基于嵌入式的水上VHF自动播报系统的设计

2016-05-14董涛

中国水运 2016年7期

董涛

摘要：水上VHF通信系统是全球通用的具有国际标准的通信方式，本文针对海事管理中航行信息发布需求来设计的一套基于嵌入式的VHF自动播发系统，本设计在类似非预制语音自动播放应用上具有一定的参考意义。

关键词：嵌入式；VHF；TTS；自动播发

中图分类号：U644 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2016）07-0031-03

VHF通信是保障长江航行安全必不可少的通信手段，因其具有统一的国际标准，主要应用于船与船、船与岸之间进行的船舶会让、遇险报警、海事救助等方面的通信联络，特别是由于其广播的性质，在岸台的水文气象、航行通告等信息的发布上起到了不可替代的作用。但在当前常用的需要定时播出的航行通告等信息的播发中，操作人员一般需要提前录制好语音文件或者操作TYS软件将文本转为语音文件，再将该文件上传给播发系统定时播出，该操作需要操作人员具备熟练的普通话能力和相关软件操作能力，实际应用中具有一定的难度。

本设计就是在需要通过VHF进行航行通告等信息播发的单位、站点设置一台基于嵌入式系统的播发主机与VHF船（岸台）机相连，操作人员通过内部网络使用浏览器访问该主机，在页面上提交播发任务和文本播发内容，该主机会按照任务列表进行自动播发。

1 系统设计方案

1.1 系统需求

要实现VHF自动播报系统，需要搭建一台主机系统与VHF船（岸）台机相连，实现以下功能：1.该主机能够将播报内容以音频的方式发送给VHF船（岸）台机，并控制其播发；2.该主机能存储并管理播发内容，实现定时按需播发；3.该主机能够接入内部网络中并实现远程访问，用户仅需提交文字版的播发内容并可以对其进行增、删、改等操作；4.该主机要能专用并小型化，系统工作稳定。

1.2 系统方案

根据系统需求，一台基于嵌入式系统的主机系统方案能满足需要，其系统架构如图1所示，采用安装了Linux系统的嵌入式平台作为控制主机，在该主机上搭建web服务器和数据库系统并设计播报软件。远程用户通过浏览器访问该控制主机，在管理页面上提交需要发布的航行信息（文本），播报系统会在预定的时间将该内容通过硬件TTS模块转换为语音信号输出至VHF船（岸）台机并向附近水域播发。

2 硬件选型

系统硬件架构如图2，由主机模块、电源模块和VHF模块组成。主要硬件设备选型如下：

2.1 控制主机

控制主机选用树莓派2代。树莓派是树莓派基金会发布的卡片式电脑，具有900MHz主频的4核ARM Cortex-A7 CPU、1G内存、10/100M以太网接口的主机系统，主板上载有40针的GPIO（General Purpose Input Output通用输入输出）接口，连接实现外部控制和串行通信功能。利用MicroSD卡作为存储，安装和运行基于Linux的Raspbian或Win10 IoT等操作系统。该主机完全性能可以满足本项目的主机硬件平台需求。

2.2 硬件TTS模块

硬件TTS模块选择宇音天下公司出品的最新一代SYN6658中文语音合成芯片模块。该语音芯片通过UART和上位机通信，直接接收待合成的文本数据，实现文本到语音（TYS，TextTo Speech）的转换功能。该模块支持任意中文文本（<4K字节）的合成，智能识别区分数值、时间、度量衡、姓氏、多音字等各式文本，内置多种提示音可选，并能实现男女声、语速、语调、音量调整。该模块接线简单，仅需连接供电、UART输入，提供一路单声道语音输出，该模块控制简单、功能强大，输出语音柔和自然。

2.3 VHF船台机

VHF船台机选用建伍（KENWOOD）公司的TM-271A型VHF调频对讲机，该型VHF调频对讲机可以调整为水上专用VHF频道。选用该型VHF船台机的主要原因是该机型麦克风接口使用的是标准的RJ45接头，接线标准明晰，后期改装简单。接线线序如图3所示，6针为麦克风输入、5针为麦克风地，将两针与TTS模块的语音输出直接连接实现语音的输入；4针为PTT（PushToTalk）脚、3针为地，将4/3针导通实现麦克风手柄的PIT按钮按下功能，其他接线脚悬空不用处理。

2.4 其他模块

电源模块直接利用VHF专用的13.6V直流电源给建伍VHF船台机供电；树莓派电源使用LM2596S直流可调降压模块，该模块输入3-40V、输出1.5-35V（3A）可调，使用时接入VHF电源，输出调整为5V即可。

PIT控制使用1路继电器模块，该模块驱动电压为5V，采用光耦隔离，低电平触发。常开端与VHF接口第4/3针PTY/GND相连，通过触发实现PTT按下功能。

由于树莓派没有实时时钟，断电之后时间会归零。可以使用外接基于DS3231芯片的实时时钟模块在树莓派启动时进行校时以保证运行时间准确。也可以在系统启动之后连接内网的NTP服务器实现授时及校时功能。

3 软件设计

系统软件的总体设计思路是基于任务表驱动系统运行。播报系统每分钟读取一次数据库中的任务表，任务表中任务时间以分钟为单位，将表中的任务时间与系统时间相比对，如果时间相符则播出该条播报信息，播放完成后将播放内容保存至已播放表。系统运行流程图如图4所示：

要实现系统设计目标，需要完成以下系统及软件的设计：

3.1 操作系统搭建

树莓派使用主板上的bootload来引导烧录在MicroSD卡上的操作系统镜像来启动系统。在本设计中使用的是Raspbian系统，Raspbian是基于Debian GNU/Linux的免费操作系统，它面向Raspberry Pi硬件（armhf处理器架构）做了优化，内置了多个常用的软件包和预编译软件，非常适合于常用的web服务器、物联网设备控制等系统设计和开发。

Raspbian系统安装：首先从Raspbian官方或者国内镜像下载Raspbian系统包，然后在windows系统下使用Win32DiskImag-er将.img文件写人MicroSD卡；再将卡插入树莓派MicroSD插槽，上电后Raspbian会自动启动。在完成系统安装之后，通过SSH登陆树莓派设置好静态lP地址并安装VNC Server，方便后期使用vnc客户端远程登陆至树莓派x desktop上进行操作。

本设计使用Linux+Nginx+SQLite+Python+Django架设服务器来取代常用的LAMP（Linux+Apache+Mysql+PHP）的方式来架设Web服务，因为该方式较LAMP来说资源消耗低，开发起来也比较便捷。树莓派上安装Nginx/Django/SQLite/Python的方法网上较多，此处不赘述了。

3.2 数据库设计

本设计使用SQLite作为数据库系统，SQLite是一款轻量化的数据库系统，其设计目标就是使用在嵌入式系统中，资源占用小但功能强大，它独立、开源并支持多种开发语言，是轻量级嵌入式开发较为合适的数据库系统。

SQLite数据库为单文件数据库，本设计数据库名为playlist.db，其中包含两个主要的表：tasklist（播放任务）、complist（已播放）表。其中，tasklist表主要有以下字段：

playtime TEXT//计划播报时间

freq

INTEGER//播报频率

num

INTEGER//播报次数

title TEXT//播报内容标题

text TEXT//播报内容

其中playtime为播报时间，格式为YYYYMMDDHHMM，如201601011330；freq播报频率指间隔多少分钟播出一次（根据实际播出要求，该频率一般为5-120分钟）；nun指一共播出多少次；title限定20汉字以内；text限定200汉字以内。

eomplist表用于保存已播放内容，仅需playtime、title和text字段。

根据日常使用经验，系统主要是针对tasklist表中的内容进行增、删、改操作，即向播放列表中加入播放条目、播放完成后删除播放条目、对未播放内容进行修改，数据纪录条数较少，检索方便。complist表主要是增加数据纪录操作，由于该表是每次播放完成后将已播放内容加入，数据纪录天然按照播放时间（playtime）字段增序排列，不需要进行额外排序工作。

3.3 WEB服务器设计

WEB服务框架采用Django。Django是一个开放源代码的Web应用框架，由Python写成，采用了MVC（Model View Control-ler，模型、视图、控制器）的软件设计模式。选用Django的原因是使用框架封装了控制层，数据调用等操作只需调用相应的方法即可完成，另外有大量的第三方插件可以使用，大大的提高开发的效率。

WEB服务器采用Nginx。Nginx是一款轻量级的Web服务器，占用内存仅几兆，非常适合于树莓派上构建WEB服务。Django通过Nginx+uWSGI来部署，Nginx作为服务器最前端，它将接收WEB的所有请求，统一管理请求。Nginx把所有静态请求自己来处理，非静态请求通过uWSGI传递给Django，由Django来进行处理，从而完成一次WEB请求。

WEB页面设计比较简单，直接借用一个基础的论坛发布页面，简单修改后调用数据库内容显示在页面上，可以对每个条目进行增、删、改操作。

3.4 播报软件设计

播报软件使用Python软件开发，Python是一种面向对象、解释型计算机程序设计语言，该语言简洁、易用和可扩展，比较方便使用于WEB开发应用中。

播报软件主要由数据库访问和文本TYS输出组成：

3.4.1 数据库访问

系统运行中正常的数据库访问涉及tasklist表的增加、删除和更新及complist表的增加操作。系统上电运行之后，每分钟查询一次tasklist表，比对是否存在playtime与当前时间相符的记录，如果相符则将该条记录中text字段内容（播发内容）输出，播发完成之后，将该条记录复制进complist表，表明该条播发任务已经完成。然后查看nun字段是否大于1（需要多次播发），如果不大于则表明需要多次播发的任务已经完成，删除该条记录；如果没有完成则将nun字段内容减一，将playtime字段时间加上freq内容（构成下一次播发时间）；最后重新更新该条记录，形成一条新的播发任务记录。

3.4.2 文本TTS输出

通过将text字段内容（文本）向串口输出至SYN6658芯片实现文字到语音的转换后从VHF船台机播出主要由以下两个过程完成：

3.4.2.1 FFF按钮的按下

根据树莓派GPIO定义，使用GPIO 0（第11脚）作为控制脚，与继电器模块IN脚相接。

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

GPIO.setup（11，GPIO.OUT）//将11脚（GPIO 0）设为输出模式

吸合继电器时使用：GPIO.output（（11，GPIO.LOW），此时VHF船台机FFF与GND导通，相当于PTT按钮按下，VHF船台机处于发送模式。

释放继电器时使用：GPIO.output（11，GPIO.HIGH），此时VHF船台机PTT与GND断开，相当于PTY按钮释放，VHF船台机处于接收模式。

3.4.2.2 串口文本输出

树莓派原生有一个串口，为GPIO 14（TXD）和GPIO 15（RXD），但该串口默认为调试口，需要在树莓派配置界面中将串口调试功能关闭。将GPIO 14与SYN6658模块RXD连接，GPIO 15与SYN6658模块TXD连接，波特率默认为9600bps。

树莓派与SYN6658之间通信使用数据帧的方式，数据帧格式如下表：

树莓派向串口输出控制播发的过程为：