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4：Arduino 微處理器電路示意圖

2.3 監(jiān)測器電路的設(shè)計(jì)

監(jiān)測器電路設(shè)計(jì)主要包括氧氣傳感器電路、二氧化碳傳感器電路、光敏傳感器電路、溫度傳感器電路和濕度傳感器電路，監(jiān)測器電路總體設(shè)計(jì)如圖5所示。該電路模塊的功能是所有傳感器將檢測到的模擬信號通過A/D 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為具體電信號，然后將轉(zhuǎn)換后的電信號通過5G 無線信號（聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)）或排線（斷網(wǎng)狀態(tài)）傳輸給Arduino 處理系統(tǒng)的微處理器進(jìn)行處理，微處理器將處理信息通過顯示屏顯示溫度、濕度和其他一些信息，并根據(jù)預(yù)案庫中的事件集進(jìn)行下一步操作，如檢測到濕度小于預(yù)案庫中設(shè)置的土壤濕度值，則微處理器自動打開澆水電路，進(jìn)行土壤灌溉操作。

圖5：監(jiān)測器電路設(shè)計(jì)

圖6：語音模塊工作流程圖

圖7：語音微處理器電路

圖8：語音芯片處理電路

圖9：光能蓄電模塊電路設(shè)計(jì)

2.4 語音模塊電路的設(shè)計(jì)

如圖6所示，語音模塊處理系統(tǒng)主要采用LD3200 芯片，主要包括話語音微處理電路（圖7）和語音芯片處理電路（圖8）。語音模塊電路的功能是話筒采集語音模擬信號，調(diào)制器再將語音信號放大傳輸給A/D 轉(zhuǎn)換電路器，將其轉(zhuǎn)換成電信號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)案集形成一個最終處理結(jié)果，然后將處理結(jié)果一方面轉(zhuǎn)化成語音信號通過喇叭播放給管理員，一方面將最終結(jié)果轉(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應(yīng)的處理，如管理員對著話筒說“打開通風(fēng)系統(tǒng)”，則語音模塊將接收到的信號傳輸給Arduino的微處理器，微處理器根據(jù)預(yù)案庫中的設(shè)置進(jìn)行自動打開天窗、進(jìn)行通風(fēng)操作。

2.5 光能蓄電模塊電路的設(shè)計(jì)

該模塊電路設(shè)計(jì)主要包括充放電控制器電路、太陽能光伏板電路和蓄電池組電路，光能蓄電模塊電路總體設(shè)計(jì)如圖9所示。該電路模塊的功能是應(yīng)用太陽能光伏板將光能轉(zhuǎn)換為電能通過充放電控制器存儲到鋰蓄電池中，并對充電進(jìn)度和電量進(jìn)行實(shí)時顯示，當(dāng)充電完畢則自動斷開充電電路，不再充電。然后蓄電池中的電能通過放電裝置轉(zhuǎn)換為恒壓直流電接到Arduino 主板上，給Arduino 微處理系統(tǒng)提供正常工作的電能。

3 結(jié)語

隨著高科技的迅猛發(fā)展，蔬菜大棚管理的新型化、智能化和便捷化以成為新型農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢。本系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)也順應(yīng)我國“智慧農(nóng)業(yè)”的要求，推廣前景廣闊。