基于Arduino的語音報(bào)警系統(tǒng)

鄒元鵬

摘 要：介紹了一種基于Arduino的語音報(bào)警系統(tǒng)。文中描述了語音系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理和具體功能，該系統(tǒng)通過接收以太網(wǎng)上的UDP報(bào)文，解析成文本并進(jìn)行語音朗讀，實(shí)現(xiàn)智能化的語音報(bào)警。本設(shè)計(jì)硬件部分選用了開放式的硬件平臺Arduino和文本語音轉(zhuǎn)換（TTS）模塊；軟件部分給出了控制器中具體的程序邏輯實(shí)現(xiàn)；最后對系統(tǒng)的控制方法作了說明。

關(guān)鍵詞：Arduino；語音報(bào)警系統(tǒng)

當(dāng)前市場上常用的語音報(bào)警系統(tǒng)分兩種。一種是帶錄音功能的語音報(bào)警器，內(nèi)置通用的多種報(bào)警語音，按條件觸發(fā)播放。這種語音報(bào)警系統(tǒng)聲音自然，易于使用。但是如果需要修改語音，或是需要播報(bào)的語音條目太多時(shí)，需要做的工作量非常大，且難以實(shí)現(xiàn)智能化的語音報(bào)警（如在語音中自動(dòng)插入報(bào)警的設(shè)備號）。近年來，隨著語音文字轉(zhuǎn)換技術(shù)（TTS）的發(fā)展，另一種采用此種技術(shù)的語音報(bào)警系統(tǒng)開始普及，極大的提高了工業(yè)報(bào)警系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化程度。

本文介紹一種以SYN6658 TTS語音模塊、W5100以太網(wǎng)模塊以及開源Arduino平臺實(shí)現(xiàn)的基于以太網(wǎng)的語音報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可方便的與工廠中常用的多種PLC直接對接。系統(tǒng)從以太網(wǎng)接收GBK編碼的UDP報(bào)文，將其以指定語速及音色朗讀。具有擴(kuò)展性好，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載低、易于實(shí)現(xiàn)等多種優(yōu)點(diǎn)，為相關(guān)語音系統(tǒng)的構(gòu)建提供了參考。

一、硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用了Arduino Nano 控制板、W5100以太網(wǎng)模塊、SYN6658語音模塊及有源音箱、穩(wěn)壓電源等構(gòu)成。系統(tǒng)的組成如圖所示。

系統(tǒng)通過W5100接收報(bào)文，經(jīng)過Arduino解析并再次封裝，發(fā)送給SYN6658模塊，模塊將編碼轉(zhuǎn)換為語音并驅(qū)動(dòng)音箱播放。

Arduino是一種基于Atmel的微控制器的開源軟硬件平臺，近年來隨著智能硬件的普及得到了廣泛應(yīng)用，這種控制板細(xì)分為眾多型號，本次設(shè)計(jì)中使用的是基于ATmega328的Arduino Nano版本。該版本體積比標(biāo)準(zhǔn)板更小，采用更友好的MiniUSB供電接口，提供14個(gè)數(shù)字輸入輸出引腳和8個(gè)模擬輸入引腳，32KB 閃存，2KB SRAM和1KB EEPROM。

W5100是一款多功能的單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片，內(nèi)部集成了10/100M以太網(wǎng)控制器，主要用于各種高集成、高穩(wěn)定、高性能和低成本的嵌入式系統(tǒng)中。W5100內(nèi)部集成了全硬件的TCP/IP協(xié)議棧。

SYN6658是一款優(yōu)秀的語音合成芯片，芯片通過UART接口或SPI接口通訊方式接收待合成的文本數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)文本到語音的轉(zhuǎn)換，主要應(yīng)用于公交語音報(bào)站、自動(dòng)售貨機(jī)、排隊(duì)機(jī)等領(lǐng)域。芯片支持文本智能分析、多音字處理、中文姓氏處理、語音語調(diào)切換等多種功能。

Arduino Nano與W5100間使用SPI對接，可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的讀取和寫入，同時(shí)與SYN6658間使用TTL串口通訊，實(shí)現(xiàn)語音報(bào)文的發(fā)送。

二、軟件設(shè)計(jì)

軟件部分采用Arduino1.6.8編程軟件平臺完成，該平臺使用了一種類C的語言進(jìn)行編程序編制。程序通過Socket通訊機(jī)制接收UDP報(bào)文，然后通過串口發(fā)送文本信息。

簡化后的主要程序邏輯如下：

void setup（） {

Ethernet.begin（mac， ip）； //初始化網(wǎng)絡(luò)模塊

Udp.begin（localPort）； //開始監(jiān)聽端口

Serial.begin（9600）；}

void loop（） {

int packetSize = Udp.parsePacket（）； //接收報(bào)文

if （packetSize） {

Udp.read（packetBuffer， UDP_TX_PACKET_MAX_SIZE）；

unsigned char head[packetSize+5]； //封裝文本數(shù)據(jù)

head[0] = 0xFD；

head[1] = 0x00；

head[2] = packetSize+2；

head[3] = 0x01；

for（int i=0； i<=packetSize； i++）{

head[i+2] = packetBuffer[i]；}

for（int i=0； i

Serial.write（head[i]）；}}} //發(fā)送給語音模塊

三、系統(tǒng)控制方法

本語音系統(tǒng)的報(bào)警可使用任意支持以太網(wǎng)Socket連接的設(shè)備觸發(fā)。調(diào)試時(shí)可使用PC上的Socket測試助手進(jìn)行連接，也可使用高級語言編寫控制端軟件進(jìn)行控制。實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場中，由于現(xiàn)在大部分PLC都支持Socket連接，可直接將該語音報(bào)警系統(tǒng)連入現(xiàn)場以太網(wǎng)，通過在PLC中編寫程序與報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行對接。

四、結(jié)語

經(jīng)測試，該語音報(bào)警系統(tǒng)能夠根據(jù)現(xiàn)場發(fā)送的文本進(jìn)行報(bào)警，硬件可靠性，搭配的放大電路及有源音箱的功率也足夠，滿足可用性要求。但本方案中并未考慮現(xiàn)場電磁屏蔽保護(hù)，如果現(xiàn)場電磁干擾較強(qiáng)，需要設(shè)計(jì)防護(hù)外殼為系統(tǒng)屏蔽電磁干擾，同時(shí)選用TCP連接協(xié)議進(jìn)一步增加數(shù)據(jù)可靠性。另外，該系統(tǒng)也可設(shè)計(jì)為使用如串口、數(shù)字量等其他方式進(jìn)行控制，以適應(yīng)不兼容以太網(wǎng)的其他工業(yè)現(xiàn)場。

參考文獻(xiàn)：

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