基于GPS及TTS模块的景区自助语音导游系统设计*

邹益民

（南京铁道职业技术学院 通信信号学院，江苏 南京210031）

景区的游客自助导游系统可方便地为游客提供景区游览路线、游览主题内容、预计游览时间等基本信息，从而使游客可合理地安排个性化的游览线路[1-2]。此外，还可用于向游客提供有关景区的详尽资讯，以充分展示景区的历史文化内涵，同时还可用于收集游客对景区相关服务工作的评价意见。之后还可通过上位PC机软件下载最新景区导游信息，并提取游客活动信息及评价意见，进而为景区准确掌握游客观赏热点，进而改善旅游服务及管理工作提供依据。

本文给出一种基于GPS定位技术及TTS语音模块的自助语音导游系统。自助语音导游相比导游手册可提供更详尽的实时导游信息；相比专业导游服务，自助语音导游不仅成本较低，还具有低介入性、更为个性化及人性化的优势。

1 硬件系统设计

本系统以MCS51单片机作为主控芯片，基于GPS定位模块实现移动定位功能，以确认游客所在的地理位置。其后，结合内置的景区地理信息数据，即可通过板载小型LCD显示，也可使用科大讯飞XF-S4240中文语音合成模块即时播放位置信息及景区导游信息，从而实现景区的语音导航、导览及导游功能。此外，通过板载的按钮，用户还可对景区各项设施与服务给出评价信息，景区管理者则可通过收集这些信息了解游客需求、各景区游客关注度及停留时间，进而改进景区建设，更好地为游客提供高质量的服务。

1.1 系统总体结构

GPS景区自助导游系统硬件电路主要包括单片机控制模块、GPS数据接收模块、语音合成模块、LCD显示模块、按键模块、串行通信模块、电源模块等。图1为该系统的总体设计框图。

系统硬件部分电路设计可参见图2，由AT89C51单片机芯片、台湾丽台Leadtek GPS 9543LP定位模块、科大讯飞XF-S4240嵌入式中文语音合成模块、LM386音频放大器、放音喇叭、MAX232串口变换模块、128×64点阵LCD屏、4.2 V/3.3 V及3.3 V/1.8 V电源变换模块等组成。单片机作为主控芯片，通过串行接口控制GPS模块，以获取定位信息。定位及导游信息首先通过液晶屏显示，同时使用SPI接口发送到XF-S4240模块实施语音合成，再经LM386完成音频信号放大后推动喇叭发音；MAX232为串口信号电平变换模块，由MCS51实现一个软串口功能，用于必要时与上位PC机通信，供下载旅游信息或上传游客信息之用；键盘接口用于连接一个4×4的薄膜键盘，供游客输入信息；LDO电源变换芯片AMS1117-3.3，AMS1117-1.8则用于实现 4.2 V→3.3 V→1.8 V的变换，为XF-S4240及GPS 9543LP模块提供所需的工作电源。

1.2 GPS定位模块及其电路设计

本系统选用的丽台Leadtek GPS 9543LP定位模块采用并行12通道，定位精度可达15 m。GPS接收模块的型号、性能各异，但其GPS定位信息串行输出格式大多采用美国国家海洋电子协会制定的NMEA-0183通信标准格式。其输出数据采用ASCII码，内容包含纬度、经度、高度、速度、日期、时间、航向以及卫星状况等信息，常用语句有 6种， 包括 GGA、GLL、GSA、GSV、RMC 和VTG。可通过专用设置软件或普通的串口调试软件发送相应的控制命令给GPS模块，以设置其输出周期及输出格式[3-4]。本系统只需时间、经纬度、海拔高度以及卫星数等信息，故仅选用GGA输出格式。

一条$GPGGA语句包括17个字段，形如：“$GPGGA，UTC时间，纬度，纬度半球，经度，经度半球，定位质量指示，使用卫星数量，水平精确度，天线离海平面的高度，高度单位，大地水准面高度，高度单位，差分GPS数据期限，差分参考基站标号，*校验和＜CR＞＜LF＞”。其中校验和代表从“$”开始到“*”之间的所有 ASCII码的异或校验和。

例如某条$GPGGA 语句为：“$GPGGA，114641，3002.3232，N，12206.1157，E，1，05，12.9，53.2，M，11.6，M，，*4A”，则表明这是一条GPS定位数据信息，意思为世界(格林威治)时间为11时46分41秒，位置在北纬30度 2.323 2分，东经122度6.115 7分，定位有效，接收到5颗卫星，水平精度 12.9 m，天线离海平面高度53.2 m，所在地离地平面高度11.6 m，校验和为4AH。

如图2所示，Leadtek GPS 9543LP与单片机通过串行接口以9 600波特率通信，其秒脉冲信号1PPS也连接至单片机以提供测试功能。

图2 GPS景区自助导游系统硬件设计图

1.3 XF-S4240语音合成模块及其电路设计

语音合成技术，简称 TTS（Text To Speech）技术，用于解决如何将文字信息转化为声音信息，从而使得人们获取信息的方式更加丰富和自然。目前，在嵌入式应用领域，最具代表性的有科大讯飞XF-S4240和XFS4041CN及宇音天下的SYN6288[5-6]。本系统中选用的语音合成模块为科大讯飞的XF-S4240嵌入式中文语音合成模块。该模块支持 GB2312、GBK、BIG5及 UNICODE 4种内码格式的中文文本，同时提供英文字母的合成，支持男/女声发音，并可灵活地调节语速、语调及音量。

XF-S4240支持异步串口 (UART)、SPI和 I2C通信方式，允许发送数据的最大长度为1 KB。XF-S4240提供了多种语音合成控制命令，如合成命令、停止合成命令、暂停合成命令、恢复合成命令；通过状态查询命令可查询当前模块的工作状态；而休眠命令则可置模块于休眠方式以降低功耗。

语音合成系统设计如图2所示。语音模块借助SPI接口与单片机连接，由硬件RDY引脚指示模块的工作状态，与单片机的INT1引脚相连。音频功放电路则采用LM368音频放大器，输出端可直接驱动扬声器。

1.4 其他模块电路设计

本设计中使用一片128×64点阵LCD模块作为系统的显示输出，提供操作指示及各项导游信息的显示功能；另使用4×4薄膜键盘作为系统操作的输入接口，可供用户选择相关信息进行显示或给出对某项景区服务的评价意见。

由于本设计中MCS51仅有的一个串口已被用于与GPS模块通信，故使用单片机的P3.4及P3.5两端口构成软件串口，以实现与上位PC机的异步串行通信。该串行接口可供上位机向导游系统更新内置地理/导游信息或提取用户反馈意见，如图2所示。

本设计中电源使用4.2 V锂电池供电，以方便便携式应用。GPS模块还需使用3.3 V及1.8 V电源，且XFS4240也需采用3.3 V供电，为此分别选用AMS1117-3.3 V及AMS1117-1.8 V LDO器件实现电源变换，因篇幅所限，此部分电路略去。

2 软件系统设计

系统主程序框图如图3所示。程序首先对单片机各IO端口、中断系统、定时器等外部设备进行初始化，随后进入工作循环。依次周期性更新GPS数据，并据地理位置信息读取内置景区导游信息，之后更新LCD显示，并将相关信息送TTS模块以语音方式播报，其后读取用户按键信息，完成相关功能操作。若有必要，最后还须实现与上位机的通信。

语音合成程序的框图如图4所示。单片机首先判别语音合成模块是否处于就绪状态，若是，则依次发送帧头、字节总数、语音合成命令码、语音合成格式控制码及待合成文本，语音模块将随后依所设命令完成TTS转换。

本系统将GPS定位模块、地理特征信息及TTS语音合成功能有机结合，为GIS应用提供了一种新的模式。系统价格适中、结构紧凑，功能强大，有着良好的实用价值。文中对系统各个部分的硬件电路和软件实现进行了详述。随着GPS/GIS的应用日趋广泛，本系统的设计思想及技巧还可为其他相关产品的设计制作提供借鉴。

[1]李伟，李文方.电子导游讲解器的设计[J].工业控制计算机，2010，23(3)：99-102.

[2]肖艳林，宣宗强，李杰，等.基于单片机的电子导游系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2007(8)：37-38.

[3]王晴婉，宋家友.基于GPS-GPRS车辆监控终端设计与实现[J].通信技术，2009，12(9)：121-123.

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[5]王虎升，李金环，袁宪锋，等.基于 STM32的嵌入式语音播报系统的设计[J].北京联合大学学报，2011，25(3)：11-15.

[6]孙弋，汪亚东，李培煊.基于 GPS的嵌入式公交自动报站系统的研究[J].电子技术应用，2007，33(11)：34-36.