基于嵌入式的水上VHF自動播報系統的設計

董濤

摘要：水上VHF通信系統是全球通用的具有國際標準的通信方式，本文針對海事管理中航行信息發布需求來設計的一套基于嵌入式的VHF自動播發系統，本設計在類似非預制語音自動播放應用上具有一定的參考意義。

關鍵詞：嵌入式；VHF；TTS；自動播發

中圖分類號：U644 文獻標識碼：A 文章編號：1006-7973（2016）07-0031-03

VHF通信是保障長江航行安全必不可少的通信手段，因其具有統一的國際標準，主要應用于船與船、船與岸之間進行的船舶會讓、遇險報警、海事救助等方面的通信聯絡，特別是由于其廣播的性質，在岸臺的水文氣象、航行通告等信息的發布上起到了不可替代的作用。但在當前常用的需要定時播出的航行通告等信息的播發中，操作人員一般需要提前錄制好語音文件或者操作TYS軟件將文本轉為語音文件，再將該文件上傳給播發系統定時播出，該操作需要操作人員具備熟練的普通話能力和相關軟件操作能力，實際應用中具有一定的難度。

本設計就是在需要通過VHF進行航行通告等信息播發的單位、站點設置一臺基于嵌入式系統的播發主機與VHF船（岸臺）機相連，操作人員通過內部網絡使用瀏覽器訪問該主機，在頁面上提交播發任務和文本播發內容，該主機會按照任務列表進行自動播發。

1 系統設計方案

1.1 系統需求

要實現VHF自動播報系統，需要搭建一臺主機系統與VHF船（岸）臺機相連，實現以下功能：1.該主機能夠將播報內容以音頻的方式發送給VHF船（岸）臺機，并控制其播發；2.該主機能存儲并管理播發內容，實現定時按需播發；3.該主機能夠接入內部網絡中并實現遠程訪問，用戶僅需提交文字版的播發內容并可以對其進行增、刪、改等操作；4.該主機要能專用并小型化，系統工作穩定。

1.2 系統方案

根據系統需求，一臺基于嵌入式系統的主機系統方案能滿足需要，其系統架構如圖1所示，采用安裝了Linux系統的嵌入式平臺作為控制主機，在該主機上搭建web服務器和數據庫系統并設計播報軟件。遠程用戶通過瀏覽器訪問該控制主機，在管理頁面上提交需要發布的航行信息（文本），播報系統會在預定的時間將該內容通過硬件TTS模塊轉換為語音信號輸出至VHF船（岸）臺機并向附近水域播發。

2 硬件選型

系統硬件架構如圖2，由主機模塊、電源模塊和VHF模塊組成。主要硬件設備選型如下：

2.1 控制主機

控制主機選用樹莓派2代。樹莓派是樹莓派基金會發布的卡片式電腦，具有900MHz主頻的4核ARM Cortex-A7 CPU、1G內存、10/100M以太網接口的主機系統，主板上載有40針的GPIO（General Purpose Input Output通用輸入輸出）接口，連接實現外部控制和串行通信功能。利用MicroSD卡作為存儲，安裝和運行基于Linux的Raspbian或Win10 IoT等操作系統。該主機完全性能可以滿足本項目的主機硬件平臺需求。

2.2 硬件TTS模塊

硬件TTS模塊選擇宇音天下公司出品的最新一代SYN6658中文語音合成芯片模塊。該語音芯片通過UART和上位機通信，直接接收待合成的文本數據，實現文本到語音（TYS，TextTo Speech）的轉換功能。該模塊支持任意中文文本（<4K字節）的合成，智能識別區分數值、時間、度量衡、姓氏、多音字等各式文本，內置多種提示音可選，并能實現男女聲、語速、語調、音量調整。該模塊接線簡單，僅需連接供電、UART輸入，提供一路單聲道語音輸出，該模塊控制簡單、功能強大，輸出語音柔和自然。

2.3 VHF船臺機

VHF船臺機選用建伍（KENWOOD）公司的TM-271A型VHF調頻對講機，該型VHF調頻對講機可以調整為水上專用VHF頻道。選用該型VHF船臺機的主要原因是該機型麥克風接口使用的是標準的RJ45接頭，接線標準明晰，后期改裝簡單。接線線序如圖3所示，6針為麥克風輸入、5針為麥克風地，將兩針與TTS模塊的語音輸出直接連接實現語音的輸入；4針為PTT（PushToTalk）腳、3針為地，將4/3針導通實現麥克風手柄的PIT按鈕按下功能，其他接線腳懸空不用處理。

2.4 其他模塊

電源模塊直接利用VHF專用的13.6V直流電源給建伍VHF船臺機供電；樹莓派電源使用LM2596S直流可調降壓模塊，該模塊輸入3-40V、輸出1.5-35V（3A）可調，使用時接入VHF電源，輸出調整為5V即可。

PIT控制使用1路繼電器模塊，該模塊驅動電壓為5V，采用光耦隔離，低電平觸發。常開端與VHF接口第4/3針PTY/GND相連，通過觸發實現PTT按下功能。

由于樹莓派沒有實時時鐘，斷電之后時間會歸零。可以使用外接基于DS3231芯片的實時時鐘模塊在樹莓派啟動時進行校時以保證運行時間準確。也可以在系統啟動之后連接內網的NTP服務器實現授時及校時功能。

3 軟件設計

系統軟件的總體設計思路是基于任務表驅動系統運行。播報系統每分鐘讀取一次數據庫中的任務表，任務表中任務時間以分鐘為單位，將表中的任務時間與系統時間相比對，如果時間相符則播出該條播報信息，播放完成后將播放內容保存至已播放表。系統運行流程圖如圖4所示：

要實現系統設計目標，需要完成以下系統及軟件的設計：

3.1 操作系統搭建

樹莓派使用主板上的bootload來引導燒錄在MicroSD卡上的操作系統鏡像來啟動系統。在本設計中使用的是Raspbian系統，Raspbian是基于Debian GNU/Linux的免費操作系統，它面向Raspberry Pi硬件（armhf處理器架構）做了優化，內置了多個常用的軟件包和預編譯軟件，非常適合于常用的web服務器、物聯網設備控制等系統設計和開發。

Raspbian系統安裝：首先從Raspbian官方或者國內鏡像下載Raspbian系統包，然后在windows系統下使用Win32DiskImag-er將.img文件寫人MicroSD卡；再將卡插入樹莓派MicroSD插槽，上電后Raspbian會自動啟動。在完成系統安裝之后，通過SSH登陸樹莓派設置好靜態lP地址并安裝VNC Server，方便后期使用vnc客戶端遠程登陸至樹莓派x desktop上進行操作。

本設計使用Linux+Nginx+SQLite+Python+Django架設服務器來取代常用的LAMP（Linux+Apache+Mysql+PHP）的方式來架設Web服務，因為該方式較LAMP來說資源消耗低，開發起來也比較便捷。樹莓派上安裝Nginx/Django/SQLite/Python的方法網上較多，此處不贅述了。

3.2 數據庫設計

本設計使用SQLite作為數據庫系統，SQLite是一款輕量化的數據庫系統，其設計目標就是使用在嵌入式系統中，資源占用小但功能強大，它獨立、開源并支持多種開發語言，是輕量級嵌入式開發較為合適的數據庫系統。

SQLite數據庫為單文件數據庫，本設計數據庫名為playlist.db，其中包含兩個主要的表：tasklist（播放任務）、complist（已播放）表。其中，tasklist表主要有以下字段：

playtime TEXT//計劃播報時間

freq

INTEGER//播報頻率

num

INTEGER//播報次數

title TEXT//播報內容標題

text TEXT//播報內容

其中playtime為播報時間，格式為YYYYMMDDHHMM，如201601011330；freq播報頻率指間隔多少分鐘播出一次（根據實際播出要求，該頻率一般為5-120分鐘）；nun指一共播出多少次；title限定20漢字以內；text限定200漢字以內。

eomplist表用于保存已播放內容，僅需playtime、title和text字段。

根據日常使用經驗，系統主要是針對tasklist表中的內容進行增、刪、改操作，即向播放列表中加入播放條目、播放完成后刪除播放條目、對未播放內容進行修改，數據紀錄條數較少，檢索方便。complist表主要是增加數據紀錄操作，由于該表是每次播放完成后將已播放內容加入，數據紀錄天然按照播放時間（playtime）字段增序排列，不需要進行額外排序工作。

3.3 WEB服務器設計

WEB服務框架采用Django。Django是一個開放源代碼的Web應用框架，由Python寫成，采用了MVC（Model View Control-ler，模型、視圖、控制器）的軟件設計模式。選用Django的原因是使用框架封裝了控制層，數據調用等操作只需調用相應的方法即可完成，另外有大量的第三方插件可以使用，大大的提高開發的效率。

WEB服務器采用Nginx。Nginx是一款輕量級的Web服務器，占用內存僅幾兆，非常適合于樹莓派上構建WEB服務。Django通過Nginx+uWSGI來部署，Nginx作為服務器最前端，它將接收WEB的所有請求，統一管理請求。Nginx把所有靜態請求自己來處理，非靜態請求通過uWSGI傳遞給Django，由Django來進行處理，從而完成一次WEB請求。

WEB頁面設計比較簡單，直接借用一個基礎的論壇發布頁面，簡單修改后調用數據庫內容顯示在頁面上，可以對每個條目進行增、刪、改操作。

3.4 播報軟件設計

播報軟件使用Python軟件開發，Python是一種面向對象、解釋型計算機程序設計語言，該語言簡潔、易用和可擴展，比較方便使用于WEB開發應用中。

播報軟件主要由數據庫訪問和文本TYS輸出組成：

3.4.1 數據庫訪問

系統運行中正常的數據庫訪問涉及tasklist表的增加、刪除和更新及complist表的增加操作。系統上電運行之后，每分鐘查詢一次tasklist表，比對是否存在playtime與當前時間相符的記錄，如果相符則將該條記錄中text字段內容（播發內容）輸出，播發完成之后，將該條記錄復制進complist表，表明該條播發任務已經完成。然后查看nun字段是否大于1（需要多次播發），如果不大于則表明需要多次播發的任務已經完成，刪除該條記錄；如果沒有完成則將nun字段內容減一，將playtime字段時間加上freq內容（構成下一次播發時間）；最后重新更新該條記錄，形成一條新的播發任務記錄。

3.4.2 文本TTS輸出

通過將text字段內容（文本）向串口輸出至SYN6658芯片實現文字到語音的轉換后從VHF船臺機播出主要由以下兩個過程完成：

3.4.2.1 FFF按鈕的按下

根據樹莓派GPIO定義，使用GPIO 0（第11腳）作為控制腳，與繼電器模塊IN腳相接。

GPIO.setmode（GPIO.BOARD）//使用GPIO.BOARD模式

GPIO.setup（11，GPIO.OUT）//將11腳（GPIO 0）設為輸出模式

吸合繼電器時使用：GPIO.output（（11，GPIO.LOW），此時VHF船臺機FFF與GND導通，相當于PTT按鈕按下，VHF船臺機處于發送模式。

釋放繼電器時使用：GPIO.output（11，GPIO.HIGH），此時VHF船臺機PTT與GND斷開，相當于PTY按鈕釋放，VHF船臺機處于接收模式。

3.4.2.2 串口文本輸出

樹莓派原生有一個串口，為GPIO 14（TXD）和GPIO 15（RXD），但該串口默認為調試口，需要在樹莓派配置界面中將串口調試功能關閉。將GPIO 14與SYN6658模塊RXD連接，GPIO 15與SYN6658模塊TXD連接，波特率默認為9600bps。

樹莓派與SYN6658之間通信使用數據幀的方式，數據幀格式如下表：

樹莓派向串口輸出控制播發的過程為：

ser=serial.Serial（"/dev/uyAMA0"，9600）

ser.write（'＼xFD'）//輸出固定幀頭0xFD

ser.write（'＼x00＼x66'）//數據區長度為102字節（發送50個漢字）

ser.write（'＼x01＼x00'）//以GB2312編碼格式合成播放

ser.write（data）//輸出待發送文本

通過輸出不同的命令字可以控制芯片播發、停止、暫停、恢復等合成文本操作。

輸出0xFD 0x00 0x01 0x21命令可以查詢芯片工作狀態，芯片收到查詢指令后，返回0x4E表明仍在合成過程中，返回0x4F表明處于空閑狀態。

合成工作完成后表明所有待發送的文本已經全部提交合成完畢，如果系統工作正常，那么該條航行信息應該通過VHF船臺機向附近水域播發完成，此時將FTT按鈕釋放，整個播發過程結束，系統進入下一次播發的準備狀態中。