基于GPS及TTS模塊的景區自助語音導游系統設計*

鄒益民

（南京鐵道職業技術學院 通信信號學院，江蘇 南京210031）

景區的游客自助導游系統可方便地為游客提供景區游覽路線、游覽主題內容、預計游覽時間等基本信息，從而使游客可合理地安排個性化的游覽線路[1-2]。此外，還可用于向游客提供有關景區的詳盡資訊，以充分展示景區的歷史文化內涵，同時還可用于收集游客對景區相關服務工作的評價意見。之后還可通過上位PC機軟件下載最新景區導游信息，并提取游客活動信息及評價意見，進而為景區準確掌握游客觀賞熱點，進而改善旅游服務及管理工作提供依據。

本文給出一種基于GPS定位技術及TTS語音模塊的自助語音導游系統。自助語音導游相比導游手冊可提供更詳盡的實時導游信息；相比專業導游服務，自助語音導游不僅成本較低，還具有低介入性、更為個性化及人性化的優勢。

1 硬件系統設計

本系統以MCS51單片機作為主控芯片，基于GPS定位模塊實現移動定位功能，以確認游客所在的地理位置。其后，結合內置的景區地理信息數據，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播放位置信息及景區導游信息，從而實現景區的語音導航、導覽及導游功能。此外，通過板載的按鈕，用戶還可對景區各項設施與服務給出評價信息，景區管理者則可通過收集這些信息了解游客需求、各景區游客關注度及停留時間，進而改進景區建設，更好地為游客提供高質量的服務。

1.1 系統總體結構

GPS景區自助導游系統硬件電路主要包括單片機控制模塊、GPS數據接收模塊、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為該系統的總體設計框圖。

系統硬件部分電路設計可參見圖2，由AT89C51單片機芯片、臺灣麗臺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。定位及導游信息首先通過液晶屏顯示，同時使用SPI接口發送到XF-S4240模塊實施語音合成，再經LM386完成音頻信號放大后推動喇叭發音；MAX232為串口信號電平變換模塊，由MCS51實現一個軟串口功能，用于必要時與上位PC機通信，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則用于實現 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計

本系統選用的麗臺Leadtek GPS 9543LP定位模塊采用并行12通道，定位精度可達15 m。GPS接收模塊的型號、性能各異，但其GPS定位信息串行輸出格式大多采用美國國家海洋電子協會制定的NMEA-0183通信標準格式。其輸出數據采用ASCII碼，內容包含緯度、經度、高度、速度、日期、時間、航向以及衛星狀況等信息，常用語句有 6種， 包括 GGA、GLL、GSA、GSV、RMC 和VTG。可通過專用設置軟件或普通的串口調試軟件發送相應的控制命令給GPS模塊，以設置其輸出周期及輸出格式[3-4]。本系統只需時間、經緯度、海拔高度以及衛星數等信息，故僅選用GGA輸出格式。

一條$GPGGA語句包括17個字段，形如：“$GPGGA，UTC時間，緯度，緯度半球，經度，經度半球，定位質量指示，使用衛星數量，水平精確度，天線離海平面的高度，高度單位，大地水準面高度，高度單位，差分GPS數據期限，差分參考基站標號，*校驗和＜CR＞＜LF＞”。其中校驗和代表從“$”開始到“*”之間的所有 ASCII碼的異或校驗和。

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定位數據信息，意思為世界(格林威治)時間為11時46分41秒，位置在北緯30度 2.323 2分，東經122度6.115 7分，定位有效，接收到5顆衛星，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，校驗和為4AH。

如圖2所示，Leadtek GPS 9543LP與單片機通過串行接口以9 600波特率通信，其秒脈沖信號1PPS也連接至單片機以提供測試功能。

圖2 GPS景區自助導游系統硬件設計圖

1.3 XF-S4240語音合成模塊及其電路設計

語音合成技術，簡稱 TTS（Text To Speech）技術，用于解決如何將文字信息轉化為聲音信息，從而使得人們獲取信息的方式更加豐富和自然。目前，在嵌入式應用領域，最具代表性的有科大訊飛XF-S4240和XFS4041CN及宇音天下的SYN6288[5-6]。本系統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種內碼格式的中文文本，同時提供英文字母的合成，支持男/女聲發音，并可靈活地調節語速、語調及音量。

XF-S4240支持異步串口 (UART)、SPI和 I2C通信方式，允許發送數據的最大長度為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、恢復合成命令；通過狀態查詢命令可查詢當前模塊的工作狀態；而休眠命令則可置模塊于休眠方式以降低功耗。

語音合成系統設計如圖2所示。語音模塊借助SPI接口與單片機連接，由硬件RDY引腳指示模塊的工作狀態，與單片機的INT1引腳相連。音頻功放電路則采用LM368音頻放大器，輸出端可直接驅動揚聲器。

1.4 其他模塊電路設計

本設計中使用一片128×64點陣LCD模塊作為系統的顯示輸出，提供操作指示及各項導游信息的顯示功能；另使用4×4薄膜鍵盤作為系統操作的輸入接口，可供用戶選擇相關信息進行顯示或給出對某項景區服務的評價意見。

由于本設計中MCS51僅有的一個串口已被用于與GPS模塊通信，故使用單片機的P3.4及P3.5兩端口構成軟件串口，以實現與上位PC機的異步串行通信。該串行接口可供上位機向導游系統更新內置地理/導游信息或提取用戶反饋意見，如圖2所示。

本設計中電源使用4.2 V鋰電池供電，以方便便攜式應用。GPS模塊還需使用3.3 V及1.8 V電源，且XFS4240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器件實現電源變換，因篇幅所限，此部分電路略去。

2 軟件系統設計

系統主程序框圖如圖3所示。程序首先對單片機各IO端口、中斷系統、定時器等外部設備進行初始化，隨后進入工作循環。依次周期性更新GPS數據，并據地理位置信息讀取內置景區導游信息，之后更新LCD顯示，并將相關信息送TTS模塊以語音方式播報，其后讀取用戶按鍵信息，完成相關功能操作。若有必要，最后還須實現與上位機的通信。

語音合成程序的框圖如圖4所示。單片機首先判別語音合成模塊是否處于就緒狀態，若是，則依次發送幀頭、字節總數、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命令完成TTS轉換。

本系統將GPS定位模塊、地理特征信息及TTS語音合成功能有機結合，為GIS應用提供了一種新的模式。系統價格適中、結構緊湊，功能強大，有著良好的實用價值。文中對系統各個部分的硬件電路和軟件實現進行了詳述。隨著GPS/GIS的應用日趨廣泛，本系統的設計思想及技巧還可為其他相關產品的設計制作提供借鑒。

[1]李偉，李文方.電子導游講解器的設計[J].工業控制計算機，2010，23(3)：99-102.

[2]肖艷林，宣宗強，李杰，等.基于單片機的電子導游系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2007(8)：37-38.

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