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用于物联网上温湿度测量的嵌入式语音查询实验平台
摘要
本文提出了一种在互联网上实现的嵌入式语音查询实验平台。以高性能芯片STM32为主控芯片，结合无线通信模块Q2687、平台控制测量模块，利用GSM网络实现通过特定电话播放语音发送测量数据的功能。不需要后台系统实现报警和远程温湿度查询功能。其特点是体积小，成本低、功耗低、易于使用。测试结果表明平台稳定，兼容性和实用性良好。作为IOT技术和嵌入式技术的实验教育平台，具有很高的应用价值。
关键词：物联网，语音查询实验平台，Q2687，STM32，GSM。
1、简介
随着信息处理技术和网络技术的快速发展，信息传输并不局限于虚拟世界，而是扩展到真实世界与虚拟世界的结合。在传统模式下，人们通过网络相互沟通，现在信息的传递发生在人与事物之间，甚至事物与事物之间。因此，物联网（IOT）在20世纪末在中国提出。 它是通过传统协议实现智能识别、定位、跟踪、监控和管理的一个网络概念，并通过互联网连接任何东西[1,2]。IOT由RFID，SmartSens，GPS，激光罐等信息传感设备组成。
随着IOT的快速发展，其应用越来越广泛。IOT技术的远程实时温湿度采集、查询和报警现在正广泛应用于房屋、工厂、环境等监测场所[3-5]。但是它需要后台服务器系统才能实现这一应用，用户必须掌握无线网络和数据库的复杂知识。如果可以通过没有背景系统的语音来查询数据和报警，那么会有更多的人使用IOT系统，这将提高IOT的应用。
语音查询系统广泛应用于各个领域。传统的语音查询系统由调制解调器、电话线、文字到语音（TTS）服务器和管理系统组成[6]。由于需要大型后台服务器和管理系统，组装操作困难，数量大，成本高等原因，难以将传统的语音查询系统整合到IOT系统中。
为了克服上述问题，提出了IOT询问温湿度嵌入式语音查询系统的实验平台。它可以是IOT技术和嵌入式技术的实验和教育平台。凭借嵌入式系统和移动通信模块的综合优势，系统可以取代传统的语音查询系统，无需后台服务器即可查询语音。系统体积小，成本低，功耗低，易于使用。
2、系统框架
IOT系统通常由传感器层，网络层和应用层组成。机器对机器（M2M）是广泛使用的系统方案，主要由远程终端单元(RTU）,传感器和背景系统[7,8 ]组成。该方案使用移动数据网进行网络传输，其后台服务器需要配置网络连接和TCP/IP服务器。它具有无限距离，可靠的通讯，实时在线等优点。
与上述M2M方案不同，IOT查询温湿度嵌入式语音查询系统实验平台由RTU和传感器组成，无后台系统工作。RTU包括嵌入式处理器、传感器采集模块、无线通信模块、存储模块和电源模块。传感器层由RTU和传感器组成；网络层采用移动语音网络；无线通信模块实现RTU语音通信功能（如图1所示）。
该平台有一个内置的SIM卡。系统收集温度和湿度数据，并将结果转换为音频文件。然后系统通过移动语音网络将音频文件播放到特定电话。
该系统实现查询温湿度和报警功能：
图1 系统结构
（1）呼叫时，平台连接呼叫，测量温湿度，然后通过语音将结果广播给呼叫。系统实现语音查询功能。
（2）提前为系统配置报警电话号码和报警温湿度阈值。当测量结果超过阈值时，平台通过电话进行报警呼叫并广播当前的温湿度。
3、硬件设计
IOT应用系统具有功耗低，成本低，体积小的需求，平台设计要遵循上述的要求。在下文中，描述了重要设备的选择和使用。
嵌入式处理器选用ST公司STM32中ARM Cortex-M3系列处理器，该处理器是具有高性能、低成本、低功耗和丰富外设等优点的嵌入式芯片。最小系统只需要七个滤波电容，其最大工作频率为72MHz [9]，完全符合系统要求。
WAVECOM CPU Q2687被选为无线通信模块。Q2687是汽车工业无线CPU和市面上最小的可编程无线CPU [10]。它采用支持26MHz低功耗模式的高性能ARM9 104MHz CPU，它运行OPENAT操作系统，允许为M2M Studio开发OPENAT，并提供超过16MIPS的操作速度。此设计构建FAT32文件系统，并通过二次开发功能播放音频文件。
语音查询对存储模块的要求很高。存储模块选用W25Q128BV，它是一个串行闪存，分为65,536个可编程页面，每个256字节。
SHT10被选为温湿度传感器。它由高性能温湿度测量装置，14位A / D转换器和串行接口电路组成。具有反应快、抗干扰能力强、成本效益好等优点。
图2 系统电路
如图2所示，STM32通过UART连接Q2687，并通过GPIO连接SHT10。Q2687通过SPI连接W25Q128BV。STM32和Q2687之间的UART为115200bps，8位数据位，1位停止位和无奇偶校验位。闪存IC的写保护和保持功能关闭，有一个连接到SHT10数据线的上拉电阻。
4、软件设计
根据硬件设备，系统分为STM32程序设计和Q2687程序设计。STM32程序控制整个系统，实现系统的整体功能，包括控制传感器和Q2687程序。
Q2687程序在Q2687中的ARM9处理器上运行，实现了分析和处理命令并返回处理结果。这些命令包括常用的AT命令和二次开发命令。通用AT命令是存储工厂命令，它们实现了呼叫，发送消息，应答呼叫等功能。二次开发指令根据SIERRA公司提供的API函数根据项目进行功能。该设计开发了许多二次开发命令，如文件系统管理命令，音频文件播放命令等。
为了实现其功能，STM32程序控制传感器测量温度和湿度，并首先检查结果。如果测量结果超过阈值，则STM32发送命令“ATD ****”（“****”是电话号码）进行呼叫并发送命令“AT DTU = PLAY，2，*。PCM”（ * .PCM是音频文件的名称）根据测量结果播放音频文件，系统将等待完成播放，然后挂断电话。最后，系统变成环的测量和判断循环。如果正在响铃，Q2687会发送字符串“RING”来显示它正在响铃。STM32将发送“ATA”连接呼叫，并根据测量结果发送“AT DTU = PLAY，2，*。PCM”播放语音，播放完成后，STM32发出命令挂断电话。最后，系统变成测量循环。程序流程图如图3所示：
图3 软件流程图
4.1 STM32程序流程
首先，系统初始化。然后系统控制传感器测量并等待返回的测量结果，判断结果是否超过阈值。如果是，则系统向Q2687发送命令来呼叫特定的电话并播放测量结果的声音，然后系统挂起，变成测量循环。如果没有，系统将变成测量循环。如果正在响铃，则将发送命令连接呼叫并控制Q2687播放最后的测量结果，然后挂起进入循环。
4.2 Q2687程序流程
Q2687的初始化后，将进入等待命令的状态。如果从STM32接收到命令，它将变成分析命令的状态。如果命令有效，它将处理命令并将结果返回给STM32。
4.3 播放声音
在FLASH中存储音频文件，例如“0.pcm”...“9.pcm”，数字0〜9。当系统播放声音时，STM32将测量结果字符串切换成字符，并将其转换为正确的文件名。例如，如果数字为1，则转换文件名称为“1.pcm”。然后使用二次开发命令“AT DTU = PLAY，2,1.PCM”播放存储在FLASH中的音频文件。播放下一个字符后，播放。重复这些操作，可以将特定手机的测量结果成功播放。
5、性能验证
RTU照片如图4所示。RTU的体积为157mm*100mm*1.8mm，待机功率为500mV，通信功率为750mV（STM32使所有外设全速工作）。为了验证系统的性能，本设计测试了系统的兼容性，实用性和准确性。
（1）兼容性测试：用中国移动网络或中国联通网络呼叫RTU，测试RTU的连接，断开连接，语音播放和数据收集是否正确。
（2）实用性测试：将RTU置于不同的信号覆盖强度室，并呼叫RTU唤醒。测试播放声音是否清晰。最终语音在强大的信号室中播放清晰。
（3）精度测试：将RTU和PC与UART连接，然后调用RTU。比较听到的结果和从UART接收的结果。结果表明它们是一致的。测试显示系统满足要求。但有时播放声音时会产生噪音，因为嵌入式系统在音频处理方面受到限制，音频文件质量不好。
图4 照片
6、结论
该平台结合了嵌入式系统和移动通信模块，实现了查询温湿度测量功能，语音功能和报警功能。该平台没有后台服务器系统，测试了本系统的兼容性，实用性和准确性，结果表明该平台符合要求。
该平台具有体积小，成本低，功耗低，组装利用简单等优点。该设计具有良好的可变性和可扩展性，可以方便地测量其他环境参数，系统还可以更新到IOT技术和嵌入式技术的实验和培训平台，因此具有很高的应用价值。
致谢：广东省科技攻关项目2011B020401011和广州市科技攻关项目2010J - D00291。
参考
1. Sun，Q.B.，Liu，J.，Li，S.，Fan，C.X .:物联网：概念概念，架构和关键技术问题。北京邮电大学学报33（2），1-9（2010）
2. Iera，A.，Floerkemeier，C.，Mitsugi，J.，Morabito，G .:物联网。无线通信学报17（6），8-9（2010）
3.沉，B.，张，G.Q.，王先生，魏伟，D .:建筑设备物联网管理系统的发展。 In：3rd International Conference on Communication Software and Networks，pp。423-427（2011）
4. Hameed，B.，Khan，I.，Duuml;rrF.，Rothermel，K .:基于RFID的一致性管理框架，用于智能实时工厂的生产监控。在：物联网（IOT），第1-8页（2010）
5. Jara，A.J.，Zamora，M.A.，Skarmeta，A.F.G .: An Architecture Based on Internet of Things to Support Mobility and Security in Medical Environments。 In：7th IEEE International Conference on Consumer Communications and Networking Conference，pp。 1-5（2010）
6. Rafieee，M.S.，Jafari，S.，Ahmadi，H.S.，Jafari，M .:对于语音应用语言识别的注意事项。In：13th International Conference on Computer Modeling and Simulation，pp。304-309（2011）
7. Foschini，L.，Taleb，T.，Corradi，A.，Bottazzi，D .: M2M-based metropolitan platform for IMS-capable road traffic management in IoT。通讯学报49（11），50-57（2011）
8. Mitsui，H.，Kambe，H.，Koizumi，H .:通过实施传感器网络系统学习基本M2M技术的学生实验。在第9届信息技术高等教育与培训国际会议上，第268-275页（2010）
9. http://www.arm.com/files/pdf/IntroToCortex-M3.pdf
10.https://www.sierrawireless.com
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