彭勝敏，王洪麗

(福州職業(yè)技術學院，福建福州350108)

0 引言

目前，動物園的導覽方式一是圖文展示，二是錄音播放。這兩種方式都起到了一定的輔助導覽作用，但也存在介紹信息不夠豐富，趣味性、科普性、交互性不足等問題[1]。另外，部分動物園采用自然生長的圈養(yǎng)方式，景點較為分散，園區(qū)占地面積較大[2]，也不便于人工導覽。基于上述原因，本文提出一種便攜自助式語音導覽系統，該系統采用RFID射頻識別技術，以STM為主控制器，可以為游客提供全方位、個性化的導覽服務，增強觀眾的參觀體驗，也方便工作人員對數據信息進行處理和管理。

1 系統總體設計

導覽系統由動物地址標簽卡和游客手持導覽器兩部分組成。在動物圈舍外參觀點預先安裝無源RFID動物地址標簽卡，游客手持導覽器通過或靠近標識動物地址標簽卡時，導覽系統自動識別RFID信息，開始播放對應動物的相關科普語音信息，達到導覽的目的。導覽系統工作原理是，手持導覽器每隔500 ms讀取1次RFID卡信息，如果讀取到信息，系統通過RFID識別模塊將標簽信息傳輸給STM主控單片機，經STM單片機解調后得到地址碼，主控單片機再根據地址碼從音頻存儲模塊中提取出對應的音頻文件，傳輸給語音芯片，經過解碼、D/A轉換、濾波放大后輸出至喇叭或者耳機，從而實現語音導覽功能。系統總體結構圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

圖2 JATG-20Pin接口

2 硬件設計

手持導覽器系統電路由主控模塊、RFID識別模塊、LCD顯示模塊、音頻存儲及輸出模塊、按鍵模塊、電源模塊等組成。天線和專用集成電路已經集成在動物地址標簽卡內部。

2.1 主控模塊

導覽器主控模塊MCU選用STM32F103 RCT6芯片[3]，該處理器內核為ARM Cortex-M3，最高工作頻率可達72 MHz，支持3種低功耗模式：待機模式、睡眠模式[4]、停機模式。配置電路由復位電路和時鐘電路構成。主控模塊主要負責導覽手持器系統中無線傳輸模塊、LCD顯示模塊、音頻存儲及輸出模塊和主流程控制運行。STM32下載程序、調試接口采用標準JATG-20Pin接口，接口電路設計如圖2所示。MCU時鐘電路設計如圖3所示，選用8 MHz外部晶振+32.768 kHz時鐘晶振的驅動方式。

2.2 RFID識別模塊

本系統的RFID射頻識別模塊采用高速非接觸式MF RC522集成模塊。MF RC522集成模塊具有成本低、電壓低、功耗小、體積小等優(yōu)點，適合于本系統。該模塊采取3.3 V供電，工作頻率13.56 MHz，同時兼容ISO/IEC 14443A以及MIFARE模式，支持SPI、I2C和UART接口[5]。本系統采用I2C通信模式與STM主控芯片的I2C接口PB6、PB7相接，接線簡單，最大傳輸速率為10 Mbit/s，讀卡距離最大40 mm，工作電流13～26 mA，空閑電流10～13 mA,休眠電流<80 μA。RFID模塊電路圖設計如圖4所示。

(a)主頻晶振

(b)時針晶振

圖4 RFID識別模塊

動物地址標簽卡采用定制非接觸式無源Mifare S50 卡，此卡采用ISO/IEC 14443A標準，存儲容量8 kbit，16個分區(qū)，每個分區(qū)4個段，每個段有16 B，容量能夠滿足存儲系統設計加密標簽地址信息。此卡讀寫距離2.4～10 cm，傳輸速率106 kbit/s,讀寫時間1～2 ms，擦寫壽命大于10萬次，讀取無限次，數據保存10年，能夠滿足本系統所需的存儲時間和存儲次數的要求。同一動物圈舍的地址標簽卡存儲相同地址碼(根據圈舍的可參觀點范圍可設置多個地址相同的標簽)，不同動物圈舍的地址標簽卡存儲不同的地址碼，此卡防曬、防水，不需要單獨供電，可以固定在動物圈舍圍欄外的欄桿或者墻壁上。

2.3 LCD顯示模塊

LCD顯示模塊采用Nokia5110液晶顯示器。本系統的顯示屏是84×48的點陣LCD，可顯示數字、圖片和中文，體積小，低功耗，驅動簡單，背光可選藍色和白色。LCD顯示模塊電路設計如圖5所示。本系統通過串行接口與STM主處理器PA4、PA5、PA6、PA7連接，僅4根I/O線即可驅動，傳輸速率最高時能達到4 Mbit/s，能夠全速將顯示數據寫入，完全無需等待，而LCD1602需11根I/O線，LCD12864需12根；且它的速度快，是LCD12864的20倍，是LCD1602的40倍[6]；此模塊電壓為3.3 V，工作電流低于200 μA，且具有掉電模式；LCD控制器/驅動器芯片已經被結合在LCD晶片上，因此整個模塊體型很小,適用于本系統所要達到的便攜式手持導覽功能。

圖5 LCD顯示模塊

2.4 音頻存儲及輸出模塊

本系統的音頻存儲及輸出模塊電路設計如圖6所示，由HSC-003語音芯片及TF內存卡來組成。本系統支持FAT16、FAT32文件系統，MP3、WAV的硬件解碼，同時軟件支持USB/TF驅動，最大支持32G TF/U盤24位DAC輸出，信噪比支持85 dB，動態(tài)范圍支持90 dB，支持mp3采樣頻率:8、11.025、12、16、22.05、24、32、44.1、48 kHz。HSC-003 MP3可以直推4R 3W喇叭，模塊大小比1元硬幣還小，適合于本系統產品小型化的設計思路。

圖6 音頻存儲及輸出模塊

此模塊通過串行口與主控芯片STM32的PB10、PB11串口3根線連接,通過串口指令可以實現播放選定的音樂，性能穩(wěn)定可靠，而且系統選用*.mp3格式文件存儲動物科普信息，TF卡選用32 G存儲容量，可以儲存信息量較大的音頻，操作方便。

2.5 時鐘模塊

時鐘模塊采用DS1302芯片控制時鐘[7]。模塊包括可存儲實時時鐘/日歷以及31字節(jié)靜態(tài)RAM。實時時鐘/日歷電路能夠供給精確到年、月、星期、日以及時、分、秒的顯示，能夠自動調整每月中的天數或是閏年的天數。本系統為游客提供時間查詢的同時也為后續(xù)的計時收費等收費管理提供支持。

本系統時鐘模塊電路設計如圖7所示。模塊以同步串行形式與STM32主控進行通信，通過3根I/O線，包括復位(RST)、I/O數據線以及串行時鐘(SCLK)，分別與STM32主控芯片的PA2、PA1、PA0相接。時鐘/RAM的讀寫數據能夠以1 B至31 B的字符組形式進行雙向通信。時鐘模塊在運行狀況下功耗低，在保持數據及時鐘信息時功耗在1 mW以下，這樣可以降低系統功耗，增加系統使用時間。

圖7 時鐘模塊

3 軟件設計

手持導覽器軟件設計包括：系統初始化模塊、時鐘初始化模塊、音頻調用模塊、RFID射頻識別控制程序、LCD顯示程序、按鍵掃描程序等。主要工作流程為，系統初始化，顯示屏顯示當前時間，射頻識別模塊每間隔500 ms定時發(fā)射查詢命令。當遇到景區(qū)標簽，射頻識別模塊調用射頻識別控制子函數獲取景區(qū)地址位置，并將地址信息傳送給主控模塊。主控模塊獲取到信息后，在顯示屏上顯示地址對應的圈舍動物信息，同時主控模塊運行音頻調用子函數，查詢到地址信息對應的音頻，經過數/模轉換后播放出來。期間所有的人機交互操作的實現由按鍵處理函數來完成。系統軟件總體設計流程圖如圖8。關鍵技術RFID識別模塊識別程序流程圖如圖9所示。

圖8 軟件總體工作流程圖

圖9 射頻識別模塊流程圖

動物地址標簽卡、CF卡語音錄音與動物對應設計關系表見表1。

表1 動物地址標簽、語音錄音與動物對應設計表

4 系統參數

工作電壓：DC 3.3 V。

存儲容量：32 G，可存儲3 000個動物語音科普信息。

續(xù)航時間：大于6 h。

讀卡距離：最大為50 mm。

5 結語

本系統采用RFID技術、低功耗處理器和外設模塊設計出一個具有低成本、低功耗、便于攜帶等特點的語音導覽系統。通過對本語音導覽系統的綜合測試，驗證了本系統軟硬件設計合理，達到了預期的系統功能，增強了游客的參觀品質，提升了參觀體驗。