带有语音功能的人行通道智能管理系统设计

摘要：为了满足人行通道智能化管理的要求，基于高性能的STM32处理器和凌阳SPCE061A微控制器设计了一套带有语音功能的人行通道智能管理系统。该系统功能完善、工作可靠，并带有语音播报功能，实现了人员流动有效智能化的管理。详细叙述了设计原理和软硬件实现方案。
关键词：STM32；SPCE061A；智能管理；语音播报

    当今社会的高速发展加快了城市化的进程，随之带来的人口密度压力与日俱增，为了缓解这一现象，保证公共场所高密度人群高效、有序的流动；人行通道智能管理概念应运而生，其对保证社会的平稳高效发展有着重要的现实意义。本文采用新一代高性能ARM处理器STM32为核心控制器，设计了一种智能型的人行通道智能管理与控制系统，并具有语音提示功能，系统可实现在人行通道中给予自动的语音提示。为大型公共场所的出人人员提供文明、有序的通行方式，为有效地管理人员流动提供了方便。

1 系统总体设计
    本系统主要包括核心控制模块、语音模块、信号输入模块、电机控制模块、人机交互模块、通道方向指示模块、数据通信模块和电源管理模块。且具有性能可靠的安全保护和报警装置。系统组成如图1的框图所示。

    (1)STM32核心控制模块：实现信号处理与协调控制。
    (2)语音模块：实现在人行通道中给予自动的语音播报提示。
    (3)信号输入模块：输入信号主要包括刷卡信号、光电传感器的定位信号、闸门定位信号、上位机通信控制信号等。
    (4)人机交互模块：包括键盘和液晶显示。键盘显示用来完成系统参数设置以及动作方式指示等。
    (5)电机控制模块：实现通道闸门的开放和关闭操作。
    (6)通道方向指示模块：由LED点阵显示进出通道方向。
    (7)串行通信模块：采用串行RS 485接口，实现远距离的多机控制。
    (8)电源系统模块：主要包括正常工作电源、电源切换和蓄电池三个部分。整个电源系统内部协调运作，可以实现闸门断电摆臂自动摆开、上电自动闭合，符合消防设计要求。
    本系统分为两个主要模块：一部分为STM32微处理器的核心控制，另一部分为SPCE061A单片机控制的语音播报系统。
    STM32微处理器核心控制的工作过程为：刷卡信号、光电传感器的定位信号、闸门定位信号、上位机通信控制等信号输入，经STM32采集后，控制电机系统运作，如遇到非正常情况，将启动报警和故障自检功能，并且能够使系统实现防夹、防冲功能，避免意外伤害。人机交互模块可编程实现设备的运行状态。
    SPCE061A语音模块的工作过程为：将要播放的信息先存入SPCE061A单片机中，当行人的刷卡信号使闸门向左开或者向右开等控制操作时，STM32微处理器同时把这一信号送到SPCE061A中，使SPCE061A驱动扬声器播报相应的信息。

2 系统硬件设计
2．1 核心微处理器STM32F103
    本设计方案采用意法半导体(ST)公司的STM32F103微处理器，此处理器基于32位的Cortex-M3 RISC CPU，该内核是专门设计基于满足高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求。Cortex-M3在系统结构上的增强，让STM32受益无穷；Thumb-2指令集带来了更高的指令效率；通过紧耦合的嵌套矢量中断控制器，对中断响应比以往也更迅速。此芯片的快速反应能力、低功耗以及稳定性，ST-M32F103对电机控制有强大优势，完全符合本设计的要求。图2为STM32微处理器最小系统原理图。

2．2 SPCE061A语音控制器
    SPCE061A是16位μ’nSPTM微处理器，内置2KB SRAM；内置32KB FLASH；可编程音频处理；使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4Kb／s)，能容纳210 s的语音数据；7通道10位电压模／数转换器(ADC)和单通道声音模／数转换器；声音模／数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)等功能。图3为音频输出模块。

2．3 电机系统
2．3．1 电机驱动电路
    机系统电路是设计的重要部分，采用24 V直流减速电机，且需对电机进行双向可调速控制，因此功率驱动电路采用MOSFET场效应管IRF-9540和IRF540双极性H桥型开关电路。由于采用的驱动电路属于大功率驱动电路，因此驱动电路和控制电路之间需要电气隔离，采用光电耦合电路来实现。电路中开关管有开通和关断时间，存在互补的桥臂直通短路问题，这时会造成开关管发热，严重时甚至烧毁开关管。因此增加
了组合门电路和软件弥补修正死区时间的办法。
2．3．2 PWM控制
    PWM(脉冲宽度调制)控制，通常配合桥式驱动电路实现直流电机调速，非常简单，且调速范围大，它的原理就是直流斩波原理。电机的转速与电机两端的电压成正比，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快。利用STM32的定时器PWM模式产生所需要的PWM波。

3 语音合成
    语音的合成采用SPCE061A把想要的声音录制下来固然可以得到相应的音频文件，但是受到录音环境和麦克风品质的限制，用这种方法得到的声音文件噪音大，不清晰，而且所占用的存储空间大，不能长时间的录制。基于上述原因本系统采用另一种方法获得声音文件。基本方式如下：首先使用软件把要表达的信息由文字变为声音文件；其次对得到的音频文件进行修饰，比如音量的大小，语速快慢等；然后将音频文件压缩下载到单片机，这样获得的语音文件品质高而且节省存储空间。该方法的操作流程如图4所示。

    讯飞语音软件是一款可以将文本信息直接转换为音频信息的智能软件。一般，语音转换需要庞大的语音数据库作为基础，而讯飞语音软件只给用户提供一个客户端，如图5所示，利用这个客户端和已将文本通过网络上传到后台的服务器，后台负责把客户上传的文本转换为声音再把声音文件传给客户。这样，不必下载庞大复杂的转换软件就可以在短时间内把文字转换成想要的声音文件。

4 系统软件设计
    主程序流程图如图6所示。在程序的设计过程中，采用了模块化的方法，首先设计主控程序，然后设计分模块。系统启动后首先进行初始化，对设备参数进行设置，各个模块检测正常后系统等待行人的刷卡信号。当有人刷卡时控制器会根据信号分析行人是要进入还是要离开，如果有中断，控制器会根据中断进行命令解析并控制电机动作；如果没有中断，系统就会直接进行信号解析并控制电机动作。