摘  要： 介紹一種基于GPS模塊和科大訊飛TTS語音模塊的景區(qū)自助語音導(dǎo)游系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的詳細(xì)硬件設(shè)計(jì)方案及主要軟件流程圖。除可為景區(qū)游客的自助導(dǎo)游提供支持外，還可充分展示景區(qū)的各類工作成果，并收集游客對(duì)景區(qū)相關(guān)工作的評(píng)價(jià)意見，最后還可通過上位PC機(jī)軟件提取游客活動(dòng)信息及評(píng)價(jià)意見，進(jìn)而為景區(qū)改善旅游服務(wù)及管理工作提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞： GPS；TTS；景區(qū)導(dǎo)游；語音合成模塊；語音播報(bào)

    景區(qū)的游客自助導(dǎo)游系統(tǒng)可方便地為游客提供景區(qū)游覽路線、游覽主題內(nèi)容、預(yù)計(jì)游覽時(shí)間等基本信息，從而使游客可合理地安排個(gè)性化的游覽線路[1-2]。此外，還可用于向游客提供有關(guān)景區(qū)的詳盡資訊，以充分展示景區(qū)的歷史文化內(nèi)涵，同時(shí)還可用于收集游客對(duì)景區(qū)相關(guān)服務(wù)工作的評(píng)價(jià)意見。之后還可通過上位PC機(jī)軟件下載最新景區(qū)導(dǎo)游信息，并提取游客活動(dòng)信息及評(píng)價(jià)意見，進(jìn)而為景區(qū)準(zhǔn)確掌握游客觀賞熱點(diǎn)，進(jìn)而改善旅游服務(wù)及管理工作提供依據(jù)。
    本文給出一種基于GPS定位技術(shù)及TTS語音模塊的自助語音導(dǎo)游系統(tǒng)。自助語音導(dǎo)游相比導(dǎo)游手冊(cè)可提供更詳盡的實(shí)時(shí)導(dǎo)游信息；相比專業(yè)導(dǎo)游服務(wù)，自助語音導(dǎo)游不僅成本較低，還具有低介入性、更為個(gè)性化及人性化的優(yōu)勢(shì)。
1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)以MCS51單片機(jī)作為主控芯片，基于GPS定位模塊實(shí)現(xiàn)移動(dòng)定位功能，以確認(rèn)游客所在的地理位置。其后，結(jié)合內(nèi)置的景區(qū)地理信息數(shù)據(jù)，即可通過板載小型LCD顯示，也可使用科大訊飛XF-S4240 中文語音合成模塊即時(shí)播放位置信息及景區(qū)導(dǎo)游信息，從而實(shí)現(xiàn)景區(qū)的語音導(dǎo)航、導(dǎo)覽及導(dǎo)游功能。此外，通過板載的按鈕，用戶還可對(duì)景區(qū)各項(xiàng)設(shè)施與服務(wù)給出評(píng)價(jià)信息，景區(qū)管理者則可通過收集這些信息了解游客需求、各景區(qū)游客關(guān)注度及停留時(shí)間，進(jìn)而改進(jìn)景區(qū)建設(shè)，更好地為游客提供高質(zhì)量的服務(wù)。
1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    GPS景區(qū)自助導(dǎo)游系統(tǒng)硬件電路主要包括單片機(jī)控制模塊、GPS數(shù)據(jù)接收模塊、語音合成模塊、LCD顯示模塊、按鍵模塊、串行通信模塊、電源模塊等。圖1為該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖。

    系統(tǒng)硬件部分電路設(shè)計(jì)可參見圖2，由AT89C51單片機(jī)芯片、臺(tái)灣麗臺(tái)Leadtek GPS 9543LP定位模塊、科大訊飛XF-S4240嵌入式中文語音合成模塊、LM386音頻放大器、放音喇叭、MAX232串口變換模塊、128×64點(diǎn)陣LCD屏、4.2 V/3.3 V及3.3 V/1.8 V電源變換模塊等組成。單片機(jī)作為主控芯片，通過串行接口控制GPS模塊，以獲取定位信息。定位及導(dǎo)游信息首先通過液晶屏顯示，同時(shí)使用SPI接口發(fā)送到XF-S4240模塊實(shí)施語音合成，再經(jīng)LM386完成音頻信號(hào)放大后推動(dòng)喇叭發(fā)音；MAX232為串口信號(hào)電平變換模塊，由MCS51實(shí)現(xiàn)一個(gè)軟串口功能，用于必要時(shí)與上位PC機(jī)通信，供下載旅游信息或上傳游客信息之用；鍵盤接口用于連接一個(gè)4×4的薄膜鍵盤，供游客輸入信息；LDO電源變換芯片AMS1117-3.3，AMS1117-1.8則用于實(shí)現(xiàn)4.2 V→3.3 V→1.8 V的變換，為XF-S4240及GPS 9543LP模塊提供所需的工作電源。
1.2 GPS定位模塊及其電路設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)選用的麗臺(tái)Leadtek GPS 9543LP定位模塊采用并行12通道，定位精度可達(dá)15 m。GPS 接收模塊的型號(hào)、性能各異，但其GPS定位信息串行輸出格式大多采用美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)制定的NMEA-0183 通信標(biāo)準(zhǔn)格式。其輸出數(shù)據(jù)采用ASCII碼，內(nèi)容包含緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時(shí)間、航向以及衛(wèi)星狀況等信息，常用語句有6 種，包括GGA、GLL、GSA、GSV、RMC 和 VTG?？赏ㄟ^專用設(shè)置軟件或普通的串口調(diào)試軟件發(fā)送相應(yīng)的控制命令給GPS模塊，以設(shè)置其輸出周期及輸出格式[3-4]。本系統(tǒng)只需時(shí)間、經(jīng)緯度、海拔高度以及衛(wèi)星數(shù)等信息，故僅選用GGA輸出格式。
    一條$GPGGA 語句包括17個(gè)字段，形如：“$GPGGA，UTC時(shí)間，緯度，緯度半球，經(jīng)度，經(jīng)度半球，定位質(zhì)量指示，使用衛(wèi)星數(shù)量，水平精確度，天線離海平面的高度，高度單位，大地水準(zhǔn)面高度，高度單位，差分GPS數(shù)據(jù)期限，差分參考基站標(biāo)號(hào)，*校驗(yàn)和<CR><LF>”。其中校驗(yàn)和代表從“$”開始到“*”之間的所有ASCII碼的異或校驗(yàn)和。
    例如某條$GPGGA語句為：“$GPGGA，114641，3002.3232，N，12206.1157，E，1，05，12.9，53.2，M，11.6，M，，*4A”，則表明這是一條GPS定位數(shù)據(jù)信息，意思為世界(格林威治)時(shí)間為11時(shí)46分41秒，位置在北緯30度2.323 2分，東經(jīng)122度6.115 7分，定位有效，接收到5顆衛(wèi)星，水平精度12.9 m，天線離海平面高度53.2 m，所在地離地平面高度11.6 m，校驗(yàn)和為4AH。
    如圖2所示，Leadtek GPS 9543LP與單片機(jī)通過串行接口以9 600波特率通信，其秒脈沖信號(hào)1PPS也連接至單片機(jī)以提供測(cè)試功能。

1.3 XF-S4240語音合成模塊及其電路設(shè)計(jì)
    語音合成技術(shù)，簡(jiǎn)稱TTS（Text To Speech）技術(shù)，用于解決如何將文字信息轉(zhuǎn)化為聲音信息，從而使得人們獲取信息的方式更加豐富和自然。目前，在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，最具代表性的有科大訊飛XF-S4240和XF-S4041CN及宇音天下的SYN6288[5-6]。本系統(tǒng)中選用的語音合成模塊為科大訊飛的XF-S4240嵌入式中文語音合成模塊。該模塊支持GB2312、GBK、BIG5及UNICODE 4種內(nèi)碼格式的中文文本，同時(shí)提供英文字母的合成，支持男/女聲發(fā)音，并可靈活地調(diào)節(jié)語速、語調(diào)及音量。
    XF-S4240支持異步串口(UART)、SPI和I2C通信方式，允許發(fā)送數(shù)據(jù)的最大長(zhǎng)度為1 KB。XF-S4240提供了多種語音合成控制命令，如合成命令、停止合成命令、暫停合成命令、恢復(fù)合成命令；通過狀態(tài)查詢命令可查詢當(dāng)前模塊的工作狀態(tài)；而休眠命令則可置模塊于休眠方式以降低功耗。
    語音合成系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。語音模塊借助SPI接口與單片機(jī)連接，由硬件RDY引腳指示模塊的工作狀態(tài)，與單片機(jī)的INT1引腳相連。音頻功放電路則采用LM368音頻放大器，輸出端可直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。
1.4 其他模塊電路設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)中使用一片128×64點(diǎn)陣LCD模塊作為系統(tǒng)的顯示輸出，提供操作指示及各項(xiàng)導(dǎo)游信息的顯示功能；另使用4×4 薄膜鍵盤作為系統(tǒng)操作的輸入接口，可供用戶選擇相關(guān)信息進(jìn)行顯示或給出對(duì)某項(xiàng)景區(qū)服務(wù)的評(píng)價(jià)意見。
    由于本設(shè)計(jì)中MCS51僅有的一個(gè)串口已被用于與GPS模塊通信，故使用單片機(jī)的P3.4及P3.5兩端口構(gòu)成軟件串口，以實(shí)現(xiàn)與上位PC機(jī)的異步串行通信。該串行接口可供上位機(jī)向?qū)в蜗到y(tǒng)更新內(nèi)置地理/導(dǎo)游信息或提取用戶反饋意見，如圖2所示。

    本設(shè)計(jì)中電源使用4.2 V鋰電池供電，以方便便攜式應(yīng)用。GPS模塊還需使用3.3 V及1.8 V電源，且XF-S4240也需采用3.3 V供電，為此分別選用AMS1117-3.3 V及AMS1117-1.8 V LDO器件實(shí)現(xiàn)電源變換，因篇幅所限，此部分電路略去。
2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)主程序框圖如圖3所示。程序首先對(duì)單片機(jī)各IO端口、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器等外部設(shè)備進(jìn)行初始化，隨后進(jìn)入工作循環(huán)。依次周期性更新GPS數(shù)據(jù)，并據(jù)地理位置信息讀取內(nèi)置景區(qū)導(dǎo)游信息，之后更新LCD顯示，并將相關(guān)信息送TTS模塊以語音方式播報(bào)，其后讀取用戶按鍵信息，完成相關(guān)功能操作。若有必要，最后還須實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。
    語音合成程序的框圖如圖4所示。單片機(jī)首先判別語音合成模塊是否處于就緒狀態(tài)，若是，則依次發(fā)送幀頭、字節(jié)總數(shù)、語音合成命令碼、語音合成格式控制碼及待合成文本，語音模塊將隨后依所設(shè)命令完成TTS轉(zhuǎn)換。

    本系統(tǒng)將GPS定位模塊、地理特征信息及TTS語音合成功能有機(jī)結(jié)合，為GIS應(yīng)用提供了一種新的模式。系統(tǒng)價(jià)格適中、結(jié)構(gòu)緊湊，功能強(qiáng)大，有著良好的實(shí)用價(jià)值。文中對(duì)系統(tǒng)各個(gè)部分的硬件電路和軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳述。隨著GPS/GIS的應(yīng)用日趨廣泛，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想及技巧還可為其他相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制作提供借鑒。
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