基于无线传感器网络的语音传输系统设计

1、基于无线传感器网络的语音传输系统设计李晓,黄河,孟祥中国矿业大学信息与电气工程学院,徐州 (211008E-mail:cumtlixiao摘要:目前对无线传感器网络实现语音通信的研究和应用都较少,本文正是针对无线传感器网络的语音通信系统开展研究,利用凌阳单片机SPCE061A和ZigBee模块CC2430组成无线传感器节点来构建语音无线传感器节点,从系统结构、硬件设计、软件设计等方面进行全面设计,实现了基于无线传感器网络的语音通信系统。关键词:无线传感器网络;语音传输;SPCE061A;CC2430中图分类号:TP212.91. 引言无线传感器网络3(Wireless Sensor Netwo

2、rk,WSN就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,其目的是协作和感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发送给观察者。具有语音通信的无线传感器网络将突破传统传感器网络,即不仅对区域环境的温度或震动等信息进行简单监测,还可实现对监测区域中的音频信息进行采集和监控。系统的实现可广泛应用于大型医院病区护理、医疗急救以及大型工业园区的安全监测等领域。本系统得益于凌阳SPCE061A 的语音信号实时采集和优良的处理能力,以及集高效8051内核和高性能射频收发器核心于一体的CC2430芯片,使所设计的无线传感器节点具有良好的语音通信能

3、力,能完整地还原经无线传输的语音信号。2. 系统总体设计为了实现基于无线传感器网络的语音传输系统,选用了基于ZigBee技术的射频芯片CC2430,以及具有优良语音处理能力的凌阳单片机SPCE061A,因此可将本系统分为语音处理模块和无线模块两部分。语音处理模块的核心是SPCE061A,其主要是对语音信号进行处理发送节点主要是接收语音信号,经数模转换,压缩编码后送到语音模块,接收节点的工作正好与之相反;无线模块的核心是CC2430,其主要是无线收发经凌阳处理后的语音数据流。系统整体结构如图1所示。 图1 系统整体结构图 2.1 基于ZigBee技术的射频芯片CC2430 ZigBee是IEEE

4、 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备。简而言之,ZigBee就是一种便宜的,低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee 采用的是自组织网通信方式,当节点位置移动时,模块还可以通过重新寻找通信对象,确定彼此间的联络,对原有网络进行刷新,这样的特点使ZigBee技术的应用更加广泛。CC24302是一颗真正的系统芯片(SOCCMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2

5、.4GHz ISM波段应用于低成本,低功耗的要求。它结合一个高性能 2.4GHz DSSS(直接序列扩频射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构,在单个芯片上整合了ZigBee 射频(RF前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU(8051,具有128 KB可编程闪存(本节点用的是CC2430-F128和8 KB的RAM,还包含模拟数字转换器(ADC、几个定时器(Timer、AES128协同处理器、看门狗定时器(Watchdog timer、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power On Reset、掉电检测电路(B

6、rown out detection,以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用0.18m CMOS工艺生产,工作时的电流损耗为27mA;在接收和发射模式下,电流损耗分别低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性,特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。2.2 凌阳单片机(SPCE061ASPCE061A 1是凌阳科技推出的一款16位结构的微控制器。在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能,SPCE061A里只内嵌32K字的闪存(FLASH。较高的处理速度使,nSP能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此, SPCE061A

7、微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。凌阳语音信号数据的压缩(1 压缩分类凌阳音频压缩算法根据不同的压缩比分为以下几种:¾SACM-A2000:压缩比为8:1,8:1.25,8:1.5¾SACM-S480:压缩比为80:3,80:4.5¾SACM-S240:压缩比为80:1.5¾按音质排序:A2000>S480>S240(2 凌阳常用的音频形式和压缩算法波形编码:sub-band,即SACM-A2000。其特点是:高质量、高码率,适于高保真语音或音乐。参数编码:声码器模型表达,抽取参数与激励信号进行编码,如:SACM-S

8、240。其特点是:压缩比大,计算量大,音质不高,廉价。混合编码:CELP,即SACM-S480。其特点是:综合参数和波形编码之优点。除此之外,还具有FM音乐合成方式即SACM-MS01。表1所列出的是凌阳音频的几种算法:表1 SACM-lib 库中模块及其算法类型对于语音处理可以分为A/D 、编码处理、存储、解码处理以及D/A 等。凌阳提供了SACM-LIB ,该库将A/D 、编码、解码、存储及D/A 做成相应的模块,对于每个模块都有其应用程序接口API ,我们只需了解每个模块所要实现的功能及其参数的内容,然后调用相应的API 函数即可实现该功能。 3.语音无线传感器网络节点设计为了实现本系统

9、,本节将从软硬件两个方面入手对语音无线传感器网络节点的实现进行介绍。本节主要介绍语音无线传感器网络节点的软硬件电路设计。从本模块设计的整体结构图可以看出所设计的节点具体分为语音处理模块和无线模块两部分,发送节点与接收节点的硬件电路基本是相同的,主要是利用软件编程实现发送端与接收端的不同功能。下面将具体介绍系统软硬件的设计。3.1 节点硬件设计从系统整体结构图可以看出要设计的发送端与接收端节点的硬件设计是基本相同的。语音模块的硬件电路主要包括凌阳单片机的最小系统、电源模块、语音输入模块(MIC 、语音播放模块(DAC 、晶振、锁相环、复位电路等;无线传输模块的硬件电路主要包括CC2430的最小系

10、统、电源模块、天线等。两单片机通过串口5进行通信,即凌阳的IOB10(TX、 IOB7(RX 、GND 分别与CC2430的P1.7(RX 、P1.6(TX 、GND 相连,这里对于CC2430用到的是UART1。 图2串口通信3.2 节点软件设计 要实现本系统,在软件方面的工作量比较大,主要是设计发送与接收节点的控制程序,分别为初始化程序、语音的采集与播放程序、串口中断程序和发送(接收程序,这里面又包括了音频采样率的选择,通信波特率的设定等细节上的工作。首先对于无线模块,主要工作是对CC2430编程,使其实现无线的收发及串口传输数据的功能,编程的思路是利用串口中断从串口接收数据,并将接收到的

11、数据放入一个固定长度模块名称(Model-Index语音压缩编码率类型 资料采样率 SACM_A200016Kbit/s ,20 Kbit/s ,24 Kbit/s 16KHz SACM_S480/S720 4.8 Kbit/s ,7.2 Kbit/s 16KHzSACM_S240 2.4 Kbit/s 24KHz SACM_MS01 音乐合成(16Kbits/s ,20 Kbits/s ,24Kbits/s16KHz SACM_DVR(A2000 16 Kbit/s 的资料率,8 K 的采样率,用于ADC 信道录音功能16KHz的数组中,然后将该数组直接写入发送函数中即可实现数据的无线发送,

12、在接收端就是将接收到的数据放入数组中,串口是一个循环发送的过程,将数组中的数据发送出去。其工作过程如图3和图4所示。 图3 发送端无线模块(CC2430工作过程 图4 接收端无线模块(CC2430工作过程 其次是对凌阳单片机SPCE061A的编程,使发送端实现语音的A/D转换及编码工作,将IOA0口设置为带下拉电阻的输入,即KEY1键按下时,IOA0口输入的是高电平,此时,开始执行录音程序,录音采用的是凌阳的音频算法模块SACM_DVR,并采用SACM_A2000的算法,录音时采用16K资料率及8K采样率获取语音资源,经过SACM_A2000压缩后存储起来。该压缩算法压缩比较小(8:1.5,所

13、以具有高质量、高码率的特点,适用于高保真音乐和语音。上述的两个模块都有其应用程序接口(API函数,调用该API函数即可实现语音的采集与压缩功能,凌阳也是通过串口中断来实现数据传输的。接收端实现的方法正好上述发送端的逆过程,这里就不在赘述。其具体工作过程如图5和图6所示。 图5 发送端语音处理模块工作过程 图6 接收端语音处理模块工作过程4. 系统的测试 对系统的性能进行测试,可以从测量系统的误码率入手,作定量的分析,但由于本人能力有限,所以对完成的系统只作定性的判断,即在自由空间中测试距离对通信质量的影响。本次测试的地点为空旷区域,主要的测试工作是将接收节点固定,发送节点在渐渐远离接收节点,在

14、某一距离区间内,可以就语音音质,接收成功率,语音的流畅度等作定性的判断。具体测试信息如下表2。中国科技论文在线 表 2 系统性能测试 通信距离/米 语音质量 525 音质较好 每次都能接收到 且语音较流畅 4 2540 音质一般 每次都能收到但有时会 丢失某一小段语音信息 4050 音质较差 不是每次都能成功接收语 音信息也会出现丢失现象 通过查阅资料 ， 对上述测试效果进行分析： （1） 若在语音无线传输中存在过长的延迟， 将使接收方无法得到连贯的语音信息。 （2）由于抖动而造成的数据包的倒序和乱序,将对话 音回放的质量有很大影响，降低音质。 （3）丢包是影响话音音质最严重的因素，通过查看大

15、 量的资料,发现当丢包率小于 5%时，语音通信基本不受影响；而当丢包率大于 20%时，接收 方将完全无法得到正确的语音信息。 5总结与展望 本课题研究的内容是基于无线传感器网络的语音通信系统， 前面四节的内容都是围绕这 个问题展开论述的。 本系统设计了两个无线传感器网络节点， 因为发送端节点与接收端节点 在硬件设计上是基本相同的， 所以节点上的各个功能模块也是基本相同的。 由于节点设计为 全文的重点内容，因此在这也做了较多的工作：针对 CC2430 的性能参数(带有 8051 精简内 核与模块选择它作为无线通信的模块；由于凌阳 SPCE061A 在语音处理方面的优越性能， 选择它作为语音处理模

16、块。 提出 SPCE061A 与 CC2430 的接口设计， 通过阅读两芯片(CC2430 和 SPCE061A的使用手册，并对其性能进行了分析，决定采用串口通信方式实现两单片机 的数据传输。 本系统的主要实现的是语音的点对点通信，还没有在其中加入组网的概念，所以，系统 整体还有较大的欠缺。 在今后的学习中， 可以通过扩展无线传感器网络上层协议方面的知识， 在系统中植入组网模块。 除此之外， 无线传感器网络要实现延迟限制的服务需要所有活动节 点有严格的时间同步，并尽可能地减少碰撞。这样，才能够保证端对端传输的及时性、网络 吞吐量和网络的生存期。 在系统中我们也可以通过构建无线传感器网络平台来实

17、现在线的语 音采样、编码、包传输和转发。由于在无线传感器网络平台上要进行语音处理、定位和更新 传感器数据等多种应用，所以需要有实时操作系统来对这些应用进行管理，可以选择使用 TinyOS 实时操作系统来管理这些应用。 参考文献 1 卢胜利.基于凌阳 SPCE061A 设计实验平台的专业综合设计教程M.北京:机械工业出版社,2006 年 12 月 2 CC2430 preliminary data sheet (rev.2.0 .TI-Chipcon.2006 3 孙利民,李建中,陈渝.无线传感器网络M.北京:清华大学出版社,2005 4 张志东,孙雨耕,杨挺.基于无线传感器网络的语音通信系统设

18、计与实现J.电子技术应用,2007 年第 11 期:117-120 5 李志威,刘寿强,孟敬.基于 CC2430/CC2431 的无线传感器数据采集的方案研究与设计J.现代计算机,2009 年 7 月,总第 311 期:133-136 6 刘江沙,雷伟,尹酉.基于 CC2430 的串口无线模块的设计J.国外电子元器件,2007 年第 4 期: 47-50 -6- 中国科技论文在线 Design of Voice Transmission System Based on Wireless Sensor Networks Li Xiao，Huang He，Meng Xiang School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Tech