TTS在智能公交報(bào)站系統(tǒng)中的應(yīng)用

黃 華 仲元昌

(西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院1，重慶 400716;重慶大學(xué)通信工程學(xué)院2，重慶 400044)

TTS在智能公交報(bào)站系統(tǒng)中的應(yīng)用

黃 華1仲元昌2

(西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院1，重慶 400716;重慶大學(xué)通信工程學(xué)院2，重慶 400044)

在傳統(tǒng)公交車報(bào)站系統(tǒng)中，采用“錄音-存儲(chǔ)-回放”的方法要求存儲(chǔ)器的容量較大。為解決這一問(wèn)題，結(jié)合GPS技術(shù)和TTS技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型公交報(bào)站系統(tǒng)。該系統(tǒng)以TTS方式輸出語(yǔ)音，使存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的不是語(yǔ)音信號(hào)波形參數(shù)信息，而是播報(bào)語(yǔ)音漢字文本信息。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用這種方式，存儲(chǔ)空間只用到傳統(tǒng)方式的17.1%，節(jié)省了存儲(chǔ)空間。

文語(yǔ)轉(zhuǎn)換(TTS) 智能報(bào)站 語(yǔ)音合成 GPS 存儲(chǔ)器

0 引言

目前，公交報(bào)站系統(tǒng)有傳統(tǒng)按鍵報(bào)站方式，有利用全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)定位報(bào)站方式［1］，也有采用無(wú)線射頻技術(shù)的公交線路站點(diǎn)識(shí)別的報(bào)站方式［2］。但是對(duì)于輸出報(bào)站的語(yǔ)音都是采用“錄音-存儲(chǔ)-回放”的方式，即先對(duì)要報(bào)站的語(yǔ)音內(nèi)容和廣告內(nèi)容進(jìn)行錄音，然后把它存儲(chǔ)在Flash存儲(chǔ)器中，當(dāng)需要播放時(shí)就從存儲(chǔ)器中讀取相應(yīng)的內(nèi)容。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是輸出語(yǔ)音質(zhì)量較高，缺點(diǎn)在于當(dāng)公交線路較長(zhǎng)時(shí)需要存儲(chǔ)的內(nèi)容較多，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器的容量隨之增加，成本也隨之增加。

文語(yǔ)轉(zhuǎn)換(text to speech，TTS)技術(shù)是將計(jì)算機(jī)自己產(chǎn)生的或外部輸入的文字信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢月牭枚摹⒘骼臐h語(yǔ)口語(yǔ)輸出的技術(shù)，隸屬于語(yǔ)音合成［3］。文語(yǔ)轉(zhuǎn)換是目前研究的一個(gè)新點(diǎn)課題。目前，對(duì)于嵌入式TTS的研究也有了較大的突破，已經(jīng)由原來(lái)的單獨(dú)一個(gè)詞的語(yǔ)音合成輸出，發(fā)展到了現(xiàn)在的短語(yǔ)、句子的語(yǔ)音合成輸出;并且在多音字及特殊符號(hào)的識(shí)別、處理等方面都有了較大的提高［4］。

本文利用比較成熟的TTS技術(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“錄音-存儲(chǔ)-回放”方式，設(shè)計(jì)了一種新公交報(bào)站系統(tǒng)。這樣，一方面不需要大容量的存儲(chǔ)器，節(jié)約了成本;另一方面更改公交線路或廣告內(nèi)容時(shí)，只需要更改相應(yīng)的文字信息，不需要重新錄制，操作方便。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由GPS接收模塊、單片機(jī)主控制器、語(yǔ)音輸出模塊、揚(yáng)聲器等構(gòu)成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of the system

系統(tǒng)中單片機(jī)為主控制機(jī)。由于GPS接收模塊與單片機(jī)之間，以及TTS語(yǔ)音模塊與單片機(jī)之間均采用串口通信，要求單片機(jī)至少具有兩個(gè)串口，因此單片機(jī)選用STC10F10。另外，由于沒有利用額外的存儲(chǔ)器，公交線路和廣告信息都存儲(chǔ)于單片機(jī)的ROM中，因此這要求較大的ROM存儲(chǔ)空間。根據(jù)試驗(yàn)選取4 kbit的存儲(chǔ)空間，一般的單片機(jī)都能滿足。

系統(tǒng)通過(guò)GPS接收模塊獲取公交車所在位置的緯度值和經(jīng)度值，從而確定公交車當(dāng)前位置［5］，再經(jīng)過(guò)一定的程序算法確定當(dāng)前公交車的狀態(tài)，包括進(jìn)站狀態(tài)、出站狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)三個(gè)狀態(tài)。TTS語(yǔ)音輸出模塊根據(jù)相應(yīng)的狀態(tài)輸出相應(yīng)的語(yǔ)音信息。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 TTS語(yǔ)音輸出模塊

語(yǔ)音播放電路利用中文語(yǔ)音合成芯片OSYN06188實(shí)現(xiàn)。語(yǔ)音播放電路如圖2所示。

圖2 語(yǔ)音播放電路圖Fig.2 Voice playback circuit

OSYN06188可以通過(guò)異步串口接收待合成的文本，可直接通過(guò)脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)輸出方式驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，也可外接單支三極管驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，即可實(shí)現(xiàn)文本到聲音(TTS)的轉(zhuǎn)換［5］。單片機(jī)以信息幀格式向TTS芯片發(fā)送命令碼，對(duì)TTS芯片進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置。TTS芯片根據(jù)命令碼及參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)操作，并向信息終端返回命令操作結(jié)果。本系統(tǒng)采用PWM輸出直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。

系統(tǒng)采用5 V直流電源供電。由于OSYN06188的核心電壓(CVDD)只需要3 V左右的電壓，所以將電源電壓通過(guò)兩個(gè)二極管降壓(3 V左右)后提供給核心電壓CVDD引腳。

單片機(jī)通過(guò)串口向OSYN06188發(fā)送命令、數(shù)據(jù)和接收語(yǔ)音合成芯片回傳的信息。OSYN06188的第22腳為低電平請(qǐng)求Ready/Busy-Status引腳，低電平表示空閑，請(qǐng)求上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機(jī)可以采用查詢或中斷的方式發(fā)送數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)將該引腳置空。單片機(jī)通過(guò)OSYN06188芯片回傳的數(shù)據(jù)，經(jīng)軟件分析處理后了解芯片的工作狀態(tài)。

2.2 GPS接收模塊

GPS在車載終端上有較大的應(yīng)用前景，也有大量有關(guān)GPS在車輛導(dǎo)航及公交報(bào)站中的應(yīng)用的文獻(xiàn)［1-2］。GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算處理就可報(bào)告GPS接收機(jī)的位置、時(shí)間和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)三角定位原理可計(jì)算出車輛當(dāng)前所處的經(jīng)度、緯度、時(shí)間、速度和航向［6］。GPS在接收機(jī)數(shù)據(jù)輸出的方式有串口RS-232方式輸出、USB方式輸出。

系統(tǒng)采用的GPS接收模塊是SUN-SF5032。該模塊工作電壓為5 V，與單片機(jī)之間采用異步串行通信方式，速率為9 600 bit/s，每幀包括8個(gè)數(shù)據(jù)位、1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位。數(shù)據(jù)格式采用NMEA-0183格式，輸出數(shù)據(jù)采用ASCI碼字符，內(nèi)容包含了緯度、經(jīng)度、速度、日期、航向及衛(wèi)星狀況等信息［7］。以1幀/s的速率依次輸出完整的數(shù)據(jù)格式如下:

$GPGGA，＜1＞，＜2＞，＜3＞，＜4＞，＜5＞，＜6＞，＜7＞，＜8＞，＜9＞，M，＜10＞，M，＜11＞，＜12＞，*＜13＞＜CR＞＜LF＞

其中:＜1＞表示世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間(UTC)，24 h制，格式為hhmmss.ss;＜2＞表示緯度值，格式為 ddmm.mmmm;＜3＞表示南北半球，N表示北緯，S表示南緯;＜4＞表示經(jīng)度值，格式為dddmm.mmmm;＜5＞表示東西半球，E表示東經(jīng)，W表示西經(jīng);＜6＞表示定位質(zhì)量指示，0表示固定不變，1表示可變定位標(biāo)準(zhǔn)定位系統(tǒng)(standard positioning system，SPS)模式，2表示差分GPS模式;＜7＞表示使用的衛(wèi)星數(shù)。

對(duì)于公交報(bào)站系統(tǒng)，我們只需要從GPS模塊中讀出標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間、經(jīng)度和緯度，然后通過(guò)軟件計(jì)算得出當(dāng)前點(diǎn)距離站點(diǎn)的距離，從而確定當(dāng)前公交車的狀態(tài)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)主要包括兩大部分程序設(shè)計(jì)，即從GPS模塊讀出定位信息和播放相應(yīng)語(yǔ)音。單片機(jī)通過(guò)串口讀出GPS模塊中的數(shù)據(jù)，通過(guò)分析NMEA-0183數(shù)據(jù)字段得出經(jīng)度值和緯度值。

軟件處理主要包括計(jì)算當(dāng)前點(diǎn)距離公交站點(diǎn)的距離以及確定當(dāng)前的行駛方向，然后通過(guò)查表的方式確定公交車的當(dāng)前狀態(tài)。主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Flowchart of the main program

單片機(jī)以1次/s的速率讀取GPS的數(shù)據(jù)，然后利用式(1)計(jì)算與起點(diǎn)站之間的距離。

式中:λA和ΦA(chǔ)分別為A點(diǎn)的經(jīng)度和緯度;λB和ΦB分別為B點(diǎn)的經(jīng)度和緯度;D為距離。

3.2 語(yǔ)音存儲(chǔ)及播報(bào)程序設(shè)計(jì)

公交車在每?jī)蓚€(gè)站點(diǎn)之間的運(yùn)行要經(jīng)歷到站、出站和運(yùn)行3個(gè)狀態(tài)［8］:①到站，播報(bào)到站信息;②出站，播報(bào)出站臺(tái)信息;③運(yùn)行，介紹行車沿途的城市風(fēng)貌、播放廣告、預(yù)報(bào)下站站名等。

每一種狀態(tài)需要播放的話音信息如表1所示。

表1 公交運(yùn)行狀態(tài)及播放語(yǔ)音信息Tab.1 Bus running status and voice message broadcast

公交運(yùn)行線路先存儲(chǔ)在單片機(jī)的內(nèi)部ROM中。單片機(jī)與語(yǔ)音合成芯片通信應(yīng)嚴(yán)格遵守語(yǔ)音芯片的通信協(xié)議。

每個(gè)信息幀最多56個(gè)字節(jié):第一個(gè)字節(jié)為開始字節(jié)0x01，第二、三、四個(gè)字節(jié)為參數(shù)描述字節(jié)，后面最多跟著50個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié);0x04為結(jié)束字節(jié);最后一個(gè)字節(jié)為發(fā)送異或校驗(yàn)字節(jié)［9-10］。

當(dāng)要進(jìn)行播放時(shí)，單片機(jī)首先從存儲(chǔ)器中取出要播放的文本，再根據(jù)參數(shù)設(shè)置要求，設(shè)置好第二、三、四三個(gè)參數(shù)描述字節(jié);然后將所有字節(jié)相異或，生成校驗(yàn)字節(jié);最后通過(guò)串口向TTS芯片發(fā)送。當(dāng)TTS芯片收到字節(jié)后會(huì)向信息終端傳輸回應(yīng)幀，每個(gè)回應(yīng)幀共回送3個(gè)字節(jié)。

① 若收到0x01、0x11、0x04三個(gè)字節(jié)，表示接收校驗(yàn)成功;

② 若收到0x01、0x10、0x04三個(gè)字節(jié)，表示接收校驗(yàn)失敗;

③ 若收到0x01、0x12、0x04三個(gè)字節(jié)，表示全部播音完成。

其中，第一個(gè)字節(jié)0x01表示回送開始，第二個(gè)字節(jié)表示接收校驗(yàn)成功或失敗或播完，第三個(gè)字節(jié)0x04表示回送結(jié)束。若單片機(jī)接收校驗(yàn)失敗，則重新發(fā)送剛才的內(nèi)容。

4 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

本次試驗(yàn)以重慶市北碚區(qū)892公交運(yùn)行線路為例。892公交沿途路線為:市九醫(yī)院-和平路口-北碚車站-北碚區(qū)門診-西南大學(xué)-雙柏樹高速路口-308廠。將各站點(diǎn)的經(jīng)度、緯度存儲(chǔ)于單片機(jī)的ROM中，存儲(chǔ)內(nèi)容如表2所示。

表2 892線路各站點(diǎn)經(jīng)度緯度Tab.2 The latitude and longitude of each stop of line 892

由表2可見，當(dāng)公交車由市九醫(yī)院站點(diǎn)開往308廠方向時(shí)，經(jīng)度值減少，反之則經(jīng)度值增加。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用線路特點(diǎn)簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)。為了利用表1判別當(dāng)前公交狀態(tài)，在程序中利用兩個(gè)變量分別存儲(chǔ)前一時(shí)刻從GPS模塊讀出的經(jīng)度值和緯度值，以及當(dāng)前時(shí)刻的經(jīng)度值和緯度值。首先根據(jù)經(jīng)度值的變化方向(增加、減小)，確定公交車的運(yùn)行方向;再計(jì)算當(dāng)前點(diǎn)到前一站點(diǎn)和下一站點(diǎn)的距離，確定現(xiàn)在公交車是在運(yùn)行狀態(tài)、進(jìn)站狀態(tài)還是出站狀態(tài);最后根據(jù)相應(yīng)的狀態(tài)調(diào)用相應(yīng)的語(yǔ)音信息，通過(guò)TTS模塊播放［11］。

與采用“錄音-存儲(chǔ)-回放”傳統(tǒng)的公交系統(tǒng)相比，系統(tǒng)存儲(chǔ)節(jié)省的空間計(jì)算如下。對(duì)于本線路播報(bào)的站語(yǔ)音信息和廣告信息共用時(shí)間大約為30 s。如果采用64 kbit/s的采樣速率以脈碼調(diào)制(pulse code modulation，PCM)方式進(jìn)行錄音存儲(chǔ)［9］，則需要的存儲(chǔ)空間為64 kbit/s×8×60=30 720 kbit，大約需要30 MB的存儲(chǔ)空間。而本系統(tǒng)將播報(bào)的內(nèi)容以文本形式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，一個(gè)漢字在存儲(chǔ)器中要占用2 B的空間，系統(tǒng)需要播報(bào)的內(nèi)容共有264個(gè)漢字，存儲(chǔ)空間僅需要528 B。相比存儲(chǔ)空間只用到傳統(tǒng)方式的17.1%，節(jié)省了存儲(chǔ)空間。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)利用GPS技術(shù)使站點(diǎn)識(shí)別、公交運(yùn)行狀態(tài)查詢實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，不需要駕駛員通過(guò)按鍵來(lái)確定播放相應(yīng)的語(yǔ)音內(nèi)容;利用TTS技術(shù)將原來(lái)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)波形直接進(jìn)行的錄音存儲(chǔ)方式，改為存儲(chǔ)要播放的語(yǔ)音文本信息，大大節(jié)省了存儲(chǔ)空間。在今后的研究中可以進(jìn)一步利用TTS播放語(yǔ)音的一些優(yōu)點(diǎn)，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行控制。如當(dāng)環(huán)境噪聲較大時(shí)，可以控制TTS模塊提高輸出語(yǔ)音的音量，或者改變播放的語(yǔ)音速率，使報(bào)站系統(tǒng)進(jìn)一步完善。

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Application of TTS in Intelligent Bus Stop Announcement System for Public Transportation

In traditional bus stop announcement systems for public transportation，the method of“record-storage-playback”needs large capacity memory，to solve this problem，a new bus stop announcement system using GPS and TTS(text-to-speech)technologies is designed.With this method，in the memory，the text messages to be broadcasted are stored instead of the parameters information of the waveforms of voice signals.The experimental results show that only 17.1%of the storage space of traditional method is requested，thus the storage space is saved.

Text to speech(TTS)Intelligent announcementSpeech synthesis Global positioning system(GPS)Memory

TN912+.33

A

西南大學(xué)第四屆教育教學(xué)改革研究基金資助項(xiàng)目(編號(hào):2010JY015)。

修改稿收到日期:2012-01-24。

黃華(1981-)，男，2011年畢業(yè)于重慶大學(xué)電路與系統(tǒng)專業(yè)，獲碩士學(xué)位，講師;主要從事語(yǔ)音合成與電路系統(tǒng)方面的研究。

行業(yè)信息