国家大学生创新性实验计划项目论文

基于RFID技术的多功能电子导游付玉堂张建国余大利（哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，哈尔滨，150001）摘要：本文设计制作一款多功能电子导游，主要应用RFID技术、ASR语音识别及播放技术、嵌入式系统的设计应用等。本电子导游是整合射频识别播放器来进行播放景区景点的语音介绍，可以通过USB接口与PC通信下载景点资料，RFID电子标签安放在景区内，发射景点的编码信息，当游客进入景区时，此射频识别语音播放器接收到对应的景点编码信息后，进行编码并进行播放，同时也可以通过语音识别来进行相关的选择。方便快捷，提高了工作效率和游客的满意度。关键词：RFID；ASR语音识别；嵌入式；电子导游Abstract：Thisisadesignofmulti-functionalelectronicguide,andthemajorapplicationisRFIDtechnology,ASRandplaybacktechnology,embeddedsystemandsoon.Theelectronicguideistointegrateradiofrequencyidentificationplayerforplaybackofvoiceintroducescenicspots,youcancommunicatewiththePCviaUSBdownloadsitesdata,RFIDtagsplacedinthearea,thelaunchsitesoftheencodedinformation,whenvisitorsenterthearea,thisRFIDvoiceplayerreceivesencodedinformationcorrespondingtothespots,encodedandplayedback,butalsothroughvoicerecognitiontomaketherelevantchoice.Itisveryconvenient,improveefficiencyandvisitorsatisfactionaswell.Keywords：RFID;ASR;EmbeddedSystem;ElectronicGuide引言传统的电子导游系统一般采用红外无线通信的方式，容易出现游客接收到错误的景点信息而造成游客的不便。而RFID(无线射频识别技术)是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，尤其是RFID技术与物联网应用的结合，更是使得它成为目前研究的热点。因此，与RFID技术相结合的智能语音播放器也成为一种发展趋势，它可实现用户在展厅方便的进行参观、了解展品、收听各类文物、景点介绍等，实现博物馆等的自动化智能数字管理。本文设计的多功能语音播放器可以通过USB接口与PC通信下载景点资料，RFID电子标签安放在景区内，发射景点的编码信息，当游客进入景区时，便携式智能语音播放器接收到对应的景点编码信息后，进行编码并进行播放，也可以通过语音识别系统进行选择性的播放。1系统总体设计根据RFID技术的特点，设计了基于RFID的多功能语音播放器的总体结构框图，如图1所示。图1电子导游系统框图该设计共由三部分构成：RFID读写模块；嵌入式系统的应用；智能语音播放控制及解码模块。主要包括RFID电子标签与阅读器，用于主控的AtomN270嵌入式系统及STC12C5A60S2单片机，VS1003音频解码芯片，ASR语音识别部分，大容量存储器，USB通信接口等。当播放器处于工作状态时，由RFID阅读器识别标签信号后，再通过收发系统将语音信号信息及标签信息发送对应标签信息的便携式语音装置，读取存储在便携式语音装置中的语音片段并播放语音。该系统有效工作距离为1～3m，可存储至少50段(每段时长3～5min)语音文件(内置中文、英文、日文语音文件)，语音文件亦可由用户通过播放器自主控制播放或通过语音识别来进行播放。2硬件电路2.1RFID模块设计RFID系统工作原理：用户标签进入磁场后，如果接收到阅读器发出的特殊射频信号，则能通过感应电流所获得的能量发送出存储在无源标签(被动标签，即PassiveTag)芯片中的产品地址信息，或由有源标签(主动标签，即ActiveTag)主动发送某一频率信息，再由阅读器读取信息并解码，再进行有关数据的处理。RFID系统的基本模型如图2所示，电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间(非接触式)耦合，在耦合通道内，根据时序关系，实现数据交换以及能量传递。图2RFID系统基本模型基于RFID的便携式智能语音播放器工作范围(感应距离)应控制在1～3m，由于展厅各展台之间距离较小，若感应距离太远，容易造成信号间的干扰，出现未到展台便已经播放语音片段的情况，因此，感应距离最远不超过3m。电子反向散射耦合方式的作用距离为3～10m，符合便携式智能语音播放器的感应距离要求，同时无源电子标签相对于有源电子标签更节约成本，且标签内部无需内置电源供电，易于携带且较为环保，因此，基于RFID的便携式智能语音播放器选择使用电子反向散射耦合方式的无源电子标签更为合适。2.2嵌入式系统的设计应用此部分采用AtomN270为核心的嵌入式工控板，结合VGA驱动实现液晶显示，该处理器主要指标：主频：1.6GHz总线频率：533MHz核心数量：1，制作工艺：45nm一级缓存：64KB二级缓存：512KB超线程技术：支持。便携式智能语音播放器的语音由单片机控制来完成，控制播放器的各个部分的工作(从存储设备读取语音信号送到音频解码器解码、与PC连接时完成与PC的数据交换、响应控制按键的操作、显示系统运行状态等)；音频解码器可以直接完成多种格式的音频信号的解码操作；存储设备是系统的重要部分，它用于存储预存在播放器中的音频信号，也可以存储由PC通信端口传来的数据，播放时由单片机读取存储器中的数据并送到音频解码器；PC通信端口是播放器与：PC机进行数据交换，完成存储器中数据的拷贝、删除、复制等操作；音频DAC是将数字音频信号转换为模拟音频信号，方便耳机或功放等设备的使用。单片机STC12C5A60S2部分用于控制响应接收识别的无线信号并读取存储设备中的语音文件信息，并播放由音频解码芯片解码后的语音文件，并控制LED显示屏显示文件信息(包括文件名、文件长度、播放长度等)，除此之外，同时可以响应播放器上的按钮播放、暂停、快进以及音量调节等。STC12C5A60S2系列单片机是单时钟／机器周期兼容的8051内核单片机。STC12C5A60S2特点如下：增强型1T流水线精简指令集结构8051CPU；用户应用程序空间12KB，10KB，8KB，6KB，4KB，2KB；片上集成512BRAM；通用I／O口(27／23个)，复位后为准双向口，弱上拉(普通8051传统I／O口)；可设置成四种模式：准双向口弱上拉，推挽强上拉，仅为输入高阻，开漏每个I／O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过55mA；ISP(在系统可编程)、IAP(在应用可编程)，无需专用编程器可通过串口(P3．0／P3．1)直接下载用户程序，数秒即可完成一片；内部集成MAX810专用复位电路(外部晶体20MHz以下时，可省外部复位电路)；时钟源：外部高精度晶体时钟，内部R／C振荡器用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R／C振荡器还是外部晶体时钟；常温下内部R／C振荡器频率为5．2～6．8MHz，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有温漂，应认为是4～8MHz；共2个16位定时器、计数器。2.3智能语音播放控制及ASR语音识别模块设计VS1003是一个MP3，WMA，MIDI音频解码器和ADPCM编码器。VS1003通过一个串行接口来接收输入的比特流，它可以作为一个系统的从机，输入的比特流被解码，然后通过一个数字音量控制器到达一个18位过采样多位，通过串行总线控制解码器。VS1003特性如下：能解码MPEG1和MPEG2音频层Ⅲ(CBR+VBR+ABR)、WMA4．0／4．1／7／8／9，5～384Kb／s所有流文件、WAV(PCM+IMAAD―PCM)等格式文件；单时钟操作12．13MHz；内部PLL锁相环时钟倍频器；内含高性能片上立体声数模转换器；模拟、数字、I／O单独供电；为用户代码和数据准备的5.5KB片上RAM。播放器的存储介质选用SD卡，SD卡应用广泛，应用于移动存储设备中，且容量有多种选择，方便用户任意改变存储介质中的语音文件，成本较低；利用USB与PC进行通信，方便用户将语音文件导人播放器；显示部分采用LED显示屏，供用户通过显示屏了解展品简要信息。语音识别采用ASR技术，自动语音识别技术（AutomaticSpeechRecognition）是一种将人的语音转换为文本的技术。语音识别是一个多学科交叉的领域，它与声学、语音学、语言学、数字信号处理理论、信息论、计算机科学等众多学科紧密相连。由于语音信号的多样性和复杂性，目前的语音识别系统只能在一定的限制条件下获得满意的性能，或者说只能应用于某些特定的场合。首先由多功能语音播放器的无线信号接收部分接收无线信号，识别出应播放的由播放器存储的语音信号并读取后，再由音频解码芯片对信号进行解码，通过数模转换机将音频数字信号转换为模拟信号放大输出。便携式智能语音播放器的整个控制程序都由单片机的运行来完成，控制播放器的各个部分的工作(从存储设备读取语音信号送到音频解码器解码、与PC连接时完成与PC的数据交换、响应控制按键的操作、显示系统运行状态等)；音频解码器可以直接完成多种格式的音频信号的解码操作；存储设备是系统的重要部分，它用于存储预存在播放器中的音频信号，也可以存储由PC通信端口传来的数据，播放时由单片机读取存储器中的数据并送到音频解码器；PC通信端口是播放器与：PC机进行数据交换，完成存储器中数据的拷贝、删除、复制等操作；音频DAC是将数字音频信号转换为模拟音频信号，方便耳机或功放等设备的使用。多功能语音播放器的电路设计原理图如图3所示。图3语音部分电路图3系统软件设计本系统软件部分主要涉及到嵌入式系统的上位机，单片机控制程序，ASR语音识别系统的上位机软件。ASR上位机软件如图4所示。图4ASR系统上位机软件4结语本文设计并实现的的基于RFID的多功能语音播放器以AtomN270及STC12C5A60S2为显示，数据处理及控制核心，使用VS1003音频解码芯片，ASR语音识别系统，结合RFID技术可以实现博物馆展厅等全方向的无线数据通信。本系统可以有效地提高景点的服务效率，方便广大游客。参考文献：[1]刘建华等.《单片机原理及应用技术》.上海：上海