基于WSNs的语音通信机制设计与实现

刘　源， 闫　斌, 李　智, 熊　杰

(电子科技大学 自动化工程学院，四川 成都 611731)



基于WSNs的语音通信机制设计与实现

刘源， 闫斌, 李智, 熊杰

(电子科技大学 自动化工程学院，四川 成都 611731)

摘要:针对目前无线传感器网络(WSNs)对语音传输的不足，设计和实现了一种基于WSNs的无线语音通信机制。采用了结合8051CPU和RF收发器的CC2530芯片作为微处理器，CMX649作为语音编解码芯片，并采用协处理器辅助CC2530对语音信息进行处理，在IEEE 802.15.4协议上实现对语音的传输。详细介绍了系统的硬件和软件设计，对通话距离与通话质量进行了测试。实验结果表明：设计的语音通信机制具有较远的传输距离，能达到较好的语音传输效果，满足实际对语音通信的要求。

关键词：无线传感器网络； 语音通信； 语音编解码; 通信终端

0引言

近年来，基于无线传感器网络(wireless sensor networks,WSNs)的语音传输研究逐渐展开[1～7]。研究表明[8,9]，WSNs能够进行语音信息的传输,与传统语音对讲模式相比，具有低功耗、低成本、自组织网络等优点。在实际当中也能得到很好的应用，例如:文献[2]将基于WSNs的语音通信系统应用到了煤矿通信与救援中，测试结果显示能达到较好的语音通信效果。

本文设计和实现了一种无线语音通信机制，基于TI公司的CC2530为无线收发平台，CMX649作为语音编解码器，并以MSP430F149为协处理器，用协处理器对丢失语音进行填补。详细叙述了硬件和软件设计，并对通话距离和通话质量进行了测试。

1系统总体设计

系统采用网状拓扑结构，如图1所示，每个传感器节点都配置语音处理模块，每个节点既可以当作终端设备作为语音通话的发起者或接收者，也可以当作路由节点对语音数据进行转发。在图1中，假设所有节点都位于其他节点的传播半径内，一个节点有多跳路径可到达另一个节点，当节点要到达多跳距离外的节点时，可根据路由协议寻找到最优的路径进行传输。采用网状拓扑可提高网络的可靠性，易于网络扩展。

图1　网络拓扑示意图Fig 1　Network topology

2系统硬件设计

无线语音传输节点硬件由微处理器模块、射频模块、语音处理模块、协处理器模块以及能量管理模块组成。无线语音传输节点硬件架构如图2所示。

图2　节点硬件架构图Fig 2　Architecture diagram of node hardware

1)微处理器模块选用TI公司的CC2530芯片实现，CC2530是一个真正的用于IEEE 802.15.4，Zig Bee和RF4CE应用的片上系统解决方案，片上集成RF收发器、增强工业标准的8051MCU以及系统可编程Flash存储器等，集成了RF收发器，只需在外围加入少许简单电路即可工作，适用于工作在2.4 GHz,ISM频段的低成本、低功耗的应用。

在发送时微处理器主要负责从语音处理模块读取语音编码数据并打包发送，在接收时主要负责接收语音解码数据送数据到语音编解码模块进行解码、播放，其内部微处理器统一协调各模块的工作，也负责给协处理器送中断和数据信号。

2)语音处理模块包括语音编解码电路、功率放大电路以及滤波电路。语音处理模块选用CMX649作为语音编解码芯片，具有高可靠性、容错性及低功耗等特点，它不仅具有全双工的ADM、μ律、A律和线性PCM的编解码功能，也具有ADM与PCM的码制转换功能，具有从16～128 kbps多种编解码数据率。

本文采用ADM的编码方式，24 kbps的编解码数据率，在发送时，使用语音编码器活动检测器检测是否有语音信号进入编解码模块，在按下通话键期间，只要检测到有超过设定阈值的语音信号输入，则送出一个中断信号给微处理器模块，微处理器模块接收到中断后开始从CMX649中读取语音编码数据。在接收时，无线收发模块向CMX649送解码数据，CMX649对数据进行解码、播放，在CMX649模拟语音输出端接低通滤波器和语音放大器，对解码的语音信号进行滤波和放大，以得到较好的语音信号。

3)协处理模块选用TI公司的MSP430F149，它是一种16位超低功耗单片机，具有处理能力强、运算速度快、超低功耗及片内资源丰富等特点。MSP430从CC2530获取中断信号，其I/O口也连接到语音编解码模块的解码时钟线和解码数据线上，通过这两根线在空白段进行语音填充。

节点实物图如图3所示。语音节点采用两节5号电池供电，用麦克进行语音采集，喇叭进行语音播放，当按下通话键后发起对语音的传输。

图3　节点实物图Fig 3　Physical map of node

3系统软件设计

系统软件设计主要分为CC2530程序设计和协处理器程序设计。

3.1CC2530程序设计

CC2530首先对板上射频模块和语音编解码芯片进行初始化，随后打开中断并进入接收模式，若有中断进入，表明本节点按下通话键并检测到有语音信号输入，则进入发送模式，在中断服务程序中，从语音编解码模块读取语音编码数据，每读取64字节作为一个数据包发送出去。若无中断进入，则循环检测是否接收到语音数据包;若接收到数据包，则立即将数据包的值送入语音编解码模块进行解码、播放，当送完一个数据包后，再进行下一次语音数据包检测和接收，不断循环这个过程，完成语音的实时传输。

CC2530还需要通过I/O口给协处理器发送中断信号。由实验测得，在每一个语音包之间会有一个由于无线传输引起的4 ms空隙，影响听感。由24 kbps语音数据率可计算得，要填补4 ms的语音空隙，需12字节语音数据。协处理器采用将空隙前的12字节数据填充到空隙处的方式来对语音空隙进行修复。在CC2530向语音编解码器送解码数据期间，在送到第52字节时，向协处理器发送一个中断信号，通知其开始复制数据。在CC2530将一个数据包64字节的数据送完后，向协处理器发送一个中断信号，通知其开始填补数据，即向语音编解码器写入复制的数据。CC2530主程序流程如图4所示。

图4　CC2530主程序流程图Fig 4　Main program flow chart of CC2530

3.2协处理器程序设计

协处理器程序主要包括语音数据的复制和填补。在接收到CC2530发送的中断信号后，协处理器首先判断到来的是通知其复制数据的中断还是通知其写解码数据的中断。若为通知复制数据的中断，则用I/O口模拟CMX649解码时钟的时序，通过解码数据线接收语音数据，接收语音数据包最后12字节并存储;若为通知写解码数据的中断，则用I/O口模拟CMX649发送数据的时序，将保存的12字节语音数据写入CMX649中进行语音数据填补。协处理器程序流程图如图5所示。

图5　协处理器中断程序流程图Fig 5　Interrupt program flow chart of coprocessor

4系统测试与结果

4.1节点距离测试

为测试语音的有效通话距离，选择在空旷地带，每隔一段距离对接收到的语音通话质量进行MOS(mean opinion score)评估。由表1可知，最远距离能达到250 m。

表1　通话距离测试

4.2语音质量测试

为测试本系统对语音传输后对原始语音的还原情况，将原始语音和一跳传输后接收、解码后的语音波形进行对比。如图6所示，接收解码后的语音波形如图6(b)所示，能较好地还原如图6(a)所示的原始语音波形。

图6　原始语音与接收语音波形对比图Fig 6　Comparison chart of original speech andreceived speech waveform

5结束语

本文设计实现了基于WSNs的语音通信机制，能够达到较好的语音通话质量，且传输距离远，功耗低。通过协处理器实现语音修复，大大提高了语音通信质量，其应用前景非常广泛，可适用于各种场合，如消防、安全监控、工厂等。另外本设计还有较大的拓展空间，例如:可在该系统上实现语音在网络中的多跳传输，增加传输距离，可作为复杂环境下监控的辅助手段。

参考文献:

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Design and implementation of voice communication mechanism based on WSNs

LIU Yuan, YAN Bin, LI Zhi， XIONG Jie

(School of Automation Engineering,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731,China)

Abstract:Aiming at shortage of wireless sensor networks(WSNs)for voice transmission,design and implement a kind of wireless voice communication mechanism based on WSNs.Adopt CC2530 as microprocessor chip which integrates 8051 CPU and RF transceiver,uses CMX649 as speech codec chip,using coprocessor to assist CC2530 to process speech information,and realize voice transmission over procotol IEEE 802.15.4.Introduce design of hardware and software of the system in detail,and test distance and quality of voice communication.Experimental result show that this mechanism has far transmission distance,can achieve good voice transmission effect,meet the requirements of voice communication.

Key words:wireless sensor networks(WSNs); voice communication; voice codec; communication terminal

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0097—03

收稿日期：2015—04—29

中图分类号：TP 212

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)02—0097—03

作者简介:

刘源(1989-),男，四川广安人，硕士研究生，研究方向为无线传感器网络。