帶有語音功能的人行通道智能管理系統(tǒng)設計

摘要：為了滿足人行通道智能化管理的要求，基于高性能的STM32處理器和凌陽SPCE061A微控制器設計了一套帶有語音功能的人行通道智能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)功能完善、工作可靠，并帶有語音播報功能，實現(xiàn)了人員流動有效智能化的管理。詳細敘述了設計原理和軟硬件實現(xiàn)方案。
關鍵詞：STM32；SPCE061A；智能管理；語音播報

    當今社會的高速發(fā)展加快了城市化的進程，隨之帶來的人口密度壓力與日俱增，為了緩解這一現(xiàn)象，保證公共場所高密度人群高效、有序的流動；人行通道智能管理概念應運而生，其對保證社會的平穩(wěn)高效發(fā)展有著重要的現(xiàn)實意義。本文采用新一代高性能ARM處理器STM32為核心控制器，設計了一種智能型的人行通道智能管理與控制系統(tǒng)，并具有語音提示功能，系統(tǒng)可實現(xiàn)在人行通道中給予自動的語音提示。為大型公共場所的出人人員提供文明、有序的通行方式，為有效地管理人員流動提供了方便。

1 系統(tǒng)總體設計
    本系統(tǒng)主要包括核心控制模塊、語音模塊、信號輸入模塊、電機控制模塊、人機交互模塊、通道方向指示模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和電源管理模塊。且具有性能可靠的安全保護和報警裝置。系統(tǒng)組成如圖1的框圖所示。

    (1)STM32核心控制模塊：實現(xiàn)信號處理與協(xié)調控制。
    (2)語音模塊：實現(xiàn)在人行通道中給予自動的語音播報提示。
    (3)信號輸入模塊：輸入信號主要包括刷卡信號、光電傳感器的定位信號、閘門定位信號、上位機通信控制信號等。
    (4)人機交互模塊：包括鍵盤和液晶顯示。鍵盤顯示用來完成系統(tǒng)參數(shù)設置以及動作方式指示等。
    (5)電機控制模塊：實現(xiàn)通道閘門的開放和關閉操作。
    (6)通道方向指示模塊：由LED點陣顯示進出通道方向。
    (7)串行通信模塊：采用串行RS 485接口，實現(xiàn)遠距離的多機控制。
    (8)電源系統(tǒng)模塊：主要包括正常工作電源、電源切換和蓄電池三個部分。整個電源系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)調運作，可以實現(xiàn)閘門斷電擺臂自動擺開、上電自動閉合，符合消防設計要求。
    本系統(tǒng)分為兩個主要模塊：一部分為STM32微處理器的核心控制，另一部分為SPCE061A單片機控制的語音播報系統(tǒng)。
    STM32微處理器核心控制的工作過程為：刷卡信號、光電傳感器的定位信號、閘門定位信號、上位機通信控制等信號輸入，經(jīng)STM32采集后，控制電機系統(tǒng)運作，如遇到非正常情況，將啟動報警和故障自檢功能，并且能夠使系統(tǒng)實現(xiàn)防夾、防沖功能，避免意外傷害。人機交互模塊可編程實現(xiàn)設備的運行狀態(tài)。
    SPCE061A語音模塊的工作過程為：將要播放的信息先存入SPCE061A單片機中，當行人的刷卡信號使閘門向左開或者向右開等控制操作時，STM32微處理器同時把這一信號送到SPCE061A中，使SPCE061A驅動揚聲器播報相應的信息。

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2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 核心微處理器STM32F103
    本設計方案采用意法半導體(ST)公司的STM32F103微處理器，此處理器基于32位的Cortex-M3 RISC CPU，該內(nèi)核是專門設計基于滿足高性能、低功耗、實時應用、具有競爭性價格于一體的嵌入式領域的要求。Cortex-M3在系統(tǒng)結構上的增強，讓STM32受益無窮；Thumb-2指令集帶來了更高的指令效率；通過緊耦合的嵌套矢量中斷控制器，對中斷響應比以往也更迅速。此芯片的快速反應能力、低功耗以及穩(wěn)定性，ST-M32F103對電機控制有強大優(yōu)勢，完全符合本設計的要求。圖2為STM32微處理器最小系統(tǒng)原理圖。

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2．2 SPCE061A語音控制器
    SPCE061A是16位μ’nSPTM微處理器，內(nèi)置2KB SRAM；內(nèi)置32KB FLASH；可編程音頻處理；使用凌陽音頻編碼SACM_S240方式(2.4Kb／s)，能容納210 s的語音數(shù)據(jù)；7通道10位電壓模／數(shù)轉換器(ADC)和單通道聲音模／數(shù)轉換器；聲音模／數(shù)轉換器輸入通道內(nèi)置麥克風放大器和自動增益控制(AGC)等功能。圖3為音頻輸出模塊。

2．3 電機系統(tǒng)
2．3．1 電機驅動電路
    機系統(tǒng)電路是設計的重要部分，采用24 V直流減速電機，且需對電機進行雙向可調速控制，因此功率驅動電路采用MOSFET場效應管IRF-9540和IRF540雙極性H橋型開關電路。由于采用的驅動電路屬于大功率驅動電路，因此驅動電路和控制電路之間需要電氣隔離，采用光電耦合電路來實現(xiàn)。電路中開關管有開通和關斷時間，存在互補的橋臂直通短路問題，這時會造成開關管發(fā)熱，嚴重時甚至燒毀開關管。因此增加
了組合門電路和軟件彌補修正死區(qū)時間的辦法。
2．3．2 PWM控制
    PWM(脈沖寬度調制)控制，通常配合橋式驅動電路實現(xiàn)直流電機調速，非常簡單，且調速范圍大，它的原理就是直流斬波原理。電機的轉速與電機兩端的電壓成正比，而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機的速度與占空比成比例，占空比越大，電機轉得越快。利用STM32的定時器PWM模式產(chǎn)生所需要的PWM波。[!--empirenews.page--]

3 語音合成
    語音的合成采用SPCE061A把想要的聲音錄制下來固然可以得到相應的音頻文件，但是受到錄音環(huán)境和麥克風品質的限制，用這種方法得到的聲音文件噪音大，不清晰，而且所占用的存儲空間大，不能長時間的錄制?；谏鲜鲈虮鞠到y(tǒng)采用另一種方法獲得聲音文件?；痉绞饺缦拢菏紫仁褂密浖岩磉_的信息由文字變?yōu)槁曇粑募?；其次對得到的音頻文件進行修飾，比如音量的大小，語速快慢等；然后將音頻文件壓縮下載到單片機，這樣獲得的語音文件品質高而且節(jié)省存儲空間。該方法的操作流程如圖4所示。

    訊飛語音軟件是一款可以將文本信息直接轉換為音頻信息的智能軟件。一般，語音轉換需要龐大的語音數(shù)據(jù)庫作為基礎，而訊飛語音軟件只給用戶提供一個客戶端，如圖5所示，利用這個客戶端和已將文本通過網(wǎng)絡上傳到后臺的服務器，后臺負責把客戶上傳的文本轉換為聲音再把聲音文件傳給客戶。這樣，不必下載龐大復雜的轉換軟件就可以在短時間內(nèi)把文字轉換成想要的聲音文件。

4 系統(tǒng)軟件設計
    主程序流程圖如圖6所示。在程序的設計過程中，采用了模塊化的方法，首先設計主控程序，然后設計分模塊。系統(tǒng)啟動后首先進行初始化，對設備參數(shù)進行設置，各個模塊檢測正常后系統(tǒng)等待行人的刷卡信號。當有人刷卡時控制器會根據(jù)信號分析行人是要進入還是要離開，如果有中斷，控制器會根據(jù)中斷進行命令解析并控制電機動作；如果沒有中斷，系統(tǒng)就會直接進行信號解析并控制電機動作。