基于语音播报的环境监测仪的应用研究
摘要：语音播报环境监测仪以STM32F103VET6 为核心处理芯片，通过DS18B20 温度传感器和DHT11 温湿度传感器采集环境的温度、湿度，以 VS1003 为音频解码器，采用 SD 卡存储需要播报的语音信息，通过触摸屏实现人机交互。系统实现语音播报环境，当温度、湿度超过设定的范围时，语音发出警告。系统具有稳定性好，性价比高的优点。
关键词：STM32；VS1003；语音播报；环境监测中图分类号：G642.42 文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2015）10-0067-02.
0 引言
在工、农业的生产工程中对环境的稳定性要求越来越严格。环境监测就成了不可忽视的一部分，因而对环境监测仪的性能要求就越来越高。环境监测仪的智能化发展是必然的。
本文设计一种语音播报的环境监测仪，对环境实现监测，并以语音的形式播报环境的温湿度，当温度、湿度超过设定的范围时，语音发出警告。
1 系统总体设计
语音播报的环境监测仪的系统结构如图 1 所示，系统主要由 STM32 主控模块、温湿度采集模块、数据存储模块、音频存储模块、音频解码模块、播放器组成。
温湿度采集模块采集环境的温度和湿度，把数据传送给STM32 主控模块。主控模块通过控制音频存储模块和音频解码模块，实时播报温湿度的值，当温度、湿度超过设定的范围 时，语音发出警告；同时控制触摸屏，显示温度、湿度的值；控制数据存储模块，存储温度、湿度值。
图 1 系统结构框图
2 硬件系统设计
2.1 STM32 主控模块
STM32 主控模块采用 STM32F103VET6 作为主芯片， STM32F103VET6 是 ST（意法半导体）公司推出的 ARM 内核Cortex－M3 的 32 位微控制器。它使用高性能的ARM CortexM3 32 位的 RISC 内核，工作频率为 72MHz，内置高速存储器( 高达 512K 字节的闪存和 64K 字节的 SRAM)，丰富的增强 I/O 端口和联接到两条 APB 总线的外设。所有型号的器件都包含 3 个 12 位的 ADC、4 个通用 16 位定时器和 2 个 PWM 定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达 2 个I2C 接口、3 个SPI 接口、2 个 I2S 接口、1 个 SDIO 接口、5 个 USART 接口、1个 USB 接口和 1 个 CAN 接口，内部资源丰富[1]。
STM32 主控模块通过控制触摸屏模块把采集的温度、湿度值显示在触摸屏上；并根据操作把采集的数据保存到 U 盘中；同时控制音频存储和音频解码模块，语音播报温度、湿度值，当温度、湿度超过设定的范围时，语音发出警告，提醒环境的温湿度不在设定的范围内。
2.2 温湿度采集模块
温度采集部分用数字化温度传感器 DS18B20，湿度采集部分用 DHT11 数字温湿度传感器 DHT11。
DS18B20 是美国 Dallas 半导体公司生产的世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内，采用单总线数据格式与 STM32进行通信。DS18B20 可以程序设定 9 ～ 12 位的分辨率，测量温度范围为-55℃～+125℃，在-10-85℃范围内，精度为±0.5℃[2]
。
DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个 NTC测温元件，并与一个高性能 8 位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
采用 4 针单排引脚封装，连接方便，也是采用单总线数据格式与STM32 进行通信[3]。DHT11 的湿度测量范围为 20-90％RH，测湿精度为±5％RH；温度测量范围 0-50℃，测温精度±2℃。由于它的测温范围较小，测温精度不高，这里只用它测湿度。
2.3 数据存储模块
数据存储模块是STM32 驱动文件管理控制芯片CH376，通过 CH376 完成文件的管理、控制，把采集的温度、湿度值存储到 U 盘中。STM32F103VET6 有 3 个 SPI 接口，CH376 以SPI 模式连接 STM32F103VET6 的 SPI3 口，完成 STM32 与CH376 之间的通信。
2.4 音频存储模块
音频存储模块采用 SD 卡作为存储装置，把 SD 卡格式化为 FAT32 文件格式，并把要播报的内容以*．mp3 的格式复制到 SD 卡中。SD 卡以 SPI 模式连接 STM32F103VET6 的 SPI2口。
2.5 音频解码模块
音频解码模块运用 VS1003 音频解码芯片实现音频解码功能，之后把解码后的音频通过播放器播放出来。
VS1003 是一个单片MP3/WMA/MIDI音频解码器和ADPCM 编码器。它包含一个高性能、自主产权的低功耗 DSP 处理器核 VSDSP4，工作数据存储器为用户提供 5KB 的指令 RAM 和 0.5KB 的数据 RAM，具有串行的控制和数据接口，4个常规用途的 I/O 口，一个 UART，也有一个高品质可变采样率的ADC和立体声DAC，还有一个耳机放大器和地线缓冲器[4]。
VS1003 解码芯片通过 SPI 实现数据通信，与 SD 卡公用 SPI2接口，通过片选信号实现分时复用。
2.6 触摸屏模块
触摸屏模块主要实现人机交互，显示温度值和湿度值。语音播报的环境监测仪的主界面如图 2 所示。触摸屏通过 SPI模式与 TM32F103VET6 的 SPI1 口连接[5]。
图 2 环境监测仪的主界面
点击“开始”按钮后，环境监测仪开始对环境进行检测；点击“语音”按钮后，环境监测仪播报采集的温度值和湿度值；点击“保存”按钮后，将以“.txt”的格式把采集的温度和湿度值保存到U盘中；点击“菜单”按钮后，可以实现对环境监测仪的温度设定范围、湿度设定范围、音量大小、温湿度采集时间间隔、系统时间等进行设置。
3 软件系统设计
软件设计部分主要包括系统初始化，SPI1、SPI2、SPI3 口的配置，系统时钟初始化，温湿度采集的实现，SD 卡驱动，音频解码器 VS1003 的初始化和驱动，CH376 的配置与驱动，触摸屏显示与控制的实现。运用 C 语言在 keil 编译环境中编程，编译完成后通过 JTAG 口下载到 STM32 主控芯片中，实现环境监测的显示与播报。
4 结语
本文设计实现语音播报的环境监测仪，通过VS1003 音频解码器播放 .mp3 格式的语音。重点介绍了系统的组成部分的实现方法。系统结构简单，实用性强。
参考文献：
[1] STM32F103xCDE 数据手册[S].2008(4)
[2] DS18B20 数据手册[S]
[3] DHT11 数据手册[S]
[4] VS1003 数据手册[S]
[5] 郝迎吉,关强.基于 VS1003 解码器的信号发生器[J].仪表技术与传感器,2013,2(19):20,54
基金项目：贵州省科学技术基金项目(黔科合J字[2015]2065 号),贵州理工学院高层次人才引进项目(批准号：XJGC20140601)资助。
作者简介：胡良焕，工程师，从事电力工程及自动化运维检修管理工作；杨国涛，工程师，从事电力工程及自动化运维检修管理工作；侯永春，工程师，从事电力系统自动化工作；郭晓学，讲师，研究方向为嵌入式通信系统；秦铆，研究方向为智能电网在调度控制中的应用。
