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无线语音告知系统给视障人士带来福音

作者:  时间:2009-09-17 13:40  来源:internet

导论

  据2002年世界卫生组织调查显示,全球有超过一亿六千一百万视障人士[ 1 ] 。视障人士在日常生活中需要记忆室外路标和室内布局,并通过触摸来区分不同的物品(如药品、工具和炊具等),同时,听觉也对他们有很大的帮助。

  通过语音向导,视障人士能判断自己的移动以及估计一个特定物体的位置和间距。尤其是在无线通信技术上的突破,可以使新产品提高语音向导的有效性,以便日常使用。

  无线连接

  本文提出了一种能够为视障人士提供一定程度听觉辅助功能的系统,如语音向导和对象识别。该系统可以基于IEEE ® 802.15.4的无线平台来实现。这个802.15.4无线解决方案的真正优势在于其低功耗的特点,它能延长电池的使用寿命,并减少维修费用。它通过可随身携带的音频硬件和附加用于记录信息的内存来执行听觉辅助功能。该系统是基于802.15.4网络数据传输服务,并具有网络链接质量指示功能,可用来近似估计无线网络中两个节点之间的距离。

  硬件概述

  该系统包括两种类型的设备(装配在目标物体上的设备与个人随身携带的设备),它们可以通过802.15.4无线网络互相通信。这两款设备均基于802.15.4平台,该平台由 S08微控制器( MCU )内核或ARM®微控制器内核加上2.4 GHz的802.15.4射频( RF )收发器组成。

  目标设备的平台必须有独立的音频硬件,它可以只是一个带模拟音频硬件的微控制器,也可以是一个具有足够录音内存和更强处理能力的数字信号处理平台。

  例如,带数字信号处理功能的目标设备可以通过802.15.4无线网络与个人电脑连接,来下载关键信息。然后这些数据可通过文字到语音( TTS )转换模块转换为语音,为视障人士提供信息。为实现这一功能,还需要一个个人设备。

软件概述

  该系统能够在视障人士接近一个目标时发出通知。要做到这一点,该软件必须具有一套系统功能。这里为目标设备和个人设备设计了两种操作模式,分别为配对模式和广播模式。配对模式用于两个设备间的相互识别。

  配对模式适合在室内使用,这是为了确保无线网络的完整性,需要防止区域内其他802.15.4系统对它的干扰。广播模式必须结合专用于设备识别的广播服务,该操作可以用一个基于消息的简单握手协议来实现。通过广播模式,可以部署一个大规模的户外语音告知系统,为视障人士提供听觉辅助方面的服务,如提醒交通灯、道路和人行道标志等。它也可用于大型公共机构室内,如图书馆和医院。广播系统需要一个不间断电源,而且必须满足一些机械和电气设计要求。该系统必须能够过滤其他频谱的射频电波并禁止有害的电子噪声对设系统造成损伤。

  目标设备和个人设备的应用软件程序可以建立在802.15.4媒体访问控制层( MAC )软件库和平台专用驱动模块上。两种设备的应用程序都需要完整的设备MAC软件库[ 3 ] 。完整的设备无信标( FFDNB )软件库包括所有的MAC功能,并要求S08平台提供24.2K字节的代码空间和426字节的内存空间。ARM平台的MAC软件库将被直接放入44K字节的只读存储器中,它包含所有设备媒体访问控制层功能。所有MAC软件库都可以在www.freescale.com下载 [ 3 ] 。而MAC协议栈可在BeeKit ™无线连接工具包中找到,该软件包可以用来生成应用程序框架,包括MAC协议栈和所有Freescale的802.15.4解决方案平台组件。

  个人设备的应用软件可以建立在MAC软件库和软件平台组件之上。软件平台组件包括S08或ARM微控制器的外设驱动程序,以及通用的典型服务,如串行通信,定时器和非易失性存储等功能。它们还必须具有所有硬件平台通用的API接口。驱动和平台组件也可作为专用微控制器项目的一部分和802.15.4软件解决方案一起发布。

在使用MAC协议栈和平台组件之前,必须调用初始化程序。应用程序的主要任务是在预定的时间发送消息来通知目标设备。广播消息的发送间隔必须足够短,以涵盖个人能做到的最快移动。为了确保这一点,时间间隔应小于0.1秒。然而,时间间隔越小,消耗的功率会越多。所以选择适当的时间间隔可以用来管理功耗。当大于该间隔时,不能收到任何确认消息,而小于该间隔则能收到。

广播消息使用数据请求服务来发送。802.15.4的MAC层有长地址和短地址的数据传输模式。除了设备地址外,个人区域网络ID (PANID)必须指定数据服务的参数。广播消息发送时使用0xFFFF作为PANID和短地址的值。发出广播消息后,系统会立即进入一个低功耗模式,以延长电池寿命,并在一段时间后退出该模式。或不使用定时的低功耗模式,而在个人设备中加入一个运动传感器,只有当该设备必须向另一设备广播消息时,才将其从低功耗模式下唤醒。因此当人不动或不携带该设备时,这项功能可以用来节省电池能量。在图3中 ,代表这一功能的模块用虚线框标出。

  使用白皮书《实时通信的超低功耗无线设计》里的实验数据,可在系统的设计阶段就估计出电池的使用寿命。(可在www.freescale.com[ 4 ]搜索 “ultra-low-power wireless design”来找到 ) 。实验设置包括一套16引脚的8位微控制器MC9S08QG8演示板,三轴加速度计MMA7260QT和支持三种功率模式的802.15.4 收发器MC13191 ,这三种功率模式可通过功率软件库在应用程序中进行设置。白皮书列举了每个板载组件在不同功率模式下的耗电量,并编号量化。使用白皮书中的电池寿命与每秒数据包个数关系图,可为个人设备或目标设备估计电池寿命。例如,如果该设备每秒发送5个广播包,电池寿命约为25天。选用了合适的时间间隔后,该系统的电池寿命就取决于设备的功率模式。

  目标设备的软件还必须使用 802.15.4协议的MAC库和平台组件。平台启动后,前两步工作就是MAC协议栈和平台的初始化。

应用程序必须能够检测到广播消息的接收。程序的下一步通过配对机制会有多种选择。如果使用了配对模式,并且设备间已经配对,则应用程序必须计算设备之间的距离。距离的计算可通过数据传输的链接质量指标( LQI )来实现。

 飞思卡尔已发表了一份应用笔记 《MC1319x Range Performance》[ 2 ] ,文中对收发器功耗和两个802.15.4设备之间距离的关系做了详细的研究。具体文档可在www.freescale.com 上下载(可搜索“ AN2902 ” ) 。 如果间距低于预定的接近距离,该设备必须发出代表目标的特定声音。如果使用单一的声音来通知对方,如蜂鸣器的声音,则可以使用一个常规后台驱动程序和一个由BeeKit无线连接工具包生成的应用程序框架来实现 [ 3 ] 。如果这个平台还带录音和语音复述功能,则还必须包含用来与DSP平台通信的附加软件模块。


参考书目

  [1] Magnitude and causes of visual impairment (WorldHealth Organization), www.who.int/mediacentre/factsheets/fs282/en/

  [2] AN2902 MC1319x Range Performance Application Note

  [3] BeeKit Wireless Connectivity Toolkit, www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=BEEKIT_WIRELESS_CONNECTIVITY_TOOLKIT&fsrch=1

  [4] Ultra-Low-Power Wireless Designs for Real-TimeCommunication, www.freescale.com/webapp/sps/site/overview.jsp?code=784_LPBBLWPWRWRLSS&fsrch=1

  [5] MC1321x Technical Data Document

  [6] MC1322x Product Preview Document

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