??? 摘 要： 針對傳感器網絡" title="無線傳感器網絡">無線傳感器網絡在語音方面的應用進行深入研究，提出一種基于無線傳感器網絡的語音通信" title="語音通信">語音通信系統(tǒng)。根據無線傳感器網絡工作原理和節(jié)點體系架構，設計了以嵌入式處理器MPC2194為核心，結合無線收發(fā)器CC1000、語音采集編碼芯片CMX649以及存儲芯片、電源等外圍電路構建的語音無線傳感器節(jié)點" title="傳感器節(jié)點">傳感器節(jié)點。重點討論了系統(tǒng)結構、硬軟件設計和協(xié)議棧開發(fā)等關鍵問題。并通過實驗選擇優(yōu)化系統(tǒng)參數，從而實現高質量語音通信。
??? 關鍵詞： 無線傳感器網絡? 語音監(jiān)測? 無線通信? 智能信息處理
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??? 無線傳感器網絡綜合傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和無線通信技術，能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對其進行處理后傳送到所需信息的終端用戶。無線傳感器網絡應用前景非常廣闊，可廣泛應用于軍事、環(huán)境監(jiān)測、城市交通等領域[1-3]。
??? 具有語音通信的無線傳感器網絡將突破傳統(tǒng)傳感器網絡,即僅對區(qū)域環(huán)境的溫度或震動等信息的簡單監(jiān)測，可實現對監(jiān)測區(qū)域中的音頻信息的采集和監(jiān)控。系統(tǒng)的實現可廣泛應用于大型醫(yī)院病區(qū)護理、醫(yī)療急救以及大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等領域。
??? 目前對實現語音通信的無線傳感器網絡的研究和應用都較少，本文正是針對基于無線傳感器網絡的語音通信系統(tǒng)" title="通信系統(tǒng)">通信系統(tǒng)開展深入研究，從系統(tǒng)結構、硬件設計、軟件設計和協(xié)議棧開發(fā)等方面進行全面設計。系統(tǒng)以嵌入式處理器為核心，結合語音、射頻接口以及電源等外圍電路實現無線傳感器網絡的語音通信系統(tǒng)。并通過實驗優(yōu)化系統(tǒng)參數，從而實現高質量語音通信。
1 無線傳感器網絡語音通信系統(tǒng)結構
??? 本文提出的無線傳感器網絡語音系統(tǒng)由五個子系統(tǒng)構成：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)、數據融合子系統(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)點中，而分析決策系統(tǒng)則為軟決策系統(tǒng)，由用戶根據應用制定。系統(tǒng)功能如圖1所示。
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??? 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。語音采集模塊實現對原始語音信息的采集，并通過語音編碼模塊實現高保真的語音壓縮，形成可傳輸的數據信息。
??? 數據信息則通過傳感器節(jié)點的通信子系統(tǒng)以多跳形式匯聚給Sink節(jié)點，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)語音進程進行緩存，并由分析決策系統(tǒng)控制，實現分時分級多路徑傳輸[4]。
??? 與傳統(tǒng)的無線傳感器網絡采集環(huán)境監(jiān)測數據并低速傳遞不同，語音監(jiān)測無線傳感器網絡應用中需要傳遞大量的數據信息，為此可運用數據融合技術減少冗余數據量，有效節(jié)省網絡通信和能量資源，提高網絡運行性能。
??? 本系統(tǒng)數據融合模塊所采用的融合策略由上層分析決策系統(tǒng)根據應用所制定，當多節(jié)點進行數據上報時，可在中繼節(jié)點中運用數據融合技術實現語音數據多級壓縮，以減少冗余信息。在單一節(jié)點本地存儲模塊內部也可實現對某時段內相似信息的數據融合，減少傳輸數據量，從而節(jié)省網絡能量，延長生命周期。同時數據融合技術可實現網絡內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 語音無線傳感器網絡節(jié)點硬件開發(fā)
??? 語音無線傳感器網絡節(jié)點功能包括對監(jiān)測區(qū)域內的音頻信息采集、網絡自組、數據匯報、自身電量監(jiān)控等，傳感器節(jié)點結構由處理控制器、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。
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??? 微處理器作為無線傳感器節(jié)點的計算核心，所有的設備控制、任務調度、能量計算、功能協(xié)調、通信協(xié)議" title="通信協(xié)議">通信協(xié)議、數據整合和數據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)點設計中至關重要。針對無線傳感器網絡實際應用，它應該滿足以下要求: 體積小、集成度高、功耗低（支持睡眠模式）、運行速度快、有足夠的GPIO和通信接口、可擴展大容量的存儲器、成本低、有安全保證等。目前傳感器節(jié)點設計中，使用較多的MCU有Atmel 公司的AVR單片機和TI 公司的 MSP430超低功耗系列8位微處理器。
??? 同時，由于在傳感器網絡語音通信系統(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據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，因此本設計選用ARM嵌入式芯片。ARM處理器其低端產品價格便宜、功耗極低， 并且有相當高的集成度、極快的處理速度以及可觀的地址空間， 是需要大量內存、外存以及高數據吞吐率和處理能力的新一代傳感器網絡節(jié)點處理器的理想選擇。本文選擇Philips公司的LPC2194作為處理器，結合語音采集模塊和無線收發(fā)模塊，設計了具有語音通信功能的無線傳感器網絡微型節(jié)點。
2.1 微處理器電路
??? LPC2194微處理器基于支持實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特的加速結構，使32位代碼能夠在最大時鐘速率(60Hz)下運行。在系統(tǒng)設計中，由于采用對代碼規(guī)模嚴格控制的技術(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)點設計中，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內部存儲空間只有256KB，因此在外部擴展了一個4MB的Flash存儲器，以存儲部分程序，并可實現對語音數據的本地緩存。
2.2 語音信號采集電路
??? 語音信號采集與處理電路采用CMX649語音編碼芯片應用電路以及前置放大濾波電路。CMX649芯片支持CVSD語音編碼調制，提供全雙工的ADM(CVSD)、μ-律、A-律和線性PCM編碼。CMX649內部集成的數字擾頻器可在一定程度上增強通信的安全性，并降低不規(guī)則的連續(xù)“1”或“0”的出現概率。
??? 本系統(tǒng)設計中，模擬語音由MIC+、MIC-/AUDIO OUT引腳輸入/輸出，經過CMX649內部編譯碼器進行語音編/譯碼及濾波；CMX649通過C-BUS總線接口與LPC2194進行通信傳輸控制數據，TX DATA、RX DATA引腳傳輸編/譯碼數據；采用CVSD編碼方式，16Kb/s采樣速率，對于功率的控制、編/譯碼的相關算法以及其他的一些功能參數的配置均通過CMX649寄存器進行。
2.3 射頻模塊
??? 考慮無線傳感器網絡協(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工作的標準頻段有四種：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)設計中，CC1000工作在433MHz的頻段上，傳輸波特率最大可達76.8Kb/s。LPC2194通過3-wire接口對CC1000編程，使CC1000在實際工作中可采用不同的工作模式。經測試，系統(tǒng)在100m的傳輸范圍內具有良好的語音通話效果，而最大傳輸通信范圍可達300m。
2.4 電源電路
??? 電源管理包括穩(wěn)壓電路、電平轉換電路以及開關電路，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)進行監(jiān)測，一旦供電不足，應直接向用戶報警。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 傳感器網絡語音通信系統(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，而且其應用領域也在不斷擴大。目前，在語音編碼領域中，應用較廣泛的技術有脈沖編碼調制（PCM）、自適應差分脈沖編碼調制（ADPCM）、自適應增量調制（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，使其成為無線語音應用中理想的編碼調制方案之一。而連續(xù)可變斜率增量調制（CVSD）作為ADM的一種形式，以應用難度低、低成本、較低的采樣頻率獲得較好的語音質量等優(yōu)勢，得到了廣泛的應用。
??? 圖3為CVSD的編碼器結構。編碼時輸入的語音信號和積分器的輸出信號經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。量化器輸出的數字信號反映了偏差信號的極性，即語音信號的數字編碼；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。反饋鏈路上設置的延遲模塊Z-1是將量化器當前的輸出值與之前的若干輸出值進行比較，當量化結果出現有三個連續(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，反饋回路上設置有兩個積分器，它們與CVSD編碼相結合可以提供優(yōu)良的語音質量[5]。
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?? 圖4為CVSD的譯碼器結構。與編碼器結構類似但過程相反。等級映射轉換器L的輸出與積分器的輸出相結合，就得到譯碼結果。延遲模塊用來測試比較最近若干次的編碼量化結果，當量化結果出現三個連續(xù)的“1”或“0”而達到斜率過載條件時，則譯碼器也通過可編程步長控制模塊調節(jié)量化步長的值。
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3.2 網絡通信協(xié)議研究
??? 在系統(tǒng)通信協(xié)議設計中，WSN網絡采用分層通信協(xié)議，由物理層、數據鏈路層、網絡層和應用層構成，并通過能量管理平臺和任務平臺實現對各層協(xié)議的有效控制，形成無線傳感器網絡的連通拓撲圖結構。其網絡結構如圖5所示。
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??? 任務管理平臺和能量管理平臺為整個通信協(xié)議的實現提供有效的控制和管理?；谙氯龑油ㄐ艆f(xié)議的良好基礎，本文設計了實現語音通信的應用層協(xié)議。通過應用層協(xié)議可實現槽節(jié)點與傳感器節(jié)點的雙向可靠語音數據傳輸以及網絡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)點與用戶PC機的交互通信設計，以實現語音數據的獲取和分析。無線傳感器網絡數據幀格式如圖6所示。
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??? 由于語音傳輸對實時性的要求較高，而對于傳輸過程中出現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)基于無線傳感器網絡構架設計，設計中選用一次握手、多個數據連續(xù)通信的不可靠數據報傳送協(xié)議傳送語音數據。
4 性能測試分析
??? 性能測試主要是對本系統(tǒng)的關鍵參數進行測試，觀察語音通信音質的關鍵指標（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據包的倒序和亂序,將對話音回放的質量有很大影響，降低音質。（3）丟包是影響話音音質最嚴重的因素，通過試驗證實,當丟包率小于5%時，語音通信基本不受影響;而當丟包率大于20%時，接收方將完全無法得到正確的語音信息。
??? 本設計在保持網絡結構相同的情況下，動態(tài)地調整節(jié)點中緩沖區(qū)的大小，在相同采樣率下觀察語音通信音質效果如表1所示。由表1可知，傳感器節(jié)點中的緩沖區(qū)大小設置對音質具有關鍵影響作用。在相同采樣率下，緩沖區(qū)越大，語音音質越清楚，但是經過多跳傳輸后延遲也越大。若緩沖區(qū)設置過大，則帶來過長的延遲而使語音音質下降。另一方面，隨著設置緩沖區(qū)減小，傳輸延遲明顯減小，但是音質將受到損失。這是因為在中繼節(jié)點上的較小緩沖區(qū)無法完全暫存大量語音數據包，將自動丟棄部分數據包，從而影響語音音質。通過實驗，系統(tǒng)選取緩沖區(qū)大小為1 500B，以實現高質量語音通信。
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??? 基于無線傳感器網絡的語音通信系統(tǒng)實現了對環(huán)境的音頻的可靠監(jiān)測。系統(tǒng)充分利用無線傳感器網絡自組織網絡和語音傳輸能力，以嵌入式處理器為核心，結合語音、射頻接口以及電源等外圍電路實現無線傳感器網絡語音通信系統(tǒng)。通過實驗選擇優(yōu)化的傳感器節(jié)點的緩沖區(qū)大小，從而實現低延遲、低延時抖動、低丟包率的高音質無線傳感器網絡語音通信。
參考文獻
[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.傳感器網絡及其數據管理的概念、問題與進展[J].軟件學報，2003,14(10):1717-1725.
[3] ?孫雨耕，張靜，孫永進，等. 無線自組傳感器網絡[J],傳感技術學報, 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語音編碼器的實現[J].計算機工程，2006,32(16):213-214;242.