??? 摘 要： 針對傳感器網(wǎng)絡(luò)" title="無線傳感器網(wǎng)絡(luò)">無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在語音方面的應(yīng)用進(jìn)行深入研究，提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的語音通信" title="語音通信">語音通信系統(tǒng)。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作原理和節(jié)點(diǎn)體系架構(gòu)，設(shè)計了以嵌入式處理器MPC2194為核心，結(jié)合無線收發(fā)器CC1000、語音采集編碼芯片CMX649以及存儲芯片、電源等外圍電路構(gòu)建的語音無線傳感器節(jié)點(diǎn)" title="傳感器節(jié)點(diǎn)">傳感器節(jié)點(diǎn)。重點(diǎn)討論了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬軟件設(shè)計和協(xié)議棧開發(fā)等關(guān)鍵問題。并通過實(shí)驗選擇優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量語音通信。
??? 關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)? 語音監(jiān)測? 無線通信? 智能信息處理
?
??? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無線通信技術(shù)，能夠協(xié)作地實(shí)時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對其進(jìn)行處理后傳送到所需信息的終端用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景非常廣闊，可廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測、城市交通等領(lǐng)域[1-3]。
??? 具有語音通信的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將突破傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò),即僅對區(qū)域環(huán)境的溫度或震動等信息的簡單監(jiān)測，可實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域中的音頻信息的采集和監(jiān)控。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可廣泛應(yīng)用于大型醫(yī)院病區(qū)護(hù)理、醫(yī)療急救以及大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等領(lǐng)域。
??? 目前對實(shí)現(xiàn)語音通信的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和應(yīng)用都較少，本文正是針對基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的語音通信系統(tǒng)" title="通信系統(tǒng)">通信系統(tǒng)開展深入研究，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和協(xié)議棧開發(fā)等方面進(jìn)行全面設(shè)計。系統(tǒng)以嵌入式處理器為核心，結(jié)合語音、射頻接口以及電源等外圍電路實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的語音通信系統(tǒng)。并通過實(shí)驗優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量語音通信。
1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)語音通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
??? 本文提出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)語音系統(tǒng)由五個子系統(tǒng)構(gòu)成：語音信息采集子系統(tǒng)、本地存儲子系統(tǒng)、無線通信子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)融合子系統(tǒng)和分析決策系統(tǒng)。其中，前四個子系統(tǒng)集成在語音傳感器節(jié)點(diǎn)中，而分析決策系統(tǒng)則為軟決策系統(tǒng)，由用戶根據(jù)應(yīng)用制定。系統(tǒng)功能如圖1所示。
?
??? 語音信息采集子系統(tǒng)包括語音采集模塊和語音編碼模塊。語音采集模塊實(shí)現(xiàn)對原始語音信息的采集，并通過語音編碼模塊實(shí)現(xiàn)高保真的語音壓縮，形成可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。
??? 數(shù)據(jù)信息則通過傳感器節(jié)點(diǎn)的通信子系統(tǒng)以多跳形式匯聚給Sink節(jié)點(diǎn)，其中傳輸方式及路徑選擇將由分析決策系統(tǒng)控制。同時，在事件密集發(fā)生過程中，可通過本地存儲模塊對后續(xù)語音進(jìn)程進(jìn)行緩存，并由分析決策系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)分時分級多路徑傳輸[4]。
??? 與傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)并低速傳遞不同，語音監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中需要傳遞大量的數(shù)據(jù)信息，為此可運(yùn)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)減少冗余數(shù)據(jù)量，有效節(jié)省網(wǎng)絡(luò)通信和能量資源，提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能。
??? 本系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合模塊所采用的融合策略由上層分析決策系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用所制定，當(dāng)多節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)上報時，可在中繼節(jié)點(diǎn)中運(yùn)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)語音數(shù)據(jù)多級壓縮，以減少冗余信息。在單一節(jié)點(diǎn)本地存儲模塊內(nèi)部也可實(shí)現(xiàn)對某時段內(nèi)相似信息的數(shù)據(jù)融合，減少傳輸數(shù)據(jù)量，從而節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量，延長生命周期。同時數(shù)據(jù)融合技術(shù)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部對錯誤信息的剔出和校正，提高信息的有效性和正確性。
2 語音無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件開發(fā)
??? 語音無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能包括對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的音頻信息采集、網(wǎng)絡(luò)自組、數(shù)據(jù)匯報、自身電量監(jiān)控等，傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)由處理控制器、語音采集模塊、電源模塊、射頻模塊以及本地監(jiān)控電路等組成，如圖2所示。
?
??? 微處理器作為無線傳感器節(jié)點(diǎn)的計算核心，所有的設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、能量計算、功能協(xié)調(diào)、通信協(xié)議" title="通信協(xié)議">通信協(xié)議、數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)存儲都將在這個模塊的支持下完成， 所以處理器的選擇在傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計中至關(guān)重要。針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用，它應(yīng)該滿足以下要求: 體積小、集成度高、功耗低（支持睡眠模式）、運(yùn)行速度快、有足夠的GPIO和通信接口、可擴(kuò)展大容量的存儲器、成本低、有安全保證等。目前傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計中，使用較多的MCU有Atmel 公司的AVR單片機(jī)和TI 公司的 MSP430超低功耗系列8位微處理器。
??? 同時，由于在傳感器網(wǎng)絡(luò)語音通信系統(tǒng)中，需要較高的采樣速率以及較大的處理存儲空間以處理比數(shù)據(jù)容量大得多的語音信息，若選取傳統(tǒng)的8位處理器，MCU的速度與外圍器件的速度將會產(chǎn)生相互限制的瓶頸問題。此外，考慮到系統(tǒng)日后的升級，因此本設(shè)計選用ARM嵌入式芯片。ARM處理器其低端產(chǎn)品價格便宜、功耗極低， 并且有相當(dāng)高的集成度、極快的處理速度以及可觀的地址空間， 是需要大量內(nèi)存、外存以及高數(shù)據(jù)吞吐率和處理能力的新一代傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處理器的理想選擇。本文選擇Philips公司的LPC2194作為處理器，結(jié)合語音采集模塊和無線收發(fā)模塊，設(shè)計了具有語音通信功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)微型節(jié)點(diǎn)。
2.1 微處理器電路
??? LPC2194微處理器基于支持實(shí)時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STM CPU，并帶有256KB的嵌入的高速Flash存儲器、128位寬度的存儲器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)，使32位代碼能夠在最大時鐘速率(60Hz)下運(yùn)行。在系統(tǒng)設(shè)計中，由于采用對代碼規(guī)模嚴(yán)格控制的技術(shù)(將代碼規(guī)模降低超過30%)以及使用16位Thumb模式，提高了系統(tǒng)效率。在無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計中，充分利用LPC2194快速的處理速度，通過高效SPI接口與射頻芯片CC1000通信，同時模擬C-BUS通信時序與CMX649通信。由于LPC2194內(nèi)部存儲空間只有256KB，因此在外部擴(kuò)展了一個4MB的Flash存儲器，以存儲部分程序，并可實(shí)現(xiàn)對語音數(shù)據(jù)的本地緩存。
2.2 語音信號采集電路
??? 語音信號采集與處理電路采用CMX649語音編碼芯片應(yīng)用電路以及前置放大濾波電路。CMX649芯片支持CVSD語音編碼調(diào)制，提供全雙工的ADM(CVSD)、μ-律、A-律和線性PCM編碼。CMX649內(nèi)部集成的數(shù)字?jǐn)_頻器可在一定程度上增強(qiáng)通信的安全性，并降低不規(guī)則的連續(xù)“1”或“0”的出現(xiàn)概率。
??? 本系統(tǒng)設(shè)計中，模擬語音由MIC+、MIC-/AUDIO OUT引腳輸入/輸出，經(jīng)過CMX649內(nèi)部編譯碼器進(jìn)行語音編/譯碼及濾波；CMX649通過C-BUS總線接口與LPC2194進(jìn)行通信傳輸控制數(shù)據(jù)，TX DATA、RX DATA引腳傳輸編/譯碼數(shù)據(jù)；采用CVSD編碼方式，16Kb/s采樣速率，對于功率的控制、編/譯碼的相關(guān)算法以及其他的一些功能參數(shù)的配置均通過CMX649寄存器進(jìn)行。
2.3 射頻模塊
??? 考慮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的開放性，射頻芯片采用Chipcon AS公司推出的基于Smart RF技術(shù)的射頻收發(fā)器CC1000。該芯片只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC1000工作的標(biāo)準(zhǔn)頻段有四種：315MHz、433MHz、868MHz、915MHz，同時它能夠通過簡單的串行接口程序控制工作于300MHz～1000MHz頻段上。
??? 在本系統(tǒng)設(shè)計中，CC1000工作在433MHz的頻段上，傳輸波特率最大可達(dá)76.8Kb/s。LPC2194通過3-wire接口對CC1000編程，使CC1000在實(shí)際工作中可采用不同的工作模式。經(jīng)測試，系統(tǒng)在100m的傳輸范圍內(nèi)具有良好的語音通話效果，而最大傳輸通信范圍可達(dá)300m。
2.4 電源電路
??? 電源管理包括穩(wěn)壓電路、電平轉(zhuǎn)換電路以及開關(guān)電路，為系統(tǒng)提供不同芯片的工作電壓，保證整個系統(tǒng)穩(wěn)定工作。同時，必須對電源(電池)進(jìn)行監(jiān)測，一旦供電不足，應(yīng)直接向用戶報警。為了保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定，對于供電電源應(yīng)采用必要的抗干擾措施，如電源濾波，變壓器初、次級屏蔽隔離等。
3 傳感器網(wǎng)絡(luò)語音通信系統(tǒng)軟件開發(fā)
3.1 CVSD語音編碼算法
?? ?在語音通信發(fā)展中，無線語音通信一直是主要的通信方式，而且其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。目前，在語音編碼領(lǐng)域中，應(yīng)用較廣泛的技術(shù)有脈沖編碼調(diào)制（PCM）、自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）、自適應(yīng)增量調(diào)制（ADM）等。ADM編碼由于在傳輸有誤碼的情況下仍能保持良好的語音品質(zhì)，使其成為無線語音應(yīng)用中理想的編碼調(diào)制方案之一。而連續(xù)可變斜率增量調(diào)制（CVSD）作為ADM的一種形式，以應(yīng)用難度低、低成本、較低的采樣頻率獲得較好的語音質(zhì)量等優(yōu)勢，得到了廣泛的應(yīng)用。
??? 圖3為CVSD的編碼器結(jié)構(gòu)。編碼時輸入的語音信號和積分器的輸出信號經(jīng)比較器比較后輸出一個偏差信號，該偏差信號被送到量化器Q。量化器輸出的數(shù)字信號反映了偏差信號的極性，即語音信號的數(shù)字編碼；同時該信號也作為積分器輸出斜率的極性控制信號和積分器輸出斜率大小邏輯的輸入信號。反饋鏈路上設(shè)置的延遲模塊Z-1是將量化器當(dāng)前的輸出值與之前的若干輸出值進(jìn)行比較，當(dāng)量化結(jié)果出現(xiàn)有三個連續(xù)的“1”或 “0”時，即比較器檢測出滿足斜率過載的條件時，編碼器將通過可編程步長控制模塊調(diào)節(jié)量化步長，以更好地跟蹤輸入的模擬信號。另外，反饋回路上設(shè)置有兩個積分器，它們與CVSD編碼相結(jié)合可以提供優(yōu)良的語音質(zhì)量[5]。
?
?? 圖4為CVSD的譯碼器結(jié)構(gòu)。與編碼器結(jié)構(gòu)類似但過程相反。等級映射轉(zhuǎn)換器L的輸出與積分器的輸出相結(jié)合，就得到譯碼結(jié)果。延遲模塊用來測試比較最近若干次的編碼量化結(jié)果，當(dāng)量化結(jié)果出現(xiàn)三個連續(xù)的“1”或“0”而達(dá)到斜率過載條件時，則譯碼器也通過可編程步長控制模塊調(diào)節(jié)量化步長的值。
?
3.2 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議研究
??? 在系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計中，WSN網(wǎng)絡(luò)采用分層通信協(xié)議，由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層構(gòu)成，并通過能量管理平臺和任務(wù)平臺實(shí)現(xiàn)對各層協(xié)議的有效控制，形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的連通拓?fù)鋱D結(jié)構(gòu)。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。
?
??? 任務(wù)管理平臺和能量管理平臺為整個通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)提供有效的控制和管理?；谙氯龑油ㄐ艆f(xié)議的良好基礎(chǔ)，本文設(shè)計了實(shí)現(xiàn)語音通信的應(yīng)用層協(xié)議。通過應(yīng)用層協(xié)議可實(shí)現(xiàn)槽節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)的雙向可靠語音數(shù)據(jù)傳輸以及網(wǎng)絡(luò)管理所必須的控制信息傳遞。同時，本系統(tǒng)還完成了槽節(jié)點(diǎn)與用戶PC機(jī)的交互通信設(shè)計，以實(shí)現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的獲取和分析。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀格式如圖6所示。
?
??? 由于語音傳輸對實(shí)時性的要求較高，而對于傳輸過程中出現(xiàn)的短暫的丟包以及錯誤又都是可以允許的，所以傳統(tǒng)的可靠傳輸控制協(xié)議對于語音傳輸并不完全適用。因此本系統(tǒng)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架設(shè)計，設(shè)計中選用一次握手、多個數(shù)據(jù)連續(xù)通信的不可靠數(shù)據(jù)報傳送協(xié)議傳送語音數(shù)據(jù)。
4 性能測試分析
??? 性能測試主要是對本系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測試，觀察語音通信音質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)（延遲、抖動和丟包率）。這是因為：（1）若在語音無線傳輸中存在過長的延遲,將使接收方無法得到連貫的語音信息。（2）由于抖動而造成的數(shù)據(jù)包的倒序和亂序,將對話音回放的質(zhì)量有很大影響，降低音質(zhì)。（3）丟包是影響話音音質(zhì)最嚴(yán)重的因素，通過試驗證實(shí),當(dāng)丟包率小于5%時，語音通信基本不受影響;而當(dāng)丟包率大于20%時，接收方將完全無法得到正確的語音信息。
??? 本設(shè)計在保持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相同的情況下，動態(tài)地調(diào)整節(jié)點(diǎn)中緩沖區(qū)的大小，在相同采樣率下觀察語音通信音質(zhì)效果如表1所示。由表1可知，傳感器節(jié)點(diǎn)中的緩沖區(qū)大小設(shè)置對音質(zhì)具有關(guān)鍵影響作用。在相同采樣率下，緩沖區(qū)越大，語音音質(zhì)越清楚，但是經(jīng)過多跳傳輸后延遲也越大。若緩沖區(qū)設(shè)置過大，則帶來過長的延遲而使語音音質(zhì)下降。另一方面，隨著設(shè)置緩沖區(qū)減小，傳輸延遲明顯減小，但是音質(zhì)將受到損失。這是因為在中繼節(jié)點(diǎn)上的較小緩沖區(qū)無法完全暫存大量語音數(shù)據(jù)包，將自動丟棄部分?jǐn)?shù)據(jù)包，從而影響語音音質(zhì)。通過實(shí)驗，系統(tǒng)選取緩沖區(qū)大小為1 500B，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量語音通信。
?
??? 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的語音通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對環(huán)境的音頻的可靠監(jiān)測。系統(tǒng)充分利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織網(wǎng)絡(luò)和語音傳輸能力，以嵌入式處理器為核心，結(jié)合語音、射頻接口以及電源等外圍電路實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)語音通信系統(tǒng)。通過實(shí)驗選擇優(yōu)化的傳感器節(jié)點(diǎn)的緩沖區(qū)大小，從而實(shí)現(xiàn)低延遲、低延時抖動、低丟包率的高音質(zhì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)語音通信。
參考文獻(xiàn)
[1]?AKYILDIZ I F, SANKARASUBRAMANIAM W S Y, CAYIRCI E, et al. Wireless sensor networks: a survey[J],Computer Networks, 2002,38(4):393-422.
[2] ?李建中，李金寶，石勝飛.傳感器網(wǎng)絡(luò)及其數(shù)據(jù)管理的概念、問題與進(jìn)展[J].軟件學(xué)報，2003,14(10):1717-1725.
[3] ?孫雨耕，張靜，孫永進(jìn)，等. 無線自組傳感器網(wǎng)絡(luò)[J],傳感技術(shù)學(xué)報, 2004,22(2):331-335.
[4] ?ARICI T, ALTUNBASAK Y. Adaptive sensing for environment monitoring using wireless sensor networks[J].Wireless Communication and Networking Conference, 2004:2347-2352.
[5] ?郭秋平，項 杰.基于嵌入式系統(tǒng)的CVSD語音編碼器的實(shí)現(xiàn)[J].計算機(jī)工程，2006,32(16):213-214;242.