自適應智能語音報站系統

江蘇蓬++楊雨涵++張震++楊潔

摘 要 公共交通是城市的重要基礎設施，公共交通的發展會帶動城市的發展，而語音報站則是公共交通系統的一個重要組成部分。本設計以STC89C52單片機為控制核心，包含控制模塊和語音模塊兩部分。采用MIC接收語音，根據A/D轉換將模擬量轉換為數字量并計算出復雜環境下噪聲的平均能量，并選定播報音量，最后用語音模塊進行自動報站，以實現在不同環境下的自適應報站。本設計可以實時顯示和上傳噪聲的能量，采用SD卡存儲語音信息，結構簡單具有通用性和開放性。

【關鍵詞】單片機 噪聲監測 自適應調節 語音播報

1 引言

公共交通是城市的重要基礎設施，它的發展會帶動城市的發展。公共交通具有低耗能、低成本、高效率等優點。近年來隨著環境污染日益嚴重，公共交通已成為越來越多市民綠色出行的首選。

目前，雖然在一些大城市的公交車上已經使用了GPS 定位系統來實現自動報站，但因其造價昂貴難以普及，所以很多鄉鎮大多還是采取人工報站，這種報站方式會加大司機的勞動強度，而且易出現錯報。所以針對目前常見公交報站系統所存在的基本缺陷，鑒于傳統公交車應用系統的不足之處結合公交車輛的使用特點及實際營運環境，設計了一種由單片機控制的低成本的公交車應用的智能化語音報站系統。

2 研究目的及意義

隨著社會的迅猛發展和城市化的不斷加快，人們對于出行的需求將會越來越大。我國是一個人口數量大、人口流動性強的國家。由于大量的人口向城市聚集，使得城市的規模越來越大。很多人居住地與工作的地方有一定的距離，公交車就變成了人們出行的首選。特別是這些年以來政府提倡綠色出行，公交車作為一種最大眾的出行交通工具就更加地受到了人們的青睞。

但目前公交車僅僅具有報站名的功能，并且音量大小需要人工調節。眾所周知，公交車內環境是不斷變化的，可能在某一時段或者某一路段很安靜，而在另一個時段或者路段比較嘈雜，而這種環境的變化往往是不可預知的。如果司機在安靜的時候設置合適的音量，那么在嘈雜時段就會因為聲音太小，致使乘客根本聽不清報站聲音；如果在嘈雜時段設置合適的音量，那么在安靜時段就會因為聲音較大，帶來噪聲污染，使乘客感到不適。

本設計所研究的“自適應智能語音報站系統”就是基于這種需求研發的一種裝置。它能根據車內環境自適應的調整音量大小，以滿足各種環境的需要。

3 設計思想

控制設備應實現高度自動化，才能減少不必要的操作負擔，所以本設計不在車載系統內安裝任何操作類按鈕，車輛啟動后系統自動上電開始工作。同時還應保證系統軟硬件的通用性，本設計的硬軟件系統是通用的，它的特殊性體現在一張SD卡的內容上，更換線路時只需要更換SD卡即可。本設計不采用GPRS作為傳輸介質，因為這樣增加設備成本和運行成本。

項目采用麥克對現場語音進行實時采集，對麥克產生的電信號進行處理，得到短時平均能量估計值，將處理結果用來表示聲音的能量大小，并將數值大小分別通過顯示屏進行實時顯示，同時還可通過串口將采集數據實時上傳電腦以便智能化對數據進行分析，實現自學習功能。在對語音進行抽樣計算分析之后，即可確定語音能量所屬范圍以及所對應的播報聲音大小，之后便可通過語音模塊對預先存儲的報站語音進行播放。這樣就實現了自適應智能化語音報站。

4 系統的基本結構

本系統主要由控制模塊和語音模塊兩部分組成。控制模塊包括STC89C52和PCF8591芯片。語音模塊采用WM8978芯片。本系統在公交車到站的前1-2s時，通過MIC采集當前車內環境噪聲，將噪聲信號經過放大、濾波，A/D轉換變為數字信號，存入STC89C52中計算其平均能量。將噪聲能量與設定好的閾值進行比較，然后根據比較結果改變參數調節報站聲音大小，通過揚聲器播放報站信息。如圖1。

5 硬件系統

5.1 噪聲采集裝置

當MIC采集到模擬語音信號，將其轉換成微弱的電信號，再經音頻前置放大器和帶通濾波器濾波后，由模數轉換器A/D轉換成數字信號存儲在存儲器中，以備計算。

5.2 A/D轉換

A/D 轉換部分采用PCF8591芯片，它是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bit的CMOS數據獲取器件。它具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口。PCF8591的3個地址引腳A0， A1和A2可用于硬件地址編程，允許在同個I2C總線上接入8個PCF8591器件，而無需額外的硬件。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數據信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進行傳輸。

5.3 STC89C52芯片

STC89C52是一種低功耗、高性能的CMOS8位可編程Flash存儲器。它具有傳統51單片機的加強版，具有傳統51單片機所不具備的功能。它擁有8位CPU和可編程Flash，可以為很多嵌入式控制應用系統提供靈活有效的解決方案使。

5.4 語音模塊

本設計采用的播放模塊是歐盛推出的一款全功能音頻處理器WM8978。它帶有一個HI-FI級數字信號處理內核，支持增強3D硬件環繞音效，以及5頻段的硬件均衡器，可以有效改善音質；并有一個可編程的陷波濾波器，用于去除屏幕開、切換等噪音，功能強大，性能良好。WM8978的控制通過I2S接口（即數字音頻接口）同MCU進行音頻數據傳輸，通過兩線（MODE=0，即IIC接口）或三線（MODE=1）接口進行配置。

6 軟件實現

本設計選用KEIL公司研發的uVision集成開發環境作為主機程序設計的編譯器。系統軟件部分采用C語言編寫，C語言是一種結構化語言，它層次清晰，便于模塊化的方式組織程序，易于調試和維護，語言簡潔、緊湊、使用方便靈活。其次，它豐富的運算和數據類型，便于實現各類復雜的數據解耦。并且其效率高，可移植性強，因此，是軟件開發的首選編程語言。

系統供電后，程序進行初始，儲單元內容擦除、片內各個模塊完成設置、端口設定為等初始化工作。之后運行主程序。采集到一段時間的噪聲電平后估算出平均值，即噪聲平均能量值。根據平均能量值的大小選擇合適的播放參數進行播放。同時打開3s定時中斷，讓當前的控制狀態保持3s。如果3s內有更大的噪聲出現，馬上切換到新的狀態再保持3s；如果沒有更大噪聲出現，則一直保持到報站結束。如圖2所示。

6.1 語音信號短時能量估計

分析處理語音信號是設計的前提，在處理信號之前為防止混疊干擾先進行預濾波，短時能量分析是將語音流分為一段一段來分析，每一段稱為一幀。因為語音信號具有時變特性，是一個非平穩的過程。但當我們將一幀取值非常小時，在短時內語音的基本特性將保持平穩。即我們所說的語音信號的短時平穩性。應用語音信號的這一特點，我們可以對語音信號進行短時能量分析。

其中En 表示短時能量，應用該公式可以反映出語音的短時平均能量能量隨時間緩慢變化的規律。

6.2 噪聲的濾除

播放的語音信號對于外界我們想要采集的聲音來說就是相對噪聲，而這種相對噪聲會對我們的播報語音音量產生反饋干擾，這是我們不希望的，所以我們要將播報的語音從采集的語音信息中濾除，這就需要我們設計一款濾波器。由于聲音的隨機性使得完全濾除變得不可能，但是由于想要濾除的語音信號是我們存儲在SD卡的報站語音，所以提前可知，這使得濾波器的設計變得簡單化。我們只需要設計一種函數，可將一段時間內采集信號中的已知語音信號濾除即可，便可得到我們想要的外界實時環境噪聲情況。

7 結束語

本課題研究的公交車語音報站系統結構簡單，功能完備，通過公交車到站前一段時間檢測車內噪聲大小調節播站音量大小。并且還可以拓展其他功能，例如，當有老人乘車時會自動提示乘客給老人讓座，大大減小公交車司機的工作量，這種報站系統不單單運用在公交車上，還可以用在地鐵上，火車上，電梯中以及具有語音播報功能的電子設備中。因此，本系統具有可發展性和廣闊的市場前景。

（通訊作者：楊潔）

參考文獻

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[3]王沁，肖瑤，來躍深.基于單片機的公交報站系統設計與仿真[J].物聯網技術，2014（09）：66-67.

作者單位

鄭州大學 河南省鄭州市 450001