基于语音识别的智能家庭阳台种植系统设计.pdf

现代电子技术Modern Electronics Technique2023年10月1日第46卷第19期Oct.2023Vol.46 No.190 引 言随着城市的快速发展，人们对农业种植、绿色农业的向往愈发强烈，越来越多的家庭利用室内富余空间如阳台种植花卉、蔬菜等，以美化家居环境，体验种植乐趣，享受健康生活。目前人们对于智能家居开发的相关研究较多13，语音识别技术也逐渐应用在人们生活的方方面面48。市面上对种植设备的开发也趋向于结合机器学习，搭载各类传感器并结合物联网实现智能化控制913。但目前市场上的家庭种植产品大多功能过于复杂，种植结构占用空间较大，对于没有种植经验的家庭来说操作难度较高，这使得人们随着产品使用的深入逐基于语音识别的智能家庭阳台种植系统设计郑昱熹1，梁立君1，2（1.天津工业大学 电子与信息工程学院，天津 300387；2.天津市光电检测技术与系统重点实验室，天津 300387）摘 要：针对目前家庭种植产品价格昂贵、结构复杂、种植体验及互动性差等问题，设计了一款基于语音识别的家庭阳台种植系统。系统采用STM32作为主控芯片，搭载CI1103语音识别模块和执行模块实现人机互动与系统控制。在现有产品研究基础上，结合家庭阳台区域特点优化设备结构，使其简洁美观，引入语音识别技术，实现设备智能控制；预置入种植知识，实现家庭微科普；同时设计了LED补光灯，应对特殊天气来保障植物正常生长，液位传感器对种植水位进行实时监测，实现自动化灌溉。系统采用模块化设计，预留了模块接口，可根据用户需求灵活拓展其应用功能，提高设备的可扩展性。开展了种植测试，系统运行稳定，种植效果较好，产品可为家庭生活带来新的体验并能够满足亲子教育需求，具有一定的应用价值。关键词：语音识别；阳台种植；STM32；结构设计；智能灌溉；LED补光；模块化；智能家居中图分类号：TN912.3434 文献标识码：A 文章编号：1004373X（2023）19015505Smart home balcony planting control system based on speech recognitionZHENG Yuxi1,LIANG Lijun1,2(1.School of Electronics and Information Engineering,Tiangong University,Tianjin 300387,China;2.Tianjin Key Laboratory of Optoelectronic Detection Technology and System,Tianjin 300387,China)Abstract：In view of the high price,complex structure,poor planting experience and interaction of home planting products,a home balcony planting system based on speech recognition is designed.In the system,STM32 is taken as the main control chip,and CI1103 speech recognition module and execution module are equipped to realize humancomputer interaction and system control.On the basis of the study of existing products,the equipment structure is optimized in combination with the characteristics of the family balcony area to make it simple and beautiful,the speech recognition technology is introduced to realize intelligent control of the equipment,and the planting knowledge is preset to realize family microscience popularization.LED fill lights are designed to cope with special weather to ensure the normal growth of plants.The liquid level sensor are used to monitor the planting water level in real time to realize automatic irrigation.Modular design is adopted for the system and the module interfaces are reserved,which can flexibly expand the application functions of the system according to user needs and improve the scalability of the equipment.The planting test has been carried out.It shows that the system can run stably and the planting effect is good.The product can bring new experience to family life and meet the needs of parentchild education,which has certain application value.Keywords：speech recognition;balcony planting;STM32;structural design;intelligent irrigation;LED fill light;modularization;smart homeDOI：10.16652/j.issn.1004373x.2023.19.028引用格式：郑昱熹，梁立君.基于语音识别的智能家庭阳台种植系统设计J.现代电子技术，2023，46（19）：155159.收稿日期：20230418 修回日期：20230515基金项目：天津市科技支撑项目（18YFZCNC01160）；天津市大学生创新创业项目（202110058110）155155现代电子技术2023年第46卷渐失去初期的热度，体验感较差，且设备的互动性不高。基于智能化、节能环保、成本低廉的设计目标，本文引入语音识别技术，针对家庭采光相对充足的阳台区域设计了一套水培种植系统，其结构简单，互动性较强，可以满足家庭的种植体验、亲子教育，同时可以美化室内空间。1 系统整体方案设计语音控制阳台种植系统流程如图 1所示，当发出语音信号后，经由语音识别系统处理，并传输给控制核心系统，控制核心将相应命令输出给各个执行单元，最后完成相应的控制。系统包含控制主机的开发、语音识别电路的设计、种植结构的设计、LED 补光灯的设计等。如图 2 所示为控制系统结构图，种植系统由主控芯片STM32、语音识别模块、电源模块、各传感器模块、控制执行模块及其他外围输出设备组成，同时为满足用户的个性化需求，预留模块接口，实现多功能拓展。当麦克风接收到语音信号时，语音识别模块开始收集这些语音信号并进行分析、处理，将得到的特征数据与存储器中的语音数据库进行匹配，匹配的结果由主控芯片直接传输给控制执行模块，控制水泵、灯光等设备完成相应的执行动作。同时，语音识别和执行结果通过扬声器反馈，为用户提供更好的互动体验感，提高种植的趣味性与科普性。图1 语音控制阳台种植系统流程图2 控制系统结构简图2 硬件设计2.1 整体硬件设计整个系统的硬件电路包括 STM32F103 系列芯片、语音识别电路、液位检测电路、执行电路、外部输出电路，整体硬件设计如图3所示。图3 整体硬件设计156第19期水泵和补光灯由两路单独的继电器控制开关，通过串行接口将语音指令与继电器连接，保证水泵、灯光系统工作稳定，其工作电路如图4所示。图4 继电器工作电路2.2 语音识别电路语音识别电路的设计是基于启英泰伦公司发布的CI1103 数据和开发手册。该芯片致力于打造智能家居，是一颗专用于语音处理的人工智能芯片，可自定义唤醒词、命令词、语音播报音，包含回声消除、语音降噪、增强等功能，具有识别率高的特点，适应多场合的应用。同时该芯片支持离/在线使用，搭配麦克风、扬声器等一些外部电路，可实现语音识别、语音控制和人机对话功能，不需要其他辅助芯片。在本文设计中，预置入种植蔬果的基本科普知识，通过人机对话实现对种植过程、蔬果知识的微科普。当用户的实时语音信号通过系统时，经过预处理、特征提取，然后将特征向量与声学模型中的声学特性进行匹配14，再通过贝叶斯公式计算得到相似度最高的就是识别结果4。最后采用串行接口，通过 UART 协议与 STM32 连接。图 5 为语音识别电路设计原理图。3 软件设计3.1 主控软件设计设计思路主要包含有语音信号和无语音信号。无语音信号时，系统自动运行预设模式，液位传感器实时监测阳台种植系统的液位，低于阈值时传输信号，通过语音报警；有语音信号时系统实现用户的语音控制，选择相应的控制模式，如可控制水泵运行周期、补光灯的开启、人机互动、调节设备音量等。主控软件设计如图6所示。图5 语音识别电路图6 主控软件设计3.2 语音识别软件设计语音控制系统的软件设计主要完成以下4个任务：语音识别任务、语音提示反馈任务、语音播报任务、水泵和灯光等设备控制任务。系统通电后，系统被初始化，语音识别电路开始工作，麦克风进入语音检测的状态。当检测到唤醒词时，通过声音预处理，将输入的语音信郑昱熹，等：基于语音识别的智能家庭阳台种植系统设计157现代电子技术2023年第46卷号与内置语音模型、声学模型识别和匹配4。如果匹配通过，识别结果将通过扬声器直接反馈或者通过 UART通信协议传输给STM32，并执行相应的控制指令。其他情况下，播放音频文件“对不起，我不太明白，请再说一遍”4。系统预置入种植蔬果的基本科普知识，通过人机对话实现对种植过程、蔬果知识的微科普。语音控制系统的软件设计流程图如图7所示。图7 语音识别软件设计流程4 种植设备结构与灯光设计经过前期多场景设计与种植反馈，本文提出的语音识别家庭种植设备结构设计方案如图8所示。采用双层箱体结构，上层包括系统主控区和种植区15，系统核心控制主板、语音识别和控制模块整合后独立放在种植区左侧，上层箱体打孔，孔距为110 mm，下层为营养液区，放置水泵和液位检测传感器，另外在上层空间设计补光灯以应对阳台采光不足或阴雨天等情况。设计的种植结构实物图如图9所示。图8 结构设计正视图和俯视图图9 种植结构实体图补光灯系统采用波长为660 nm的红光LED和460 nm的蓝光 LED设计 T5 LED灯管，为下照式，通过 TracePro软件依据目标照射距离设计了灯珠排布，保证照射区域光分布均匀，LED灯具光学仿真设计图如图10所示。图10 LED灯具光学设计通过 Altium Designer软件绘制 4并 12串 PCB板，设计板长 570 mm、板宽 9.5 mm、板厚度 1.0 mm，适配常用T5灯管的散热器、灯头、驱动电源，PCB板电路图、T5灯管如图11所示，安装后的补光灯如图12所示，为下照式补光。辣椒、西芹、生菜、观赏植物等种植实验如图 13所示，产品与家庭阳台区域较契合，结构简洁美观，易于操作，验证了系统的可靠性，系统运行稳定，实现了设计目标。158第19期图11 LED T5灯管设计图12 LED补光灯图13 种植实物图5 结 语本文针对家庭阳台区域设计了智能种植系统，将语音识别技术应用到家庭种植场景中，通过人机对话实现互动、系统控制，建立了一个集科普性、便利性为一体的家庭种植系统。系统包含了语音识别设计、主控设计、执行模块设计和补光灯设计，与现有家庭种植设备相比，其结构简洁美观、易于操作，经过种植测试系统运行稳定，可以很好地满足种植体验，给家庭生活带来了新的体验，具有一定的实际应用价值。注：本文通讯作者为梁立君。参考文献1 孙家辉，吴涛.基于模糊控制的智能家居控制系统研究与设计J.现代电子技术，2022，45（16）：161164.2 李昌奇，何志琴，周恒，等.基于 Android和 WiFi的智能家居监控系统设计与实现J.现代电子技术，2020，43（20）：6770.3 KIM T Y,BAE S H,AN Y E.Design of smart home implementation within IoT natural language interface J.IEEE access,2020,8:8492984949.4 LIU B,HE X Y,LI Y Q,et al.Design of intelligent home lighting control system based on speech recognition C/Green Energy and Networking:6th EAI International Conference.Heidelberg,Germany:Springer International Publishing,2019:150158.5 YANG R J,WANG Y,YI F,et al.Design of voice temperature control faucet based on STM32 MCU J.Journal of 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程峥.基于嵌入式和设备云平台的家庭植物工厂系统设计D.天津：天津工业大学，2019.作者简介：郑昱熹，女，广东广州人，研究方向为集成电路设计。梁立君，男，黑龙江齐齐哈尔人，硕士，助理实验师，一级照明设计师，研究方向为LED植物照明、环境照明系统设计。郑昱熹，等：基于语音识别的智能家庭阳台种植系统设计159