基于RFID技術(shù)的智能語音播報系統(tǒng)設(shè)計

引言

射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)作為一種非接觸式的自動識別新技術(shù)，近年來得到了迅速的發(fā)展并逐步走向成熟。其原理是基于無線射頻信號的傳輸特性，進行非接觸式自動識別，從而自動識別被標(biāo)識對象，獲取對應(yīng)數(shù)據(jù)進行交換。最常見的識別方法是一個串行存儲號碼識別一個人或物體。在此介紹一種基于RFID和單片機技術(shù)的智能語音播報系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于旅游景點自助導(dǎo)游、博物館自助講解、公交車站自動報站等場合。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)由兩大部分組成：RFID電子標(biāo)簽和智能終端。RFID電子標(biāo)簽內(nèi)部由RFID晶片和外界線圈組成，每張電子標(biāo)簽有唯一的ID號。智能終端主要包括AT89S52單片機、最小系統(tǒng)電路、RFID讀卡器、語音模塊等。其中語音模塊由WT588D語音芯片、編程器和用于語音下載、編程、模式設(shè)置的上位機軟件WT588D VioceChip組成。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

智能終端在有效讀取范圍內(nèi)檢測到RFID電子標(biāo)簽時，產(chǎn)生串行中斷，單片機通過RXD引腳讀取并存儲電子標(biāo)簽ID值，然后查詢與讀取的ID號對應(yīng)的語音地址，單片機通過一線串口控制模式控制語音模塊完成對應(yīng)語音信息的準(zhǔn)確播報。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 RFID讀卡器模塊DM-S28140

本系統(tǒng)采用中科鷗鵬公司的串口通信版DM—S28140讀卡器模塊實現(xiàn)RFID電子標(biāo)簽的ID值的讀取。DM-S28140讀卡器具有低功耗被動讀取RFID標(biāo)簽、串口通信、波特率為2 400 bps、輸入使能允許軟件啟用或禁用等特點。可以讀取EM4100無源只讀系列125 kHz標(biāo)簽卡，每個標(biāo)簽包含一個唯一的標(biāo)識符，由RFID讀卡器讀取后，通過串行接口傳輸。

2.1.1 讀卡原理

當(dāng)RFID讀卡器工作時，讀卡器的控制電路將電流注入線圈，產(chǎn)生低頻電磁場。若RFID電子標(biāo)簽放置在有效讀取范圍內(nèi)(10 cm內(nèi))，電子標(biāo)簽的線圈就會感應(yīng)低頻電磁場，共振耦合產(chǎn)生電流，供給其晶片足夠的電源，在充分的電源供應(yīng)下，晶片就可以將內(nèi)存中唯一的ID信號轉(zhuǎn)換成射頻信號，傳送給讀卡器。只要有充分的電源，電子標(biāo)簽就會持續(xù)不斷地發(fā)送ID值。

2.1.2 硬件連接

RFID讀卡器串行接口版本可以與微控制器僅用4個信號(VCC、/ENABLE、SOUT、GND)互連。讀卡器外觀及引腳功能如圖2所示。其中，SOU T連接到AT89S52的P3.0(RXD)引腳實現(xiàn)串口通信，使能引腳/ENABLE由P3.2控制。

AT89S52與WT588D的連接如圖3所示。選擇AT89S52 P1.4引腳連接AT89S52 RESET控制復(fù)位信號，AT89S52的P1.5引腳連接P03作為數(shù)據(jù)輸出端，選擇PWM音頻輸出方式，PWM引腳接至揚聲器。

2.1.3 通信協(xié)議

當(dāng)RFID射頻識別卡開始工作時，且RFID標(biāo)簽放置在有效讀取的范圍內(nèi)，唯一的ID以12位ASCII字符串方式發(fā)送給主機，如圖4所示。

其中，起始位和停止位有助于識別一個正確的接收信息串，中間10位是實際標(biāo)簽唯一ID號。

2.2 語音模塊

語音模塊包括16個引腳的語音芯片WT588D、一個對語音模塊進行語音下載的編程器和上位機軟件Vioce Chip。WT588D語音芯片是一款可重復(fù)擦除燒寫的語音單片機芯片。表1為各個引腳的功能描述。

圖5為一線串口控制模式時序及電平占空比示意圖。配套WT588D VioceChip上位機操作軟件可隨意更換WT588D語音單片機芯片的任何一種控制模式，把信息下載到SPI-Flash上即可，可控制220個語音地址，每個地址位能加載組合128段語音。支持DAC/PWM兩種輸出方式，PWM輸出可直接推動0.5W/8Ω揚聲器。支持加載WAV，音頻格式，以及MP3控制模式、按鍵控制模式、一線串口控制模式、三線串口控制模式。本系統(tǒng)采用一線串口控制模式接收待合成的文本，直接合成為語音輸出。

一線串口只通過一條數(shù)據(jù)通信線控制時序，依照電平占空比不同來代表不同的數(shù)據(jù)位。先拉低RESET復(fù)位信號5 ms，然后置于高電平等待17 ms，再將數(shù)據(jù)信號拉低5 ms，最后發(fā)送數(shù)據(jù)。高電平與低電平數(shù)據(jù)占空比為1：3，代表數(shù)據(jù)位0;高電平與低電平數(shù)據(jù)位占空比為3：1，代表數(shù)據(jù)位1。高電平在前，低電平在后。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主函數(shù)及語音編程

軟件系統(tǒng)主要由主函數(shù)main、讀卡函數(shù)getRFID()、語音播放函數(shù)Send oneline(uint8_tcmd)組成。主函數(shù)完成系統(tǒng)初始化(定義標(biāo)簽卡ID數(shù)組)、調(diào)用讀卡函數(shù)實現(xiàn)標(biāo)簽卡ID信息的讀取、查詢ID卡號對應(yīng)的語音地址、調(diào)用語音播報函數(shù)實現(xiàn)信息的準(zhǔn)確播報。流程圖如圖6所示。

值得注意的是，播放的語音必須下載到語音芯片SPI-Flash存儲器中，通過語音編程器及VioceChip上位機軟件進行語音模塊的編程(即語音的裝載、模式設(shè)置等)，編程流程如圖7所示。

語音下載后，須將語音地址與下載的語音文件一一對應(yīng)起來，這是單片機讀取語音并且準(zhǔn)確播報的重要參考點，語音地址對應(yīng)關(guān)系如表2所列。

3.2 讀卡功能的實現(xiàn)

讀卡函數(shù)getRFID()程序流程圖如圖8所示。首先進行UART初始化，當(dāng)讀卡器檢測到標(biāo)簽卡時產(chǎn)生串行中斷，按照12位通信協(xié)議按位讀取數(shù)據(jù)，直到接收到停止位0x0D結(jié)束。

截取有效數(shù)據(jù)后4個字節(jié)，有效數(shù)據(jù)是指每個字節(jié)的大小在指定范圍內(nèi)(即0x30～0x46)，對應(yīng)字符為0～F，程序中只需要0x0D(停止字節(jié))前的4個字節(jié)。

例如這4個字節(jié)分別為0x41、0x32、0x36、0X46，對應(yīng)的字符為A26F，轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)，則數(shù)值等于41 583。因此，主程序定義的標(biāo)簽卡數(shù)組元素應(yīng)為每個標(biāo)簽卡后5位十進制ID對應(yīng)的十六進制數(shù)。

3.3 語音播報功能的實現(xiàn)

根據(jù)圖3和圖5，語音播報函數(shù)Send_oneline(uint8_tcmd)程序流程圖如圖9所示。函數(shù)中的形參cmd即語音的地址。

結(jié)語

本文使用AT89S52單片機、DM-S28140讀卡器和WT588D語音模塊，配合RFID電子標(biāo)簽，實現(xiàn)了智能語音播報系統(tǒng)。

實踐證明，此方案可行并且可靠，可用于旅游景點自助導(dǎo)游、博物館的自助講解、公交車站智能報站等場合，具有較高的實用價值。