李奕穎， 劉忠富， 曾 黔， 楊清慧， 韓 敏， 李松霖

（大連民族大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院， 遼寧 大連116600）

0 引 言

隨著科技的發(fā)展與國民生產(chǎn)總值的日益提高，大家也越來越追求生活的質(zhì)量，外出旅行已經(jīng)成為普遍的消遣方式。 因此，研究一種集目前先進(jìn)的自動識別技術(shù)、語音壓縮技術(shù)、數(shù)碼存儲技術(shù)、無線傳輸技術(shù)于一體的智能導(dǎo)游系統(tǒng)勢在必行。

本系統(tǒng)主要是應(yīng)用射頻識別技術(shù)（RFID），通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無需人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。 該技術(shù)具有識別速度快、數(shù)據(jù)容量大、使用壽命長、應(yīng)用范圍廣和標(biāo)簽數(shù)據(jù)可動態(tài)更改的優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)采用射頻原理識別標(biāo)記對象，射頻識別（radio frequency identification，簡稱為RFID）是一種非接觸式的自動識別技術(shù)。 其利用射頻信號通過空間耦實(shí)現(xiàn)無接觸的信息傳遞［1］。 利用無線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，STC89C52RC 單片機(jī)為核心處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再將數(shù)據(jù)信息通過液晶顯示屏顯示，語音模塊進(jìn)行播報(bào)，從而實(shí)現(xiàn)景區(qū)智能導(dǎo)游目的。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本景區(qū)智能導(dǎo)游系統(tǒng)主要由三部分組成，分別為微控制單元（MCU）、無線定位模塊和語音播放模塊。 每個景區(qū)的信息對應(yīng)一個電子標(biāo)簽，而每個電子標(biāo)簽又分別與無線定位系統(tǒng)相連［2］。 單片機(jī)作為地址發(fā)射器的控制器，對無線模塊進(jìn)行設(shè)置處理，然后地址碼信息被調(diào)制成射頻信號后發(fā)射。 單片機(jī)對接收來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，找出與之匹配的語音信息進(jìn)行解碼，語音模塊對語音信息進(jìn)行處理后，通過喇叭播放景區(qū)信息，基本上實(shí)現(xiàn)了智能導(dǎo)游功能［3］。 系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

系統(tǒng)中微處理器采用STC89C52RC，因其構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單可靠，只要在其芯片上接時鐘電路以及復(fù)位電路，最小系統(tǒng)便可以進(jìn)行工作，時鐘頻率選用12 MHz。

1.2 無線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

無線收發(fā)模塊采用nRF24L01 芯片，采用串行外設(shè)接口與MCU 通信。 nRF24L01 集成了所有與RF 協(xié)議相關(guān)的高速信號處理部分，可自動重發(fā)丟失數(shù)據(jù)包、自動產(chǎn)生應(yīng)答信號。 通過軟件來調(diào)節(jié)重發(fā)時間和次數(shù)。 無線收發(fā)模塊原理如圖2 所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 System overall design diagram

1.3 語音模塊設(shè)計(jì)

語音播放模塊選用WT588D 語音芯片，采用PWM 外加喇叭來進(jìn)行播放。 語音播放停止馬上進(jìn)入休眠模式，芯片轉(zhuǎn)為完全停止?fàn)顟B(tài)。 主控單片機(jī)將從機(jī)發(fā)來的信息與內(nèi)部數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匹配，找到對應(yīng)景區(qū)的數(shù)據(jù)信息并發(fā)送給語音模塊，并將景區(qū)信息轉(zhuǎn)換成語音通過喇叭播放出來。 一個已加載語音可重復(fù)調(diào)用到多個地址，單個地址位最多可加載128 段語音，地址位內(nèi)的語音組合播放，語音播放停止進(jìn)入休眠模式，芯片轉(zhuǎn)為完全停止?fàn)顟B(tài)［4］。 語音模塊原理如圖3 所示。

1.4 顯示模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用LCD1602 作為顯示模塊來顯示所處景點(diǎn)位置，共可以顯示兩行內(nèi)容，每行16 個字符。主機(jī)和從機(jī)均設(shè)有液晶屏，用以顯示景區(qū)信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)比較分析。 顯示模塊原理如圖4 所示。

1.5 電源模塊設(shè)計(jì)

單片機(jī)工作時的電壓為5 V，而語音模塊和無線模塊的工作電壓為3.3 V。 為了讓系統(tǒng)正常運(yùn)行，需在輸入端加入一個低功耗的電壓調(diào)節(jié)器LM1117將5 V 電源電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V 工作電壓。 為了保證輸出工作電壓精確度在1%左右，需要在模塊增加一個進(jìn)行齊納調(diào)節(jié)的帶隙基準(zhǔn)電壓。 LM1117 控制電流大小，防止芯片過熱影響現(xiàn)象［8］。 電源模塊原理如圖5 所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主機(jī)模塊即為智能導(dǎo)游器，從機(jī)模塊即為地址發(fā)射器。 關(guān)于主機(jī)模塊的軟件設(shè)計(jì)主要包括無線接收程序、語音控制程序以及顯示程序三部分，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、處理以及顯示功能。 從機(jī)模塊分為無線發(fā)送程序和顯示程序兩部分，負(fù)責(zé)作為數(shù)據(jù)的發(fā)送端，帶動整個系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與運(yùn)作。 從機(jī)將已有的地址信息通過無線發(fā)送模塊發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)的無線接收模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化分析處理，然后顯示在液晶屏上，通過語音模塊播放出來。

圖2 無線收發(fā)模塊原理圖Fig.2 Schematic diagram of wireless transceiver module

圖3 語音模塊原理圖Fig.3 Schematic diagram of speech module

圖4 顯示模塊原理圖Fig.4 Schematic diagram of display module

圖5 電源模塊原理圖Fig.5 Schematic diagram of power module

2.1 主機(jī)模塊設(shè)計(jì)

主機(jī)模塊接受來自從機(jī)模塊的地址信息，經(jīng)過嚴(yán)格地處理分析實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)功能。 主機(jī)模塊系統(tǒng)首先對無線接收模塊和LCD1602（顯示模塊）進(jìn)行初始化，完成對主機(jī)無線接收模塊的配置。 當(dāng)主函數(shù)進(jìn)入接受模式時，主機(jī)成功接收到新的數(shù)據(jù)，Busy值置為1，對信號的輸出做出響應(yīng)，以判斷從機(jī)發(fā)送過來的地址信息。 主機(jī)模塊軟件設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖6 主機(jī)模塊軟件設(shè)計(jì)Fig.6 Software design of host module

2.1.1 nRF24L01 無線接受模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)利用串口調(diào)試助手對無線模塊進(jìn)行工作模式的選擇，在主機(jī)模塊中，nRF24L01 充當(dāng)接收模塊，實(shí)現(xiàn)地址信息的接收功能。 定時對串口進(jìn)行檢測可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗。 系統(tǒng)每隔5s 對串口進(jìn)行一次檢測，當(dāng)串口無數(shù)據(jù)接收時，系統(tǒng)自動進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

2.1.2 語音模塊設(shè)計(jì)

語音播報(bào)系統(tǒng)使用上位機(jī)通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)給單片機(jī)，以控制WT588D 語音模塊進(jìn)行語音播報(bào)。WT588D 語音模塊采用一線串口控制模式，與單片機(jī)的端口直接相連，向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。 通過對數(shù)據(jù)中傳遞的地址信息進(jìn)行分析處理，直接實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)。 語音播報(bào)系統(tǒng)程序運(yùn)行初始化后，通過串口檢測上位機(jī)是否發(fā)送數(shù)據(jù)，若無數(shù)據(jù)則繼續(xù)檢測；否則執(zhí)行相應(yīng)的語音播報(bào)功能。 本設(shè)計(jì)中加入延時函數(shù)，設(shè)置不同的電平占空，不同的數(shù)據(jù)位有不同的比例。

2.1.3 顯示模塊設(shè)計(jì)

LCD1602 模塊通過初始化函數(shù)、寫數(shù)據(jù)函數(shù)、寫命令函數(shù)、讀形態(tài)函數(shù)以及讀數(shù)據(jù)函數(shù)進(jìn)行驅(qū)動。 其初始化包含LCD 的復(fù)位及關(guān)開顯示，讀寫函數(shù)完成數(shù)據(jù)的處理工作，空閑狀態(tài)檢測利用讀形態(tài)函數(shù)讀入的形態(tài)BUSY 與RST 均為低電平，即檢測到LCD 空閑，可寫入顯示數(shù)據(jù)。 在顯示地址時，需要先輸入字符地址，即告知在LCD 哪個位置顯示信息。

2.2 從機(jī)模塊設(shè)計(jì)

從機(jī)的主要任務(wù)是給主機(jī)發(fā)送地址信息。 同主機(jī)一樣，模塊啟動時， 需要對無線接收模塊、LCD1602 進(jìn)行初始化，經(jīng)過初始化后完成對從機(jī)無線發(fā)送模塊的配置。 在從機(jī)的主函數(shù)中，先對顯示屏進(jìn)行初始化設(shè)置，默認(rèn)顯示景區(qū)信息。 當(dāng)有主機(jī)靠近從機(jī)的時候，從機(jī)調(diào)用無線模塊子函數(shù)向主機(jī)發(fā)送地址信息，從而完成從機(jī)作為地址發(fā)射器的功能。 從機(jī)模塊流程如圖7 所示。

由初始化方式可以看到，接收與發(fā)射的設(shè)置基本一致，只是發(fā)射模式中多了2 個操作：設(shè)置TX 地址和設(shè)置重發(fā)次數(shù)。 發(fā)射與接收模式的不同體現(xiàn)在CONFIG 寄存器的設(shè)置不同，發(fā)射模式時寄存器的最后一位需要置0，接收時置1。

圖7 從機(jī)模塊軟件設(shè)計(jì)Fig.7 Software design of plexus module

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)在總結(jié)了前人設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將RFID 技術(shù)完美的融合進(jìn)智能導(dǎo)游系統(tǒng)，充分發(fā)揮出其在智能定位上的技術(shù)優(yōu)勢，結(jié)合微控制器與其它模塊的連接，將其應(yīng)用到景區(qū)智能導(dǎo)游上，對旅游業(yè)智能化發(fā)展起到了重要作用。