基于樹莓派的創(chuàng)意天氣播報(bào)設(shè)計(jì)

塔力哈爾·布蘭，孟小艷，迪力阿熱木·吐爾地玉蘇甫，黃雅玲，新娜爾·庫萬太

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

0 引言

天氣預(yù)報(bào)是人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦斜夭豢缮俚男畔ⅲ瑥V泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、商業(yè)、能源、交通、運(yùn)輸、建筑、林業(yè)、水利、國土資源、海洋、鹽業(yè)、環(huán)保、旅游、航空、郵電、保險(xiǎn)、消防等行業(yè)[1]。隨著社會的發(fā)展，氣象信息的傳播渠道從電臺播報(bào)、報(bào)紙、定時(shí)收看電視天氣預(yù)報(bào)節(jié)目到現(xiàn)在通過上網(wǎng)查詢或從App里探知天氣變化。實(shí)時(shí)的天氣預(yù)報(bào)極大地方便人們的生活和工作。然而，大部分老年人不會使用智能手機(jī)，仍習(xí)慣在電視上觀看天氣預(yù)報(bào)節(jié)目，有時(shí)候會出現(xiàn)錯(cuò)過時(shí)間的情況。年輕人每次想知道天氣情況，須上網(wǎng)搜索天氣信息。故本設(shè)計(jì)總結(jié)了以上的不足，研究出實(shí)時(shí)播報(bào)天氣且便于攜帶的小實(shí)物，既節(jié)省時(shí)間及精力，也不會受時(shí)間、地點(diǎn)等因素的限制。

1 研究現(xiàn)狀

隨著科技的日益提高和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對于生活的便捷要求越來越高，智能家居的出現(xiàn)打破了人們傳統(tǒng)的做事思維，比如從人們使用手機(jī)查詢天氣到智能天氣播報(bào)、手工炒菜到做飯機(jī)器人炒菜、手動(dòng)煮飯到一鍵智能煮飯等。在智能天氣播報(bào)方面，國內(nèi)外都在智能家居以及氣象行業(yè)的研究方面有了一定的科研成果。

在國內(nèi)，智能家居的產(chǎn)品層出不窮，各大網(wǎng)站及商業(yè)巨頭都在潛心鉆研智能家居。目前，我國已研發(fā)出智能照明系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、空氣質(zhì)量監(jiān)測的服務(wù)、智能家電控制系統(tǒng)等。在氣象行業(yè)方面，中國已經(jīng)擁有了一套屬于自己的完整氣象觀測系統(tǒng)，并且擁有了全球最大氣象雷達(dá)探測網(wǎng)，氣象觀測技術(shù)水平居于世界前列。直至今日，中國已擁有9顆風(fēng)云氣象衛(wèi)星在太空軌道運(yùn)行，向世界多個(gè)國家和地區(qū)免費(fèi)提供氣象觀測資料和氣象產(chǎn)品服務(wù)。

在國外，美國是最早研究智能家居的國家，如蘋果公司推出的智能控制家庭場景、亞馬遜推出的智能音箱等，都為世界智能家居的發(fā)展起到了推動(dòng)性的作用。國外氣象行業(yè)的發(fā)展相對較早。1928年，美國研發(fā)了全球首個(gè)無線電探空儀，1943年英國研發(fā)了雷達(dá)跟蹤探空儀。二十世紀(jì)四十年代，美、蘇、英、法等國擁有了專用探空火箭，大大地推動(dòng)了大氣探測事業(yè)的發(fā)展，為未來世界氣象行業(yè)的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體框

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，創(chuàng)意天氣播報(bào)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)有：樹莓派zero版、語音識別模塊、DHT11數(shù)字溫度傳感器。開機(jī)，系統(tǒng)自定位。天氣播報(bào)顯示屏選用液晶屏。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 軟件設(shè)計(jì)

基于樹莓派的創(chuàng)意天氣播報(bào)，主控為樹莓派zero版，從網(wǎng)站上調(diào)用墨跡天氣的API。在系統(tǒng)軟件主流程方面，樹莓派主控板接通電源后自動(dòng)連接網(wǎng)絡(luò)并通過網(wǎng)絡(luò)IP地址進(jìn)行自定位，獲取該城市的當(dāng)天天氣信息并通過溫度傳感器獲取室內(nèi)溫度，將城市、天氣、室內(nèi)溫度等信息通過IIC協(xié)議驅(qū)動(dòng)OLED屏幕顯示出來。軟件再通過LD3302離線語音模塊識別“今天天氣”這句話，然后通過串口通知樹莓派，并通過A2DP協(xié)議從藍(lán)牙音箱播報(bào)出來，在語音播報(bào)的同時(shí)通過郵箱收到相關(guān)天氣信息以及穿搭建議。系統(tǒng)主流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主流程

3 核心功能設(shè)計(jì)

3.1 語音識別功能

創(chuàng)意天氣播報(bào)設(shè)計(jì)中使用語音識別功能，用戶可以使用語音命令。語音控制機(jī)器操作取代手控操作。本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)句子“今天天氣”及句子對應(yīng)的程序調(diào)用語句，如表1所示。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)不僅在液晶屏上顯示所呈現(xiàn)的內(nèi)容，還添加了兩個(gè)具有大幅度提升本設(shè)計(jì)的要素，升級了語音播報(bào)，還能同時(shí)發(fā)送到郵箱，供上班族查看。本設(shè)計(jì)也適用于聽力障礙者和盲人。用戶發(fā)出語音命令，設(shè)備檢測后識別語音。如有識別結(jié)果，設(shè)備就會播報(bào)當(dāng)前地區(qū)、天氣(陰)、溫度、室內(nèi)溫度以及穿搭提示等內(nèi)容。

表1 語音命令

穿搭建議閾值：當(dāng)溫度為27 ℃以上，“氣候炎熱，穿衣指數(shù)：短袖”；當(dāng)溫度為20～27 ℃，“氣候舒適，穿衣指數(shù)：長袖襯衫或T恤”；當(dāng)溫度為10～20 ℃，“氣候偏冷，穿衣指數(shù)：長袖加外套”；當(dāng)溫度為1～10 ℃，“氣候很冷，穿衣指數(shù)：加厚衛(wèi)衣或毛衣”；當(dāng)溫度為0 ℃以下，“天氣寒冷，穿衣指數(shù)：羽絨服”。

3.2 溫度檢測功能

創(chuàng)意天氣播報(bào)設(shè)計(jì)中的檢測系統(tǒng)錄入了用戶所在的當(dāng)前地區(qū)溫度、室內(nèi)溫度以及天氣變化的數(shù)據(jù)，能夠給用戶提供實(shí)時(shí)狀態(tài)，并且還能夠及時(shí)查看獲取的各類實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)。此部分采用溫度傳感器模塊。測量室內(nèi)溫度使用了DHT11數(shù)字溫度傳感器。它不僅是含已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的傳感器，還是應(yīng)用于特用的數(shù)字模塊采集和溫濕度傳感技術(shù)[2-4]，具有長期穩(wěn)定性與較高的可靠性。尤其在有小孩的家庭中，室內(nèi)的溫度格外重要，四季溫度忽高忽低，家長需要隨時(shí)關(guān)注室內(nèi)溫度。本設(shè)計(jì)使用了樹莓派和DHT11溫濕度傳感器。溫度檢測系統(tǒng)對不會使用電子設(shè)備自行查詢的用戶來講尤其實(shí)用。該系統(tǒng)可以幫助用戶準(zhǔn)確及時(shí)地排除外界干擾，全面地了解當(dāng)前所在地區(qū)每日的天氣預(yù)報(bào)、室內(nèi)溫度以及天氣的變化(陰、晴、多云)等。

4 系統(tǒng)測試與實(shí)現(xiàn)效果

接通電源，樹莓派主控連接WiFi，通過WiFi的IP地址進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)自定位，再通過手動(dòng)連接藍(lán)牙音響，進(jìn)行測試。在測試的過程中，系統(tǒng)獲取天氣、識別語音、播報(bào)語音、通過DHT11溫濕度傳感器實(shí)時(shí)采集室內(nèi)溫度，運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。郵箱收到相關(guān)信息。其中，語音識別模塊稍微有延遲，但能正常使用?？偟膩碚f，測試過程中沒有遇到任何問題，功能實(shí)現(xiàn)得都很流暢，顯示屏也可以清晰地顯示出天氣信息和室內(nèi)溫度，都能穩(wěn)定地運(yùn)行。郵箱可以正常獲取天氣及穿搭建議等信息并將此信息通過語音播報(bào)出來。以圖3為例，語音播報(bào)內(nèi)容為“當(dāng)前城市為阿勒泰地區(qū)，天氣為：霧，溫度0度，今天天氣寒冷，推薦您穿羽絨服”。

圖3 運(yùn)行結(jié)果

5 結(jié)語

傳統(tǒng)的語音播報(bào)成品存在體積龐大、實(shí)現(xiàn)功能很少、顯示內(nèi)容過于復(fù)雜、線路暴露等缺點(diǎn)。“創(chuàng)意天氣播報(bào)”成品具有外觀小巧、實(shí)用性強(qiáng)、移動(dòng)便攜、可以安放在不同場景等特點(diǎn)，同時(shí)集成很多小功能，考慮到一些特殊人群，所以文字顯示的同時(shí)會有語音播報(bào)當(dāng)天天氣，根據(jù)天氣給人們穿搭建議并實(shí)時(shí)獲取室內(nèi)溫度，提高老年人的生活質(zhì)量和水平。經(jīng)過試驗(yàn)測試，本文設(shè)計(jì)的創(chuàng)意天氣播報(bào)小實(shí)物適用于不同的環(huán)境，具有很高的現(xiàn)實(shí)意義和一定的應(yīng)用價(jià)值。