【導讀】本科畢業(yè)論文（設計）。論文（設計）題目：。基于藍牙技術(shù)的無線語音安全提示系統(tǒng)的研究

　　

【正文】 簡單，無需再制作 PCB 板，節(jié)約了開發(fā)時間， 在設計中只用了幾塊很小的萬能板就完成了設計，為了便 于演示，本設計制作了兩個獨立的板塊，一個接收模塊，一個發(fā)射模塊，每個模塊都是一個整體，演示非常方便，經(jīng)初步測試有效接收距離可以到達 100 米左右。 系統(tǒng)總體流程 在介紹系統(tǒng)總體流程前，首先介紹一下系統(tǒng)工作模型，如圖 所示。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 21 頁 圖 系統(tǒng)工作示意圖 根據(jù)系統(tǒng)的工作示意圖，設計系統(tǒng)的流程，流程分為路邊系統(tǒng)流程和車載系統(tǒng)流程，如圖 和圖 所示。 圖 車 載 系統(tǒng)工作流程 圖 路邊系統(tǒng)工作流程 圖 中，開啟設備即啟動藍牙設備，然后是程序的初始 化，初始化完畢后查詢 是否有路邊系統(tǒng)存在，若查詢到，則表示有道路信息，然后接 收 信息后 會重復 播放信息，直到車載系統(tǒng)與路邊系統(tǒng)斷開連接。 圖 中， 先掃描 車載系統(tǒng) ， 一旦進入了藍牙接收范圍就會與車載系統(tǒng)建立連接 ，同時向車載系統(tǒng)發(fā)送編碼，車載系統(tǒng)接收這個編碼后會選擇相應的語音段進行播放。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 22 頁 第四章 模塊設計與實現(xiàn) 本章主要介紹了系統(tǒng)設計與實現(xiàn)的過程和方法。對本系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)分模塊介紹，首先介紹通信模塊的設計與實現(xiàn)，然后介紹 語音 模塊的設計與實現(xiàn)，最后介紹控制模塊的設計與實現(xiàn)。 通信模塊的設 計與實現(xiàn) 通信模塊是本系統(tǒng)的重要組成部分之一，它提供了路邊系統(tǒng)和車載系統(tǒng)之間的通信平臺。下面就介紹一下通信模塊的設計與實現(xiàn)。 底層通信平臺實現(xiàn) 本系統(tǒng)底層通信是借助于藍牙來實現(xiàn)的，博創(chuàng)公司已經(jīng)提供了我們完成此系統(tǒng)所必須的藍牙協(xié)議棧。底層藍牙設備之間通信的建立都需要查詢、建立連接、鑒權(quán)、通信幾個過程。詳細過程如下（以 LAP 為例）： (1) 當移動數(shù)據(jù)終端的某個應用要求接入局域網(wǎng)時，它先啟動業(yè)務發(fā)現(xiàn)協(xié)議 (SDP)，向有回應的 LAP 發(fā)出查詢請求。 LAP 此時作為 SDP Server 具有一個業(yè)務發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(SDP DataBase)，里面記錄著接入點可以提供的服務及其屬性， SDP 機制可以提取建立RFCOMM 連接需要的所有服務信息。數(shù)據(jù)終端查詢到可用的服務信息后，就可以開始建立連接 (如果發(fā)現(xiàn)沒有需要的服務，就放棄本次的連接請求 )。 (2) 如果沒有現(xiàn)存的基帶物理鏈路，則要與所選的 LAP 建立一條物理鏈路。之后，設備進行低層的鑒權(quán)和加密密鑰商議。 (3) 設備終端由低層向上，逐層建立 L2CAP/RFCOMM/PPP 連接。這里， PPP 層提供了一種可選的高層的鑒權(quán)機制。同時， 用適當?shù)?PPP 機制來協(xié)商數(shù)據(jù)終端使用的 IP地址。 (4) 連接建立之后，數(shù)據(jù)終端的上層應用就可以在 PPP 連接上傳送 IP 數(shù)據(jù)流了。 (5) 任何時候， DT(數(shù)據(jù)終端 )和 LAP 都可以終止已建立的連接。連接拆除各層的操作順序與建立時剛好相反。 完整的藍牙協(xié)議棧在前面章節(jié)已經(jīng)闡述，綜合考慮本系統(tǒng)的功能和應用需求，只需要部分協(xié)議棧，包括核心協(xié)議和一些其它協(xié)議，如 圖 所示。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 23 頁 圖 通信協(xié)議棧 高層通信軟件設計 高層軟件主要是借助于 keil uVision2 這個軟件 平臺 來實現(xiàn)，通信分為 兩部分：發(fā)送端和接收端 。 發(fā)送端和接收端都是通過單片機的串 行 口進行通信的。 通信軟件流程如圖 所示 ，軟件程序見附錄 A。 （ a）串口發(fā)送數(shù)據(jù) （ b）串口接收數(shù)據(jù) 圖 串口 通信流程圖 TCP/IP PPP SDP RFCOMM HCI L2CAP 基 帶 LMP 藍 牙 無 線 信 道 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 24 頁 藍牙 模塊的設計與實現(xiàn) 本設計 采 用的是現(xiàn)成的藍牙模塊 BC4 系列，波特率設置的是 9600，工作 頻段 在 Band， 藍牙協(xié)議 采用 BlueTooth 標準 ， 接收靈敏度 為85dBm， 操作電壓 為 +5V， 工作溫度 從 40 攝氏度至 +105 攝氏度 ， 功率等級 為 Class2（ +6dBm） 參考功耗：搜索時 35mA， 配對成功后 8mA。 藍牙模塊接線 圖 藍牙模塊 藍牙串口主機模塊和從機模塊是一樣的，只有 4 針引腳輸出： 第 1 針： +5V 供電端 第 2 針：數(shù)據(jù)發(fā)送端（可接單片機或者其他帶有串口的芯片的 RXD 端） 第 3 針：數(shù)據(jù)接收端（可接單片機或者其他帶有串口的芯片的 TXD 端） 第 4 針：地線 GND 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 25 頁 藍牙模塊在單片機之間的應用 圖 藍牙模塊在單片機之間的應用 語音 模塊的設計與實現(xiàn) 當車載終端檢測到新的道路信息時將自動播放道路信息， 下面就 簡要介紹一下 WTV020SD 模塊 的設計與實現(xiàn)。 WTV020SD 模塊 簡介 (1)模塊特征 ? 模塊支持外掛最大 1G的 SD卡； ?? 支持播放 4Bit ADPCM格式文件； ?? 自動識別語音文件； ?? 可以裝載 6KHz～ 32KHz、 36KHz采樣率的 AD4音頻； ?? 可裝載 6KHz～ 16KHz采樣率的 WAV音頻； ?? 16bitADC及 PWM音頻輸出； ?? 最多可存放 512段語音 ?(2) 模塊概述 WTV020SD模塊是一款可重復擦寫語音內(nèi)容的大容量存儲類型的語音模塊，可外掛 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 26 頁 最大容量為 1GB的 SD卡存儲器。能加載 WAV格式語音和 AD4格式語音。 WTV020SD模塊以WTV020SD20S語音芯片為主控核心，具有 MP3控制模式， 按 鍵一對一控制模式（ 3段語音跟 5段語音兩種），上電循環(huán)播放控制模式以及二線串口控制模式。 (3) 模塊封裝 （ WTV020SD16P） 與引腳說明 圖 語音模塊封裝 圖 表 語音模塊引腳說明 說明 ：本設計中用到的是二線串口模式，下面將詳細介紹。 (4) 二線串口控制模式 由單片機通過 CLK時 鐘和 DI數(shù)據(jù)線發(fā)送數(shù)據(jù)對 WTV020SD模塊 進 行控制?？呻S意播放任 何一個地址的語音。此狀態(tài)下，能 進 行語音組合播放。 語音內(nèi)容更新直接通過 SD卡讀卡器在 PC上更換。該模塊支持 FAT文件系統(tǒng)。支持 6KHz～ 32KHz、 36KHz采樣率的 AD4語音和 6KHz～ 16KHz采樣率的 WAV音頻，能自 動 識別語音采樣率以及語音文件格式。 二線串口觸發(fā)包 括 2 條通信線，即 時 鐘 CLK 和數(shù)據(jù) DI。另外，還有一條復位線。假如芯片被復 位后 1S 內(nèi)無 任 何觸發(fā)即 進 入休眠。 按 鍵部分中的，上一曲和下一曲具有斷 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 27 頁 電記憶功能，假如斷電前上一曲點播到第 7 段語音，那么斷電后再上電， 按 上一曲，就可以直接點播第 6 段語音。 1)I/O 口對應表 表 輸入輸出口 2） 語音地址對應表 SD卡中可放置 512段語音，語音文件名為 10進 制放置，如 、 等。單片機發(fā)數(shù)據(jù)觸發(fā) 時 ，需要發(fā)送跟語音文件名相對應的 16位 2進 制數(shù)據(jù)。 MCU 控制端 CLK 信號跟 DI 信號同 時 發(fā)送， DI 數(shù)據(jù)需先發(fā)高位再發(fā)低位。沒有發(fā)碼 時 CLK跟 DI都要置 于高電平。 表 語音地址對應表 3） 控制時序 圖 語音播放控制時序 圖 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 28 頁 4）命令碼描述 表 命令碼控制 注意： 由于語音的播放有嚴格的時序，所以語音部分采用匯編語言編程來控制時鐘、數(shù)據(jù)以及音量的大小。 要想很好的控制語音的播放，必須嚴格控制時序，那就涉及到延時的問題，延時的計算一定要與單片機所用的晶振相匹配。否則時序一定不正確。 (5) 語音文件簡介 該語音模塊可以播放 6KHz～ 32KHz、 36KHz采樣率的 AD4音頻 文件以及 6KHz～ 16KHz采樣率的 WAV音 頻 文件，這些上面都已經(jīng)介紹過了，下面要講的是如何得到符合要求的AD4或者 WAV格式的音頻文件。 1) 音頻文件的錄制 為了讓車載系統(tǒng)的主人更加有精神，本系統(tǒng)的錄音是采用一個文字轉(zhuǎn)換語音的軟件合成的，合成的聲音清脆而優(yōu)美，這款軟件叫 KDVoice，可以將我們輸入的文字變換成語音文件，但是合成的語音文件前面會有我們不需要的語段，這就需要把我們不需要的語段裁剪掉，本設計采用的是 MP3裁剪器 。裁剪 完后 仍然 是 MP3格式的還不能用于該語音模塊播放，還要進行格式轉(zhuǎn)換。 2）音頻文件的轉(zhuǎn)換 要進行音頻轉(zhuǎn)換就要用到格式轉(zhuǎn)換器，本設 計采用的是該語音模塊生產(chǎn)公司專用的轉(zhuǎn)換器 UsbRecorder，可以將 MP3格式轉(zhuǎn)換成滿足要求的 AD4或者 WAV格式。 注意：在將錄制好的語音文件拷貝到 miniSD卡之前，必須將 SD卡 FAT格式化，格式化以后直接把錄好的語音文件拷貝到 SD卡的根目錄就可以了。 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 29 頁 第五章 系統(tǒng)測試與應用 本章主要介紹系統(tǒng)在實驗室內(nèi)的測試過程與結(jié)果、系統(tǒng)特點與優(yōu)勢以及系統(tǒng)的應用前景。 系統(tǒng)測試及性能分析 系統(tǒng)測試 本系統(tǒng)目前通過了 室外空曠環(huán)境 的測試，一臺 單片機 開發(fā)板作為路邊系統(tǒng)， 另 一 臺單片機 開發(fā)板作為車載系統(tǒng)。在測試前建立好工作環(huán)境。 測試步驟為： （ 1）將兩臺開發(fā)板分開 一段 距離，超過藍牙工作范圍； （ 2）打開路邊系統(tǒng)，啟動藍牙設備； （ 3）打開車載體統(tǒng)，啟動藍牙設備 ； （ 4）將車載系統(tǒng)慢慢靠近路邊系統(tǒng)，在距離大約為 10 米 左右 時，車載系統(tǒng)上 開始播放 “您好，前方有急轉(zhuǎn)彎，請減速！ ”的語音； （ 5） 當關閉路邊系統(tǒng)的后，車載系統(tǒng)播放完當前語音過后就停止播放； （ 6） 打開路邊系統(tǒng)，大概 2 秒左右的時間兩藍牙模塊可以建立連接，同時播放語音，當遠離路系統(tǒng)系統(tǒng)（ 超出藍牙接收范圍），藍牙斷開連接，語音停止播放。 以上是對系統(tǒng)的初步測試步驟，測試過程中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)工作正常，信息播放流暢。 性能分析 考慮到車輛從進入藍牙連接范圍到離開的時間短暫問題，本系統(tǒng)的性能分析主要是關于藍牙建立連接速率和傳輸數(shù)據(jù)速率。一般藍牙建立連接的典型時間為 2 秒，藍牙的數(shù)據(jù)傳輸平均速率約為 1Mb/s， 假設要發(fā)送的信息大小為 1Mb， 則傳輸時間約為 秒，連接時間加傳輸時間共需要約 秒 。（實際上本設計中要發(fā)生的信息量非常小，只發(fā)生一個編碼，幾乎可以忽略不計。） 貴州大學本科畢業(yè)論文（設計） 第 30 頁 路邊系統(tǒng)汽 車abc公 路藍 牙 工 作范 圍 圖 性能分析圖示 根據(jù)圖 可以計算出汽車從進入藍牙連接范圍到離開這段時間內(nèi)能夠完整接 收 數(shù)據(jù)的最大速度。 a 為藍牙工作的有效半徑， b 為汽車與路邊系統(tǒng)的水平距離，設 b=3 米。 情形 1：我們使用小功率的藍牙設備， a 的值約為 10 米，根據(jù)勾股定理，算得 c 約等于 19 米，工作時間為 秒，則可算出汽車的行駛速度不能超過 20 千米 /小時。這種情況適用于十字路口區(qū)域，或車輛密集的街區(qū)。 情形 2：我們使用大功率的藍牙設備， a 的值約為 100 米， 根據(jù)勾股定理，算得 c約等于 200 米，工作時間為 秒，則可算出汽車的行駛速度不能超過 200 千米 /小時。這種情況適用于高速公路。 系統(tǒng)特點及優(yōu)勢 本系統(tǒng)主要特點