一種基於RFID的行動式智慧語音播放器設計論文
摘 要：針對傳統的紅外電子導遊系統的不足，採用RFID技術設計並實現了一種行動式智慧語音播放器。在給出RFID行動式智慧語音播放器的總體設計方案之後，分別對RFID模組、無線訊號收發模組、控制器和解碼模組進行了詳細設計並給出了電路設計原理圖;該播放器不僅體積小、感應靈敏，而且可以廣泛應用在不同領域。
關鍵詞：RFID;無線訊號識別;音訊解碼;語音播放器
基金專案：國家大學生創新計劃和西北工業大學2011年重點扶持本科畢業設計專案資助
0 引 言
傳統的電子導遊系統一般採用紅外無線通訊的方式，容易出現遊客接收到錯誤的景點資訊而造成遊客的不便。
RFID(無線射頻識別技術)是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻訊號自動識別目標物件並獲取相關資料，識別工作無須人工干預，可工作於各種惡劣環境，尤其是RFID技術與物聯網應用的結合，更是使得它成為目前研究的熱點。因此，與RFID技術相結合的智慧語音播放器也成為一種發展趨勢，它可實現使用者在展廳方便的進行參觀、瞭解展品、收聽各類文物、景點介紹等，實現博物館等的自動化智慧數字管理[1]。
本文設計的行動式智慧語音播放器可以通過USB介面與PC通訊下載景點資料，RFID電子標籤安放在景區內，發射景點的編碼資訊，當遊客進入景區時，行動式智慧語音播放器接收到對應的景點編碼資訊後，進行編碼並進行播放。
1 系統總體設計
根據RFID技術的特點，設計了基於RFID的行動式智慧語音播放器的總體結構框圖，如圖1所示。
圖1 基於RFID的行動式智慧語音播放器設計框圖該設計共由三部分構成：RFID模組;無線訊號收發模組;智慧語音播放控制及解碼模組。主要包括RFID電子標籤與閱讀器，用於主控的STC12LE5410AD微控制器，VS1003音訊解碼晶片，大容量儲存器，USB通訊介面等。
當播放器處於工作狀態時，由RFID閱讀器識別標籤訊號後，再通過收發系統將語音訊號資訊及標籤資訊傳送對應標籤資訊的行動式語音裝置，讀取儲存在行動式語音裝置中的語音片段並播放語音。該系統有效工作距離為3～5m，可儲存至少3～5段(每段時長3～5min)語音檔案(內建中文、英文、日文語音檔案)，語音檔案亦可由使用者通過播放器自主控制播放。
2 RFID模組設計
RFID系統[2]工作原理：使用者標籤進入磁場後，如果接收到閱讀器發出的特殊射頻訊號，則能通過感應電流所獲得的能量傳送出儲存在無源標籤(被動標籤，即Passive Tag)晶片中的產品地址資訊，或由有源標籤(主動標籤，即Active Tag)主動傳送某一頻率資訊，再由閱讀器讀取資訊並解碼，再進行有關資料的處理。
RFID系統的基本模型如圖2所示，電子標籤與閱讀器之間通過耦合元件實現射頻訊號的空間(非接觸式)耦合，在耦合通道內，根據時序關係，實現資料交換以及能量傳遞。
基於RFID的行動式智慧語音播放器工作範圍(感應距離)應控制在3～5m，由於展廳各展臺之間距離較小，若感應距離太遠，容易造成訊號間的干擾，出現未到展臺便已經播放語音片段的情況，因此，感應距離最遠不超過10m。
電子反向散射耦合方式[3]的作用距離為3～10m，符合行動式智慧語音播放器的感應距離要求，同時無源電子標籤相對於有源電子標籤更節約成本，且標籤內部無需內建電源供電，易於攜帶且較為環保，因此，基於RFID的行動式智慧語音播放器選擇使用電子反向散射耦合方式的無源電子標籤更為合適。
3 無線訊號收發模組設計
無線訊號收發系統工作原理如下：無線訊號收發系統接收到由RFID系統閱讀器識別的訊號，由發射部分發射訊號;無線訊號收發系統接收裝置接收訊號，並將訊號傳入行動式語音裝置。
無線訊號收發系統共由兩部分組成：RFID系統部分的無線訊號發射部分，該部分分為編碼模組與訊號發射模組(含天線);行動式語音裝置部分的無線訊號接收部分，該部分分為訊號接收模組(含天線)與解碼模組。
無線訊號收發資訊傳送的資訊格式應包含兩部分：地址資訊用於行動式智慧語音播放器識別接收無線射頻識別系統無線訊號的資訊來源;語音檔案編號資訊，用於行動式智慧語音播放器識別語音檔案，選擇語音檔案播放。傳送的資訊格式如圖3所示。
圖3 傳送的資訊格式圖示
傳送的資訊採用8位地址碼和4位資訊碼，地址設定時共有3種狀態(懸空、接正電源、接地)可供選擇，即地址編碼共有38即6 561組不重複的編碼方式，可有效傳送無線訊號的資訊來源地址，避免出現由於地址資訊重複造成的傳送錯誤或重複的地址資訊，使得資訊無法識別或識別不正確資訊的錯誤。
4 智慧語音播放控制及解碼模組設計
行動式智慧語音播放器主要由微控制器(Micro Con-trol Unit)、音訊解碼器、儲存裝置、PC通訊埠、音訊DAC及功放、顯示介面和控制鍵等構成。其中微控制器和音訊解碼器是整個系統的核心。
圖4 行動式智慧語音播放器工作流程首先由行動式智慧語音播放器的無線訊號接收部分接收無線訊號，識別出應播放的.由播放器儲存的語音訊號並讀取後，再由音訊解碼晶片對訊號進行解碼，通過數模轉換機將音訊數字訊號轉換為模擬訊號放大輸出。
行動式智慧語音播放器的整個控制程式都由微控制器[4-5]的執行來完成，控制播放器的各個部分的工作(從儲存裝置讀取語音訊號送到音訊解碼器解碼、與PC連線時完成與PC的資料交換、響應控制按鍵的操作、顯示系統執行狀態等);音訊解碼器可以直接完成多種格式的音訊訊號的解碼操作;儲存裝置是系統的重要部分，它用於儲存預存在播放器中的音訊訊號，也可以儲存由PC通訊埠傳來的資料，播放時由微控制器讀取儲存器中的資料並送到音訊解碼器[6];PC通訊埠是播放器與PC機進行資料交換，完成儲存器中資料的拷貝、刪除、複製等操作;音訊DAC是將數字音訊訊號轉換為模擬音訊訊號，方便耳機或功放等裝置的使用。
微控制器STC12LE5410AD部分用於控制響應接收識別的無線訊號並讀取儲存裝置中的語音檔案資訊，並播放由音訊解碼晶片解碼後的語音檔案，並控制LED顯示屏顯示檔案資訊(包括檔名、檔案長度、播放長度等)，除此之外，同時可以響應播放器上的按鈕播放、暫停、快進以及音量調節等。
STC12LE5410AD系列微控制器是單時鐘/機器週期相容的8051核心微控制器。STC12LE5410AD特點如下：增強型1T流水線精簡指令集結構8051CPU;使用者應用程式空間12KB，10KB，8KB，6KB，4KB，2KB;
片上整合512BRAM;通用I/O口(27/23個)，復位後為準雙向口，弱上拉(普通8051傳統I/O口);可設定成四種模式：準雙向口弱上拉，推輓強上拉，僅為輸入高阻，開漏每個I/O口驅動能力均可達到20mA，但整個晶片最大不得超過55mA;
ISP(在系統可程式設計)、IAP(在應用可程式設計)，無需專用程式設計器可通過串列埠(P3.0/P3.1)直接下載使用者程式，數秒即可完成一片;內部整合MAX810專用復位電路(外部晶體20MHz以下時，可省外部復位電路);時鐘源：外部高精度晶體時鐘，內部R/C振盪器使用者在下載使用者程式時，可選擇是使用內部R/C振盪器還是外部晶體時鐘;常溫下內部R/C振盪器頻率為5.2～6.8MHz，精度要求不高時，可選擇使用內部時鐘，但因為有溫漂，應認為是4～8MHz;共2個16位定時器、計數器。
當微控制器部分獲取了無線訊號中語音訊號的檔案資訊後，將對應的語音訊號讀取，由音訊解碼晶片解碼語音檔案[7]，再由微控制器控制通過耳機或其他音訊裝置播放已解碼的音訊檔案。
VS1003是一個MP3，WMA，MIDI音訊解碼器和ADPCM編碼器。VS1003通過一個序列介面來接收輸入的位元流，它可以作為一個系統的從機，輸入的位元流被解碼，然後通過一個數字音量控制器到達一個18位過取樣多位，通過序列匯流排控制解碼器。VS1003特性如下：能解碼MPEG 1和MPEG 2音訊層Ⅲ(CBR+VBR+ABR)、WMA 4.0/4.1/7/8/9，5～384Kb/s所有流檔案、WAV(PCM+IMAAD-PCM)等格式檔案;單時鐘操作12.13MHz;內部PLL鎖相環時鐘倍頻器;內含高效能片上立體聲數模轉換器;模擬、數字、I/O單獨供電;為使用者程式碼和資料準備的5.5KB片上RAM。
播放器的儲存介質選用SD卡，SD卡應用廣泛，應用於移動儲存裝置中，且容量有多種選擇，方便使用者任意改變儲存介質中的語音檔案，成本較低;利用USB與PC進行通訊，方便使用者將語音檔案匯入播放器[8];顯示部分採用LED顯示屏，供使用者通過顯示屏瞭解展品簡要資訊。
圖5 行動式智慧語音播放器電路設計原理圖5 結 語本文設計並實現的的基於RFID的行動式智慧語音播放器以STC12LE5410AD微控制器為主控晶片，使用VS1003音訊解碼晶片，結合RFID技術可以實現博物館展廳等全方向的無線資料通訊。本系統不僅具備電子導遊系統的功能，其設計還可用於交通管理、停車場管理等。
