曾令超，伍銀波，周衛(wèi)

（1.廣東技術(shù)師范大學(xué)，廣東廣州，510665；2.深圳宇信和科技有限公司，廣東深圳，518000）

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)水平的提升，我國(guó)的高速公路和智慧停車(chē)場(chǎng)也在這個(gè)過(guò)程中得到了較大程度的發(fā)展。而隨著我國(guó)高速公路和停車(chē)場(chǎng)數(shù)量的增多、規(guī)模的加大，過(guò)往車(chē)輛數(shù)量也在不斷增加。但目前人工通道的崗?fù)さ陌l(fā)卡機(jī)和繳費(fèi)機(jī)均為固定安裝在崗?fù)た拷?chē)主的一側(cè)[1]這樣就需要車(chē)主停在合適的位置取卡或者還卡，甚至是下車(chē)，這種現(xiàn)象在交通高峰期是勢(shì)必會(huì)造成擁堵現(xiàn)象。對(duì)于人工收費(fèi)的停車(chē)場(chǎng)，在面對(duì)節(jié)假日大量的游客旅游時(shí)，需要收費(fèi)不停的收卡和發(fā)卡也會(huì)給景區(qū)造成一定的擁堵，此時(shí)自動(dòng)收發(fā)卡機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。目前發(fā)卡機(jī)和繳費(fèi)機(jī)均為固定式安裝，車(chē)主停車(chē)位置稍偏或者臂長(zhǎng)較短時(shí)，取還卡十分困難，更有甚者需要下車(chē)取卡。用戶體驗(yàn)差，且在高峰期容易造成出入口擁堵。通過(guò)設(shè)計(jì)一款車(chē)輛收費(fèi)的云平臺(tái)智能卡機(jī)可解決上述難題，提升用戶的使用體驗(yàn)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中裝置和云平臺(tái)之間數(shù)據(jù)交互是基于WiFi的MQTT（Message Queuing Telemetry Transport,消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸）協(xié)議，而移動(dòng)用戶端和云平臺(tái)數(shù)據(jù)交互則是基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的MQTT協(xié)議。整體系統(tǒng)分為三部分構(gòu)成，分別為收發(fā)卡機(jī)硬件、OneNET云平臺(tái)[2-6]以及移動(dòng)用戶端。智能伸縮式驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)超聲波測(cè)距模塊采集數(shù)據(jù)來(lái)判斷車(chē)輛是否到位，以此精確計(jì)算出車(chē)主位置同時(shí)伸出合適的距離去收卡或者發(fā)卡。通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別模塊來(lái)接收車(chē)主用戶的指令，并且增加了語(yǔ)音播報(bào)模塊跟車(chē)主進(jìn)行語(yǔ)音交互來(lái)進(jìn)一步提升用戶體驗(yàn)。最后將電機(jī)的狀態(tài)和超聲波測(cè)距模塊收集的數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi模塊上傳到云端進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，同時(shí)云端也可以對(duì)智能伸縮式驅(qū)動(dòng)裝置下發(fā)一些控制指令來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，及時(shí)處理機(jī)器故障導(dǎo)致的事故和在線升級(jí)等遠(yuǎn)程操作。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 ARM微控制器

微控制器裝置的硬件包括ARM處理器、超聲波測(cè)距模塊、供電系統(tǒng)、按鍵模塊、限位開(kāi)關(guān)、求助按鈕以及撥碼開(kāi)關(guān)，主要的工作是數(shù)據(jù)的采集，將收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成MQTT協(xié)議通過(guò)WiFi模塊上傳至OneNET云平臺(tái)以及控制步進(jìn)電機(jī)完成整個(gè)工作流程，并為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。整個(gè)系統(tǒng)的外設(shè)需要用到的I/O口不是很多，因此本裝置選用了一款高性能、性價(jià)比高的STM32F103C8T6，該芯片具有20KB的SDRAM和64KB的Flash，外設(shè)資源包括1個(gè)高級(jí)定時(shí)器、3個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)SPI通信接口、3個(gè)串行通信接口和36個(gè)GPIO口，外設(shè)資源完全滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

1.3 供電系統(tǒng)

220V市電輸入電路經(jīng)過(guò)安規(guī)電容、電感濾波器等器件，降低EMI，盡可能提供給系統(tǒng)穩(wěn)定的電源并且能通過(guò)國(guó)內(nèi)3C的要求，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。通過(guò)5V穩(wěn)壓管和3.3V穩(wěn)壓管為單片機(jī)、其他芯片和電機(jī)提供相應(yīng)等級(jí)的電源電壓。

1.4 超聲波測(cè)距模塊

兩個(gè)超聲波測(cè)距模塊電路接口圖如圖2所示，超聲波測(cè)距模塊用來(lái)測(cè)量車(chē)輛與智能伸縮式驅(qū)動(dòng)裝置的距離，通過(guò)ARM對(duì)其做進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理再上傳云平臺(tái)。本設(shè)計(jì)采用的是HC-SR04模塊，該模塊性能穩(wěn)定，測(cè)度距離精確。能和國(guó)外的SRF05，SRF02等超聲波測(cè)距模塊相媲美。模塊高精度，盲區(qū)極小，測(cè)距十分穩(wěn)定。其原理為通過(guò)Trig來(lái)觸發(fā)測(cè)距，輸出至少10μs的高電平信號(hào)；模塊會(huì)自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40kHZ的方波來(lái)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；若有信號(hào)返回，則通過(guò)I/O口Echo輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間[7]。

圖2 超聲波測(cè)距模塊接口電路圖

1.5 通信模塊

通信接口電路圖如圖3所示，通信模塊采用的是ESP8266 WiFi模塊，此模塊硬件接口豐富，可支持UART，IIC，PWM，GPIO，ADC等，適用于各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)合。ARM微處理器通過(guò)發(fā)送WiFi模塊寫(xiě)好的AT指令協(xié)議來(lái)連接上當(dāng)?shù)氐木钟蚓W(wǎng)（私網(wǎng)），再由局域網(wǎng)連接上遠(yuǎn)程服務(wù)器（公網(wǎng)），數(shù)據(jù)通過(guò)ARM處理器打包成MQTT協(xié)議上傳到OneNet云平臺(tái)進(jìn)行解包成可讀數(shù)據(jù)顯示到網(wǎng)頁(yè)或者手機(jī)的APP上，用戶可以隨時(shí)掌握卡機(jī)的情況，同時(shí)可以通過(guò)之前封裝好的APP按鍵模塊對(duì)收發(fā)卡機(jī)進(jìn)行MQTT協(xié)議下發(fā)到ARM處理器，ARM處理器通過(guò)將MQTT協(xié)議的指令解包后執(zhí)行相應(yīng)的控制指令[3]。

圖3 通信模塊接口電路圖

1.6 語(yǔ)音識(shí)別模塊

語(yǔ)音識(shí)別模塊接口電路如圖4所示，LD3320提供的語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，是基于關(guān)鍵詞語(yǔ)列表的識(shí)別技術(shù)，語(yǔ)音識(shí)別芯片完成的工作就是：把通過(guò)MIC輸入的聲音進(jìn)行頻譜分析；提取語(yǔ)音特征；關(guān)鍵詞語(yǔ)列表中的關(guān)鍵詞語(yǔ)進(jìn)行對(duì)比匹配；找出得分最高的關(guān)鍵詞語(yǔ)作為識(shí)別結(jié)果輸出。這款語(yǔ)音識(shí)別芯片能在兩種情況下給出識(shí)別結(jié)果：（1）外部送入預(yù)定時(shí)間的語(yǔ)音數(shù)據(jù)后（比如5秒鐘的語(yǔ)音數(shù)據(jù)），芯片對(duì)這些語(yǔ)音數(shù)據(jù)運(yùn)算分析后，給出識(shí)別結(jié)果；（2）外部送入語(yǔ)音數(shù)據(jù)流，語(yǔ)音識(shí)別芯片通過(guò)端點(diǎn)檢測(cè)VAD（voice activity detection）檢測(cè)出用戶停止說(shuō)話，把用戶開(kāi)始說(shuō)話到停止說(shuō)話之間的語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算分析后，給出識(shí)別結(jié)果；對(duì)于第一種情況，可以理解為設(shè)定了一個(gè)定時(shí)錄音（比如為5秒鐘），芯片在5秒鐘后，會(huì)停止把聲音送入識(shí)別引擎，并且根據(jù)已送入引擎的語(yǔ)音數(shù)據(jù)計(jì)算出一個(gè)識(shí)別結(jié)果；對(duì)于第二種情況，需要了解VAD的工作原理：VAD技術(shù)是在一段語(yǔ)音數(shù)據(jù)流中，判斷出哪個(gè)時(shí)間點(diǎn)是人聲的開(kāi)始，哪個(gè)時(shí)間點(diǎn)是人聲的結(jié)束。判斷的依據(jù)是，在背景聲音的基礎(chǔ)上有了語(yǔ)音發(fā)音，則視為聲音的開(kāi)始。而后，檢測(cè)到一段持續(xù)時(shí)間的背景音（比如600毫秒），則視為人聲說(shuō)話結(jié)束。通過(guò)VAD判斷出人聲說(shuō)話的區(qū)域后，語(yǔ)音識(shí)別芯片會(huì)把這期間的聲音數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別處理后，計(jì)算出識(shí)別結(jié)果。LD3320語(yǔ)音識(shí)別芯片在集成語(yǔ)音識(shí)別處理器和外部電路的同時(shí)，還包括A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)接口和聲音輸出接口等[8]。并且，識(shí)別的關(guān)鍵詞語(yǔ)列表是可以任意動(dòng)態(tài)編輯的，大大的降低了人工智能訓(xùn)練的成本，通過(guò)SPI總線傳輸數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)編輯關(guān)鍵詞語(yǔ)列表以及一些狀態(tài)量的上傳。

圖4 語(yǔ)音識(shí)別模塊接口電路圖

1.7 語(yǔ)音播報(bào)模塊

語(yǔ)音播報(bào)接口電路圖如圖5所示。本模塊采用SYN6288語(yǔ)音模塊，采用SSOP封裝，體積小巧且可以通過(guò)串口與主控單片機(jī)連接，接收串口發(fā)送來(lái)的文本，實(shí)現(xiàn)文本到中文語(yǔ)音的轉(zhuǎn)換，低成本實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的語(yǔ)音播報(bào)功能。其功能特點(diǎn)有：(1)支持GB2312、GBK、BIG5和UNICODE內(nèi)碼格式的文本；(2)每次合成的文本量最多可達(dá)200字節(jié)；(3)支持多種控制命令，包括：合成，停止，暫停合成，繼續(xù)合成，改變波特率等；(4)支持休眠功能，在休眠狀態(tài)下可降低功耗，支持多種方式查詢芯片狀態(tài)；(5)支持串口數(shù)據(jù)通訊接口，支持三種通信波特率：9600,19200，38400；(6)支持16級(jí)音量調(diào)整，播放文本的前景音量和播放背景音樂(lè)的背景音量可分開(kāi)控制；(7)可通過(guò)發(fā)送控制標(biāo)志調(diào)節(jié)詞語(yǔ)語(yǔ)速，支持6級(jí)詞語(yǔ)語(yǔ)速調(diào)整；(8)芯片內(nèi)固化有多首和弦音樂(lè)、提示音效和針對(duì)某行業(yè)領(lǐng)域的常見(jiàn)語(yǔ)音提示音；(9)內(nèi)部繼承19首聲音提示音，23首和弦提示音，15首背景音樂(lè)；(10)內(nèi)置10bit推挽式、可獨(dú)立供電的功放，進(jìn)行數(shù)模DAC輸出。

圖5 語(yǔ)音播報(bào)模塊接口電路圖

2 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序設(shè)計(jì)采用模塊化形式，以便以后進(jìn)行單片機(jī)程序設(shè)計(jì)時(shí)方便移植?？傮w設(shè)計(jì)方式采用對(duì)任務(wù)的進(jìn)行不斷輪詢，同時(shí)有任務(wù)調(diào)節(jié)器來(lái)應(yīng)對(duì)突發(fā)情況來(lái)完成此次設(shè)計(jì)，其中模塊包括無(wú)線通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、語(yǔ)音交互模塊以及電機(jī)控制模塊。

2.1 主程序控制部分

智能伸縮式驅(qū)動(dòng)裝置中的主程序控制部分主要完成的功能是無(wú)線通信、語(yǔ)音交互、數(shù)據(jù)采集以及電機(jī)控制。系統(tǒng)初始化后，任務(wù)調(diào)度器優(yōu)先執(zhí)行無(wú)線通信任務(wù)，每5s將各種數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)，且接收云平臺(tái)下發(fā)的控制指令。在這個(gè)時(shí)間間隙中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集任務(wù)和語(yǔ)音交互任務(wù)，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)會(huì)發(fā)出電機(jī)停止命令，此時(shí)任務(wù)調(diào)度器會(huì)去執(zhí)行電機(jī)控制任務(wù)，然后在異常反饋給云平臺(tái)進(jìn)行故障排除等。數(shù)據(jù)各方面正常后執(zhí)行語(yǔ)音交互任務(wù)，根據(jù)用戶說(shuō)的語(yǔ)言來(lái)執(zhí)行語(yǔ)音交互任務(wù)和電機(jī)控制任務(wù)。

2.2 無(wú)線通信任務(wù)

智能伸縮式驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)調(diào)用AT指令連上當(dāng)?shù)氐木钟蚓W(wǎng)，并配置好相應(yīng)的API和鑒權(quán)信息才能通過(guò)MQTT協(xié)議與云端進(jìn)行上傳距離數(shù)據(jù)和電機(jī)的運(yùn)行情況，同時(shí)也可以接收云端下發(fā)的控制命令。

2.3 數(shù)據(jù)采集任務(wù)

數(shù)據(jù)采集模塊主要由超聲波測(cè)距模塊采集數(shù)據(jù)，要對(duì)超聲波進(jìn)行發(fā)出和接收，通過(guò)將定時(shí)器初始化成輸入捕獲，將Trig和Echo口拉為低電平，向Trig口輸送20us的高電平脈沖，此時(shí)超聲波模塊可以捕捉到Echo的上升沿，同時(shí)打開(kāi)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)并將數(shù)據(jù)傳送到ARM微處理器進(jìn)行判斷，同時(shí)清除標(biāo)志位進(jìn)行下一次的信號(hào)捕捉[9]。

2.4 語(yǔ)音交互任務(wù)

智能伸縮式驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別模塊來(lái)收集語(yǔ)音特征值，語(yǔ)音識(shí)別的程序需要語(yǔ)音識(shí)別初始化、寫(xiě)入識(shí)別列表以及開(kāi)始識(shí)別并準(zhǔn)備好中斷響應(yīng)函數(shù)，打開(kāi)中斷允許位。如果麥克風(fēng)采集到聲音，不管是否識(shí)別正確，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)。而中斷程序要根據(jù)寄存器的值分析結(jié)果。讀取 BA 寄存器的值，可以知道有幾個(gè)候選答案，而 C5 寄存器里的答案是得分最高、最可能正確的答案。語(yǔ)音播報(bào)模塊通過(guò)ARM微處理器發(fā)送控制指令即可實(shí)現(xiàn)文本到語(yǔ)音（或TTS語(yǔ)音）的轉(zhuǎn)換。

2.5 電機(jī)控制任務(wù)

電機(jī)控制模塊是將電機(jī)抽象成一個(gè)包含電機(jī)當(dāng)前狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體。通過(guò)修改結(jié)構(gòu)體中的相應(yīng)的電機(jī)參數(shù)，能夠自動(dòng)算出步進(jìn)電機(jī)的控制量，由于其中的開(kāi)環(huán)控制沒(méi)有反饋，故直接修改脈沖頻率對(duì)電機(jī)進(jìn)行加減速。同時(shí)該電機(jī)控制模塊可以根據(jù)設(shè)定的路程與最大加速度進(jìn)行速度規(guī)劃。通過(guò)不斷檢測(cè)當(dāng)前電機(jī)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)速度控制與調(diào)整，保證步進(jìn)電機(jī)的啟停運(yùn)動(dòng)中能夠在電機(jī)物理性能內(nèi)，防止丟步現(xiàn)象的發(fā)生[10]。

2.6 任務(wù)調(diào)度器

任務(wù)制調(diào)度器時(shí)當(dāng)數(shù)據(jù)采集任務(wù)特別是超聲波模塊采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，任務(wù)調(diào)度器會(huì)優(yōu)先讓ARM處理器去執(zhí)行電機(jī)控制任務(wù)中的停止動(dòng)作，并上報(bào)異常給云平臺(tái)。

2.7 伸縮距離算法

智能伸縮式驅(qū)動(dòng)裝置的伸縮距離算法首先根據(jù)根據(jù)車(chē)輛檢測(cè)模塊獲取的S1和S2，二者求平均值計(jì)算出S3。然后從FLASH存儲(chǔ)器中讀取S4、S5、Kd，根據(jù)下式子計(jì)算伸縮距離S：

其中各參數(shù)含義如下：

S1：超聲波接收單元1測(cè)得的距離；

S2：超聲波接收單元2測(cè)得的距離；

S3：車(chē)輛到卡機(jī)面板的距離，為S1和S2的平均值；

S4：司機(jī)座椅車(chē)床側(cè)邊緣局車(chē)窗的距離，維護(hù)人員根據(jù)車(chē)型設(shè)置；

S5：車(chē)主上肢長(zhǎng)，根據(jù)設(shè)備使用地區(qū)自動(dòng)匹配當(dāng)?shù)厝说钠骄现L(zhǎng)，由維護(hù)人員設(shè)置，使用時(shí)讀??；

Kd：臂長(zhǎng)系數(shù)，由維護(hù)人員設(shè)置，使用時(shí)讀取。

3 實(shí)際測(cè)試結(jié)果

OneNet平臺(tái)支持云端和手機(jī)APP控制，可以實(shí)時(shí)接收來(lái)自智能伸縮式驅(qū)動(dòng)裝置上傳的超聲波測(cè)距模塊1和2的數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以下發(fā)控制命令控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)云端和智能伸縮式驅(qū)動(dòng)裝置的交互。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)綜合運(yùn)用嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)、模塊化軟件設(shè)計(jì)和云平臺(tái)技術(shù)完成了收費(fèi)卡機(jī)智能面板驅(qū)動(dòng)裝置的開(kāi)發(fā)，有效解決了目前在高速公路的人工通道上的自動(dòng)收發(fā)卡和人工停車(chē)場(chǎng)的智能收發(fā)卡存在的一系列問(wèn)題，同時(shí)可以利用云平臺(tái)來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作，大大提升的設(shè)備維護(hù)的方便性和應(yīng)對(duì)突發(fā)情況的能力。