基于XFS4243CE模塊的語音報警系統(tǒng)

胡賢德，李敬明，程家興

(1.安徽新華學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽合肥230088;2.安徽大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽合肥230031)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人民生活水平的不斷提高，全國各地紛紛建成許多現(xiàn)代化住宅小區(qū)。為了有效地確保居民財產(chǎn)和生命的安全，在各小區(qū)內(nèi)均采取了智能化手段進(jìn)行安全防范管理措施［2］。傳統(tǒng)的智能住宅安全防范系統(tǒng)一般不具備發(fā)布語音報警信息的功能，缺少人性化［3］。本文基于XFS4243CE中英文語音合成模塊，實現(xiàn)智能語音的報警功能，以此適應(yīng)市場的需求。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

系統(tǒng)主要由單片機(jī)C8051F410－GQ、XFS4243CE模塊、超聲波發(fā)射、超聲波接收、供電模塊等組成。整個系統(tǒng)框架如圖1所示。高性價比、低功耗的單片機(jī)C8051F410－GQ為主控制器，能夠?qū)崟r地接收報警觸發(fā)信號以及發(fā)送報警語音文本到XFS4243CE模塊來進(jìn)行語音合成;XFS4243CE模塊接收來自單片機(jī)的文本進(jìn)行多種方式的合成并將數(shù)據(jù)通過音頻功放后播放出來;超聲波的發(fā)射和接收主要用于對不明物體的探測。超聲波信號是由單片機(jī)C8051F410－GQ編程產(chǎn)生一個40KHZ的方波，再經(jīng)一級驅(qū)動電路調(diào)制后產(chǎn)生的。若發(fā)射的超聲波遇到物體后則會反射回來與發(fā)射波不同頻率、不同幅度的超生波。接收探頭接收到回波后經(jīng)濾波、放大、包絡(luò)檢波、比較、整形后送到單片機(jī)［4］。單片機(jī)對此信號進(jìn)行識別和處理，向語音合成模塊發(fā)送命令，完成語音報警功能［5］。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 硬件電路系統(tǒng)設(shè)計

2.1 超聲波的發(fā)射和調(diào)制

超聲波的頻率一般為40KHZ。為了減少系統(tǒng)的成本和系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度，本文采用單片機(jī)自身的定時器精確地產(chǎn)生一個40KHZ的方波來模擬超聲波，從而避免只單獨使用一個超聲波發(fā)射器。但是由于單片機(jī)本身產(chǎn)生的超生波能量較低，超生波在空間輻射的過程衰減的幅度較大，導(dǎo)致防盜系統(tǒng)檢測的范圍較小，為了擴(kuò)大檢測的范圍必須加大超聲波發(fā)射的能量。本系統(tǒng)采用了驅(qū)動能力較強(qiáng)的具有四個兩輸入與非門的集成芯片74ALS00A，方波先經(jīng)過74ALS00A再經(jīng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射出去，這不僅提高了超生波的輻射范圍，而且提高了檢測的可靠性。超生波發(fā)射的電路如圖2所示，其中l(wèi)aunch為單片機(jī)定時器產(chǎn)生的40KHZ方波。

圖2 超聲波發(fā)射原理圖

2.2 超聲波的接收

超聲波接收探頭接到超聲回波后，先經(jīng)過中心頻率為40HZ的三階帶通濾波器濾去高頻噪聲和低頻干擾后再經(jīng)電壓放大器放大110db分兩路輸出。一路經(jīng)波形整形、電平變換成單片機(jī)能處理的CMOS電平［5］。另一路經(jīng)包絡(luò)檢波，將回波的幅度檢測出來，經(jīng)一級40db的電壓放大器放大，再經(jīng)波形整形電平變換送至單片機(jī)而觸發(fā)一個報警的中斷。超生波的接收電路如圖3所示［5－7］。

圖3 超生波接收電路

2.3 XFS4243CE模塊接口設(shè)計

XFS4243CE是一個高性能的中英文語音合成模塊。該模塊具有硬件接口簡單和功能強(qiáng)大的特點，是一套面向高端應(yīng)用的語音合成解決方案。主要的特征如下:(1)在硬件上該模塊支持UART接口或SPI接口;(2)模塊支持任意中、英文文本的合成，可以采用UNICODE、BIG5、GBK和GB2312四種編碼方式。每次文本量不超過4KB;(3)支持男、女兩種中英文發(fā)音;(4)支持多種控制命令。控制命令包括語音合成、暫停合成、恢復(fù)合成、停止合成、狀態(tài)查詢、進(jìn)入Power Down模式、喚醒、進(jìn)入IDLE模式等8種控制命令。控制器通過對應(yīng)接口發(fā)送控制命令對對應(yīng)的模塊進(jìn)行有效的控制［8－11］。該模塊與單片機(jī)的接口電路如圖4所示，其中TPA200D1為音頻功放部分。

圖4 XFS4243CE模塊電路和音頻放大

2.4 單片機(jī)C8051F410－GQ外圍電路

單片機(jī)C8051F410－GQ外圍電路如圖5所示。此部分電路組成單片機(jī)的控制電路以及引出與其他模塊的接口［6］。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)通過啟動和停止按鍵控制系統(tǒng)的啟和停。用戶按下啟動按鍵后，系統(tǒng)不停地通過定時器精確生成一個頻率為40KHZ占空比為50%的方波，此方波經(jīng)硬件電路調(diào)制后發(fā)出超聲波。當(dāng)單片機(jī)檢測到報警信號中斷時就向語音合成模塊XFS4243CE發(fā)送相應(yīng)的語音合成命令完成報警。為了提高系統(tǒng)的可靠性，防止系統(tǒng)的誤報警，單片機(jī)對檢測到的中斷報警信號計數(shù)，當(dāng)計數(shù)連續(xù)10次則認(rèn)定該次報警信號有效［11］。系統(tǒng)軟件操作流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

3.2 主控器與XFS4243CE模塊通信協(xié)議

主控制器和 XFS4243CE模塊之間通過SPI接口或者UART接口連接，控制器可通過相應(yīng)接口向XFS4243CE模塊發(fā)送控制命令或文本，當(dāng)XFS4243CE模塊接收文本后，將其合成為語音信號，然后再將其輸出，輸出的信號經(jīng)過功率放大器連接到喇叭對其播放。單片機(jī)C8051F410－GQ與語音合成模塊XFS4243CE之間的通信要遵循約定的通信協(xié)議。

命令和數(shù)據(jù)均以“幀”的方式進(jìn)行封裝后的格式發(fā)送給XFS4243CE模塊進(jìn)行傳輸。幀結(jié)構(gòu)格式為幀頭標(biāo)志、數(shù)據(jù)區(qū)長度和數(shù)據(jù)區(qū)。幀結(jié)構(gòu)如表1所示。數(shù)據(jù)區(qū)是由命令字和命令參數(shù)組成的，上位機(jī)使用命令字來實現(xiàn)語音合成模塊的各種功能。數(shù)據(jù)區(qū)命令字和命令參數(shù)如表2所示。XFS4243CE模塊收到一個命令幀后，判斷其是否正確，若正確則返回“收到正確命令幀”信息，若錯誤則返回“收到錯誤命令幀”信息。XFS4243CE模塊收到狀態(tài)查詢命令時，若模塊正處于合成狀態(tài)則返回“模塊忙碌”信息，若模塊處于空閑狀態(tài)則返回“模塊空閑”信息。

表1 命令幀封裝格式

表2 數(shù)據(jù)區(qū)命令字與命令參數(shù)

4 結(jié)語

系統(tǒng)采用智能語音合成模塊XFS4243CE嵌入到家居防盜報警系統(tǒng)，將語音技術(shù)應(yīng)用于日常生活中，滿足了社會生活的需求，且系統(tǒng)具有精簡、性價比高、可靠性高等諸多優(yōu)點，在智能家居領(lǐng)域的前景廣闊。

［1］花鐵森.智能家居系統(tǒng)核心技術(shù)探討［J］.計算機(jī)工程與應(yīng)用，2009(1):92－98.

［2］陳冬梅，鄧小芳，梁紅玉.可遠(yuǎn)程監(jiān)控的智能防盜報警系統(tǒng)［J］.計算機(jī)應(yīng)用，2010(2):308－311.

［3］王超，郭劍，汪洪波，等.基于AT89C2051的汽車超聲波防盜報警系統(tǒng)設(shè)計［J］.汽車電器，2007(2):12－14.

［4］秦軍，龍建軍，吳百海.一種超聲波三維定位系統(tǒng)的研究［J］.紅外與毫米波學(xué)報，2008(8):209－212.

［5］張仁朝，張茂貴.基于單片機(jī)的超聲波防盜報警系統(tǒng)的設(shè)計［J］.中國科技信息，2009(12):194－195.

［6］張森.光纖智能防盜報警系統(tǒng)［J］.光通信技術(shù)，2013(11):34－36.

［7］何祥宇，周濤.紅外探測型香菇大棚煤氣語音報警系統(tǒng)［J］.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012(18):4118－4120.

［8］鄒修國.基于電力線和嵌入式技術(shù)的智能家居系統(tǒng)［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2008(16):1－11.

［9］葉昌茂.實用直流放大器的設(shè)計［J］.電路與系統(tǒng)學(xué)報，2005(10):30－32.

［10］向宏平，杜惠平.基于STM32F103CBT6的廣播發(fā)射機(jī)微控制器硬件設(shè)計［J］.微電子學(xué)，2004(4):432－438.

［11］程勇.基于LabVIEW的家庭智能報警系統(tǒng)研究［D］.武漢:武漢工程大學(xué)，2011.