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1、基于无线传感器网络的语音通信系统设计与实现张志东k 2，孙雨耕1，杨挺1(1 天津大学电气与自动化工程学院，天津3 0 0 0 7 2；2 天津市电力公司电力通信分公司，天津3 0 0 0 l O)爿=摘要：针对无线传感器网络在语音方面的应用进行深入研究，提出一种基于无线传感器网络的语音通信系统。根据无线传感器网络工作原理和节点体系架构，设计了以嵌入式处理器M P C 2 1 9 4 为核心，结合无线收发器C C l 0 0 0、语音采集编码芯片C M X 6 4 9 以及存储芯片、电源等外围电路构建的语音无线传感器节点。重点讨论了系统结构、硬软件设计和协议栈开发等关键问题。并通过实验选择优化
2、系统参数。从而实现高质量语音通信。关键词：无线传感器网络语音监测无线通信智能信息处理D e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fV o i c ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kZ H A N GZ h iD o n 9 1 一，S U NY uG e n 9 1，Y A N GT i n 9 1(1 S c h o o lo fE l e c t r i c a la n dA u t o m a t i
3、 o nE n g i n e e r i n g，T i a n j i nU n i v e r s i t y，T i a n j i n3 0 0 0 7 2，C h i n a；2 E l e c t r i cP o w e rC o m m u n i c a t i o nS u b s i d i a r yC o m p a n y，T i a n j i nE l e c t r i cP 0 w e rC o r p o m t i D n，T i a n j i n3 0 0 0 1 0，C h i n a)A b S t r a C t：A i m i n g 砒t
4、 l l ea p p l i c a t i o no f w i r e l e 8 ss e n s o rn e t w o r ki nv o i c ec o m m u n i c a t i o n，t h i sp a p e rp r o p o s e daW S N b a s e dv o i c ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m B a s e do na n a l y s i so fa r c h i t e c t u r ea n d、v o r k i n gp r i n c i p l eo fW S N，a
5、n o d ew h i c ha d o p t e de m b e d d e dp r o c e s s o rM P C 2 1 9 4a sM C U，R Fc h i pC C l 0 0 0，c o d e cC M X 6 4 9a n ds t o I a g ec o r e、p o w e rc i r c u i ta sp e r i p h e r a le q u i p m e n t sw a si n t m d u c e d T h ed e s i g no fs y s t e ms t r u c t u r e，h a r d w a r e
6、，s o f t w a r ea n dp r o t o c o l sw a sd i s c u s s e di nd e t a i l T h es y s t e mp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e dt h r o u g he x p e r i m e n t s，s oa st oa c h i e v eh i g h q u a l i t ys p e e c hc o m m u n i c a t i o n K e yw O r d s：埘r e 王e s ss e n s o rn e t w o r k；
7、s p e e c hm o n i t o r i n g；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n；i n t e l l i g e mi n f 0 珊a i o np r o c e s s i n g无线传感器网络综合传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理后传送到所需信息的终端用户。无线传感器网络应用前景非常广阔，可广泛应用于军事、环境监测、城市交通等领域【1-3 1。具有语音通信的无线传感器网络将突破传统传感器网络，即仅对区域环境的温度或震动等信息
8、的简单监测，可实现对监测区域中的音频信息的采集和监控。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。目前对实现语音通信的无线传感器网络的研究和应用都较少，本文正是针对基于无线传感器网络的语音通信系统开展深入研究，从系统结构、硬件设计、软件设计和协议栈开发等方面进行全面设计。系统以嵌入式处理器为核心，结合语音、射频接口以及电源等外围电路实现无线传感器网络的语音通信系统。并通过实验优化系统参数，从而实现高质量语音通信。1 无线传感器网络语音通信系统结构本文提出的无线传感器网络语音系统由五个子系统构成：语音信息采集子系统、本地存储子系统、无线通信子系统、数据融合子
9、系统和分析决策系统。其中，前四个子系统集成在语音传感器节点中，而分析决策系统则为软决策系统，由用户根据应用制定。系统功能如图1所示。语音信息采集子系统包括语音采集模块和语音编码模块。语音采集模块实现对原始语音信息的采集，并通过语音编码模块实现高保真的语音压缩，形成可传输+教育部博士点基金资助项目(N 0 2 0 0 3 0 0 5 6 0 0 7)，中国博士后科学基金资助项目(2 0 0 6 0 4 0 0 1 8)的数据信息。电子技术应用2 0 0 7 年第1 1 期欢迎订购电子技术应用2 0 0 2 0 0 6 年合订光盘(0 1 0-8 2 3 0 6 0 8 4)1 1 7 万方数据图
10、1 语音无线传感器网络系统结构数据信息则通过传感器节点的通信子系统以多跳形式汇聚给S i n k 节点，其中传输方式及路径选择将由分析决策系统控制。同时，在事件密集发生过程中，可通过本地存储模块对后续语音进程进行缓存，并由分析决策系统控制，实现分时分级多路径传输 4】。与传统的无线传感器网络采集环境监测数据并低速传递不同，语音监测无线传感器网络应用中需要传递大量的数据信息，为此可运用数据融合技术减少冗余数据量，有效节省网络通信和能量资源，提高网络运行性能。本系统数据融合模块所采用的融合策略由上层分析决策系统根据应用所制定，当多节点进行数据上报时，可在中继节点中运用数据融合技术实现语音数据多级压
11、缩，以减少冗余信息。在单一节点本地存储模块内部也可实现对某时段内相似信息的数据融合，减少传输数据量，从而节省网络能量，延长生命周期。同时数据融合技术可实现网络内部对错误信息的剔出和校正，提高信息的有效性和正确性。2 语音无线传感器网络节点硬件开发语音无线传感器网络节点功能包括对监测区域内的音频信息采集、网络自组、数据汇报、自身电量监控等，传感器节点结构由处理控制器、语音采集模块、电源模块、射频模块以及本地监控电路等组成，如图2 所示。特殊功能组件基本组件扩展接口图2 传感器节点结构微处理器作为无线传感器节点的计算核心，所有的设备控制、任务调度、能量计算、功能协调、通信协议、数据整合和数据存储都
12、将在这个模块的支持下完成，所以处理器的选择在传感器节点设计中至关重要。针对无线传感器网络实际应用，它应该满足以下要求：体积小、集成度高、功耗低(支持睡眠模式)、运行速度快、有足够的G P l 0 和通信接口、可扩展大容量的存储器、成本低、有安全保证等。目前传感器节点设计中，使用较多的M C U 有A t m e l公司的A V R 单片机和T I 公司的M S P 4 3 0 超低功耗系列8 位微处理器。同时，由于在传感器网络语音通信系统中，需要较高的采样速率以及较大的处理存储空间以处理比数据容量大得多的语音信息，若选取传统的8 位处理器，M C U 的速度与外围器件的速度将会产生相互限制的瓶
13、颈问题。此外，考虑到系统日后的升级，因此本设计选用A R M 嵌入式芯片。A R M 处理器其低端产品价格便宜、功耗极低，并且有相当高的集成度、极快的处理速度以及可观的地址空间，是需要大量内存、外存以及高数据吞吐率和处理能力的新一代传感器网络节点处理器的理想选择。本文选择P h i l i p s 公司的L P C 2 1 9 4 作为处理器，结合语音采集模块和无线收发模块，设计了具有语音通信功能的无线传感器网络微型节点。2 1 微处理器电路L P C 2 1 9 4 微处理器基于支持实时仿真和嵌入式跟踪的1 6，3 2 位A R M 7 T D M I S T MC P U，并带有2 5 6
14、 K B 的嵌入的高速F l a s h 存储器、1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构，使3 2 位代码能够在最大时钟速率(6 0 H z)下运行。在系统设计中，由于采用对代码规模严格控制的技术(将代码规模降低超过3 0)以及使用1 6 位T h u m b模式，提高了系统效率。在无线传感器节点设计中，充分利用L P C 2 1 9 4 快速的处理速度，通过高效S P I 接口与射频芯片C C l 0 0 0 通信，同时模拟C B U S 通信时序与C M X 6 4 9 通信。由于L P C 2 1 9 4 内部存储空间只有2 5 6 K B，因此在外部扩展了一个4 M B 的F
15、l a s h 存储器，以存储部分程序，并可实现对语音数据的本地缓存。2 2 语音信号采集电路语音信号采集与处理电路采用C M X 6 4 9 语音编码芯片应用电路以及前置放大滤波电路。C M X 6 4 9 芯片支持C V S D 语音编码调制，提供全双工的A D M(C V S D)、斗一律、A 一律和线性P C M 编码。C M X“9 内部集成的数字扰频器可在一定程度上增强通信的安全性，并降低不规则的连续“1”或“O”的出现概率。本系统设计中，模拟语音由M I C+、M I C 一A U D l 0O U T引脚输入输出，经过C M X 6 4 9 内部编译码器进行语音编，译码及滤波；
16、C M X 6 4 9 通过C B U S 总线接口与L P C 2 1 9 4进行通信传输控制数据，T XD A T A、R XD A T A 引脚传输编译码数据；采用C V S D 编码方式，1 6 K b，s 采样速率，对于功率的控制、编，译码的相关算法以及其他的一些功能参数的配置均通过C M X 6 4 9 寄存器进行。1 1 8欢迎网上投稿w w w a e t n e t c nw w w a e t n e t c o m c n电子技术应用2 0 0 7 年第1 1 期 万方数据2 3 射频模块考虑无线传感器网络协议栈的开放性，射频芯片采用C h i p c o nA S 公司
17、推出的基于S m 耐R F 技术的射频收发器C C l 0 0 0。该芯片只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。C C l 0 0 0 工作的标准频段有四种：3 1 5 M H z、4 3 3 M H z、8 6 8 M H z、9 1 5 M H z，同时它能够通过简单的串行接口程序控制工作于3 0 0 M H z 1 0 0 0 M H z 频段上。在本系统设计中，C C l 0 0 0 工作在4 3 3 M H z 的频段上，传输波特率最大可达7 6 8 K b s。L P C 2 1 9 4 通过3 一w i r e接口对C C l 0 0 0 编程，使C C l 0 0 0 在实际
18、工作中可采用不同的工作模式。经测试，系统在1 0 0 m 的传输范围内具有良好的语音通话效果，而最大传输通信范围可达3 0 0 m。2 4 电源电路电源管理包括稳压电路、电平转换电路以及开关电路，为系统提供不同芯片的工作电压，保证整个系统稳定工作。同时，必须对电源(电池)进行监测，一旦供电不足，应直接向用户报警。为了保证系统工作稳定，对于供电电源应采用必要的抗干扰措施，如电源滤波，变压器初、次级屏蔽隔离等。3 传感器网络语音通信系统软件开发3 1C V S D 语音编码算法在语音通信发展中，无线语音通信一直是主要的通信方式，而且其应用领域也在不断扩大。目前，在语音编码领域中，应用较广泛的技术有
19、脉冲编码调制(P C M)、自适应差分脉冲编码调制(A D P C M)、自适应增量调制(A D M)等。A D M 编码由于在传输有误码的情况下仍能保持良好的语音品质，使其成为无线语音应用中理想的编码调制方案之一。而连续可变斜率增量调制(C V S D)作为A D M 的一种形式，以应用难度低、低成本、较低的采样频率获得较好的语音质量等优势，得到了广泛的应用。图3 为C V S D 的编码器结构。编码时输入的语音信号和积分器的输出信号经比较器比较后输出一个偏差信号，该偏差信号被送到量化器Q。量化器输出的数字信号反映了偏差信号的极性，即语音信号的数字编码；同时该信号也作为积分器输出斜率的极性控
20、制信号和积分器输出斜率大小逻辑的输入信号。反馈链路上设置的延迟模块z _ 1 是将量化器当前的输出值与之前的若干输出值进行比较，当量化结果出现有三个连续的“1”或“O”时，即比较器检测出满足斜率过载的条件时，编M I NM A X图3C V S D 编码器结构电子技术应用2 0 0 7 年第1 1 期码器将通过可编程步长控制模块调节量化步长，以更好地跟踪输入的模拟信号。另外，反馈回路上设置有两个积分器，它们与C V S D 编码相结合可以提供优良的语音质量 5 1。图4 为C V S D 的译码器结构。与编码器结构类似但过程相反。等级映射转换器L 的输出与积分器的输出相结合，就得到译码结果。延
21、迟模块用来测试比较最近若干次的编码量化结果，当量化结果出现三个连续的“l”或“0”而达到斜率过载条件时，则译码器也通过可编程步长控制模块调节量化步长的值。M I 州M A X图4C V S D 译码器结构3 2 网络通信协议研究在系统通信协议设计中，W S N 网络采用分层通信协议，由物理层、数据链路层、网络层和应用层构成，并通过能量管理平台和任务平台实现对各层协议的有效控制，形成无线传感器网络的连通拓扑图结构。其网络结构如图5 所示。图5 无线传感器网络结构任务管理平台和能量管理平台为整个通信协议的实现提供有效的控制和管理。基于下三层通信协议的良好基础，本文设计了实现语音通信的应用层协议。通
22、过应用层协议可实现槽节点与传感器节点的双向可靠语音数据传输以及网络管理所必须的控制信息传递。同时，本系统还完成了槽节点与用户P C 机的交互通信设计，以实现语音数据的获取和分析。无线传感器网络数据帧格式如图6 所示。由于语音传输对实时性的要求较高，而对于传输过程中出现的短暂的丢包以及错误又都是可以允许的，所以传统的可靠传输控制协议对于语音传输并不完全适用。因此本系统基于无线传感器网络构架设计，设计中选用一次握手、多个数据连续通信的不可靠数据报传送协议传送语音数据。4 性能测试分析性能测试主要是对本系统的关键参数进行测试，观欢迎订购电子技术应用2 0 0 0 2 0 0 6 年合订光盘(0 1
23、0 _ 8 2 3 0 6 0 8 4)1 1 9 万方数据M A C 层包头(5 B)数据段校验位生存接收发送帧控制帧实体C R C 校验周期地址地址2 B1 Bl B1 B1 2 8 B2 B应用层包头(2 B)数据段标示节点能量帧实体1 Bl B1 2 2 B表1 语音无线传感器网络测试数据缓冲区大小(B)采样率(K b s)音质效果1 20 0 01 6音质清楚，存在9 0 0 m 8 延迟5 0 0 01 6音质清楚，存在约5 6 0 m s 延迟2 0 0 01 6音质清楚，延迟较小，但有顿音15 0 01 6音质清楚，延迟非常小，但有顿音6 0 01 6音质差，基本没有延迟(上接
24、第1 1 6 页)阐述开发模式的方法。在构造交换元数据中使用这样的模式可以大大地简化C W M 识别软件的结构和逻辑。因此，整个元数据交换过程的整体性能也相应地得到了极大的增强。参考文献 1】M A R C 0D 元数据仓储的构建与管理 M】张铭，李钦，译北京：机械工业出版社，2 0 0 4【2 P 0 0 L E】，C H A N GD 公共仓库元模型开发指南【M】彭蓉，刘进，译北京：机械工业出版社，2 0 0 4【3】P 0 0 L EJ，C H A N GD 公共仓库元模型数据仓库集成标准导论 M】彭蓉，刘进，译北京：机械工业出版社，2 0 0 4 4 0 M GF o m I a lS
25、 p e c i 6 c a t i o n C W MM e t a d a t aI n t e r c h a n g eP a t t e m sS p e c i f i c a t i o n S】2 0 0 4 5】S u r T o g a t ek e yp a 上t e m，v e r s i o n1 0 E B】h t t p：d e v h y p e r i o n c o m d o w n l o a d 2 0 0 4 一0 3【6】O M G C o m m o nW a r e h o u s eM e t a m o d e lS p e c i f i
26、 c a t i o n S】h t t p：，w w o m g o r g c w m 2 0 0 l 一0 2(收稿日期：2 0 0 7 0 5 1 1)F S K 方式，通讯速率1 0 0 b s 一1 9 2 k b s。新推出过零点通讯方式的K Q 1 0 0 F 特别适合于强干扰环境下的抄表系统；小体积的K Q 一3 0 0 适于低价位单表抄收系统。9 6 k b，s 和1 9 2 k b，s 适合于高速率数据和语音(压缩)通信。很好的抗干扰性和高灵敏度、无初始化要求，波特率可由用户修改以及可实现软中继等优点，使您的产品开发更为便捷。住宅区通信距离大于8 0 0 米(1 0 0
27、F 成功率达9 0 以上)，专线达1 0 公里，适合于电力、铁路、工控、税控、石化、宾馆、医院、家庭智能化等领域。四川科强电子技术有限责任公司通信地址：成都2 3 7 信箱科强公司邮编：6 1 0 0 4 1电话：(0 2 8)8 5 2 4 3 0 8 06 8 1 0 7 4 9 6 9 7 9 8h n p：，、，v 州K q l O O c o m传真：(0 2 8)骶；2 4 8 6 6 7E m a j J：k q K q l 0 0 c o m1 2 0欢迎网上投稿w w w a e t n e t c nw w w a e t n e t c o m c n电子技术应用2 0
28、0 7 年第1 l 期 万方数据基于无线传感器网络的语音通信系统设计与实现基于无线传感器网络的语音通信系统设计与实现作者：张志东，孙雨耕，杨挺，ZHANG Zhi Dong，SUN Yu Geng，YANG Ting作者单位：张志东,ZHANG Zhi Dong(天津大学,电气与自动化工程学院,天津,300072;天津市电力公司电力通信分公司,天津,300010)，孙雨耕,杨挺,SUN Yu Geng,YANG Ting(天津大学,电气与自动化工程学院,天津,300072)刊名：电子技术应用英文刊名：APPLICATION OF ELECTRONIC TECHNIQUE年，卷(期)：2007,
29、33(11)被引用次数：1次 参考文献(5条)参考文献(5条)1.李建中;李金宝;石胜飞 传感器网络及其数据管理的概念、问题与进展期刊论文-软件学报 2003(10)2.AKYILDIZ I F;SANKARASUBRAMANIAM W S Y;CAYIRCI E Wireless sensor networks:a survey外文期刊2002(04)3.郭秋平;项杰 基于嵌入式系统的CVSD语音编码器的实现期刊论文-计算机工程 2006(16)4.ARICI T;ALTUNBASAK Y Adaptive sensing for environment monitoring using wireless sensor networks外文会议 20045.孙雨耕;张静;孙永进 无线自组传感器网络期刊论文-传感技术学报 2004(02)引证文献(1条)引证文献(1条)1.刘晓文.苗曙光.杜存功.朱微维 基于WSNs的井下应急语音通信系统的研究期刊论文-传感器与微系统 2010(1)本文链接：http:/