??? 語(yǔ)音信息采集子系統(tǒng)包括語(yǔ)音采集模塊和語(yǔ)音編碼模塊。語(yǔ)音采集模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)原始語(yǔ)音信息的采集，并通過(guò)語(yǔ)音編碼模塊實(shí)現(xiàn)高保真的語(yǔ)音壓縮，形成可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。
??? 數(shù)據(jù)信息則通過(guò)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(shí)，在事件密集發(fā)生過(guò)程中，可通過(guò)本地存儲(chǔ)模塊對(duì)后續(xù)語(yǔ)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(shí)分級(jí)多路徑傳輸^[4]。
??? 與傳統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并低速傳遞不同，語(yǔ)音監(jiān)測(cè)無(wú)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(bào)時(shí)，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(yǔ)音數(shù)據(jù)多級(jí)壓縮，以減少冗余信息。在單一節(jié)點(diǎn)本地存儲(chǔ)模塊內(nèi)部也可實(shí)現(xiàn)對(duì)某時(shí)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(zhǎng)生命周期。同時(shí)數(shù)據(jù)融合技術(shù)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部對(duì)錯(cuò)誤信息的剔出和校正，提高信息的有效性和正確性。
2 語(yǔ)音無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件開發(fā)
??? 語(yǔ)音無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能包括對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的音頻信息采集、網(wǎng)絡(luò)自組、數(shù)據(jù)匯報(bào)、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(yǔ)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(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算核心，所有的設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、能量計(jì)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(chǔ)都將在這個(gè)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(jì)中至關(guān)重要。針對(duì)無(wú)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(chǔ)器、成本低、有安全保證等。目前傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(shí)，由于在傳感器網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)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(chǔ)空間以處理比數(shù)據(jù)容量大得多的語(yǔ)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(huì)產(chǎn)生相互限制的瓶頸問(wèn)題。此外，考慮到系統(tǒng)日后的升級(jí)，因此本設(shè)計(jì)選用ARM嵌入式芯片。ARM處理器其低端產(chǎn)品價(jià)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?jī)?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(yǔ)音采集模塊和無(wú)線收發(fā)模塊，設(shè)計(jì)了具有語(yǔ)音通信功能的無(wú)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(shí)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(chǔ)器、128位寬度的存儲(chǔ)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(shí)鐘速率(60Hz)下運(yùn)行。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于采用對(duì)代碼規(guī)模嚴(yán)格控制的技術(shù)(將代碼規(guī)模降低超過(guò)30%)以及使用16位Thumb模式，提高了系統(tǒng)效率。在無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，充分利用LPC2194快速的處理速度，通過(guò)高效SPI接口與射頻芯片CC1000通信，同時(shí)模擬C-BUS通信時(shí)序與CMX649通信。由于LPC2194內(nèi)部存儲(chǔ)空間只有256KB，因此在外部擴(kuò)展了一個(gè)4MB的Flash存儲(chǔ)器，以存儲(chǔ)部分程序，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音數(shù)據(jù)的本地緩存。
2.2 語(yǔ)音信號(hào)采集電路
??? 語(yǔ)音信號(hào)采集與處理電路采用CMX649語(yǔ)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(yǔ)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(jì)中，模擬語(yǔ)音由MIC+、MIC-/AUDIO OUT引腳輸入/輸出，經(jīng)過(guò)CMX649內(nèi)部編譯碼器進(jìn)行語(yǔ)音編/譯碼及濾波；CMX649通過(guò)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(duì)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(guò)CMX649寄存器進(jìn)行。
2.3 射頻模塊
??? 考慮無(wú)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(shí)它能夠通過(guò)簡(jiǎn)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(jì)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(guò)3-wire接口對(duì)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(cè)試，系統(tǒng)在100m的傳輸范圍內(nèi)具有良好的語(yǔ)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(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作。同時(shí)，必須對(duì)電源(電池)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦供電不足，應(yīng)直接向用戶報(bào)警。為了保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定，對(duì)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(jí)屏蔽隔離等。
3 傳感器網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音通信系統(tǒng)軟件開發(fā)
3.1 CVSD語(yǔ)音編碼算法
?? ?在語(yǔ)音通信發(fā)展中，無(wú)線語(yǔ)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(yǔ)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(yǔ)音品質(zhì)，使其成為無(wú)線語(yǔ)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(yǔ)音質(zhì)量等優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛的應(yīng)用。
??? 圖3為CVSD的編碼器結(jié)構(gòu)。編碼時(shí)輸入的語(yǔ)音信號(hào)和積分器的輸出信號(hào)經(jīng)比較器比較后輸出一個(gè)偏差信號(hào)，該偏差信號(hào)被送到量化器Q。量化器輸出的數(shù)字信號(hào)反映了偏差信號(hào)的極性，即語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字編碼；同時(shí)該信號(hào)也作為積分器輸出斜率的極性控制信號(hào)和積分器輸出斜率大小邏輯的輸入信號(hào)。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(gè)連續(xù)的“1”或 “0”時(shí)，即比較器檢測(cè)出滿足斜率過(guò)載的條件時(shí)，編碼器將通過(guò)可編程步長(zhǎng)控制模塊調(diào)節(jié)量化步長(zhǎng)，以更好地跟蹤輸入的模擬信號(hào)。另外，反饋回路上設(shè)置有兩個(gè)積分器，它們與CVSD編碼相結(jié)合可以提供優(yōu)良的語(yǔ)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(guò)程相反。等級(jí)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(lái)測(cè)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(gè)連續(xù)的“1”或“0”而達(dá)到斜率過(guò)載條件時(shí)，則譯碼器也通過(guò)可編程步長(zhǎng)控制模塊調(diào)節(jié)量化步長(zhǎng)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(jì)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(guò)能量管理平臺(tái)和任務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各層協(xié)議的有效控制，形成無(wú)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(tái)和能量管理平臺(tái)為整個(gè)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(jì)了實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通信的應(yīng)用層協(xié)議。通過(guò)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(yǔ)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(shí)，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(jì)，以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音數(shù)據(jù)的獲取和分析。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀格式如圖6所示。

?

??? 由于語(yǔ)音傳輸對(duì)實(shí)時(shí)性的要求較高，而對(duì)于傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的短暫的丟包以及錯(cuò)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(duì)于語(yǔ)音傳輸并不完全適用。因此本系統(tǒng)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中選用一次握手、多個(gè)數(shù)據(jù)連續(xù)通信的不可靠數(shù)據(jù)報(bào)傳送協(xié)議傳送語(yǔ)音數(shù)據(jù)。
4 性能測(cè)試分析
??? 性能測(cè)試主要是對(duì)本系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，觀察語(yǔ)音通信音質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)（延遲、抖動(dòng)和丟包率）。這是因?yàn)椋海?）若在語(yǔ)音無(wú)線傳輸中存在過(guò)長(zhǎng)的延遲,將使接收方無(wú)法得到連貫的語(yǔ)音信息。（2）由于抖動(dòng)而造成的數(shù)據(jù)包的倒序和亂序,將對(duì)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(guò)試驗(yàn)證實(shí),當(dāng)丟包率小于5%時(shí)，語(yǔ)音通信基本不受影響;而當(dāng)丟包率大于20%時(shí)，接收方將完全無(wú)法得到正確的語(yǔ)音信息。
??? 本設(shè)計(jì)在保持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相同的情況下，動(dòng)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(yǔ)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(duì)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(yǔ)音音質(zhì)越清楚，但是經(jīng)過(guò)多跳傳輸后延遲也越大。若緩沖區(qū)設(shè)置過(guò)大，則帶來(lái)過(guò)長(zhǎng)的延遲而使語(yǔ)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?yàn)樵谥欣^節(jié)點(diǎn)上的較小緩沖區(qū)無(wú)法完全暫存大量語(yǔ)音數(shù)據(jù)包，將自動(dòng)丟棄部分?jǐn)?shù)據(jù)包，從而影響語(yǔ)音音質(zhì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)選取緩沖區(qū)大小為1 500B，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量語(yǔ)音通信。

?