一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)的語音會議系統(tǒng)設(shè)計

 摘要：設(shè)計了一種基于ZigBee傳輸?shù)?strong>無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的語音會議系統(tǒng)。每個話筒作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點，所有話筒組成一個無線傳感網(wǎng)絡(luò)。話筒的聲音數(shù)據(jù)通過ZigBee傳輸上傳到匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點再轉(zhuǎn)發(fā)到擴(kuò)聲系統(tǒng)。此設(shè)計有效地解決傳送距離過遠(yuǎn)和部分死角位置無法傳送的問題。

引言

在一些多人參與的會議中，尤其是大型會議，需要相當(dāng)數(shù)量的話筒確保與會者的發(fā)言需求。一般做法是使用有線設(shè)備將各個話筒手拉手串聯(lián)起來，再連接到匯聚節(jié)點，最后接入音箱或者擴(kuò)聲系統(tǒng)。當(dāng)與會人員數(shù)量較大時，布線工作會非常復(fù)雜，尤其是在一些臨時會議場所，會大大提高工作量。此時如果使用無線話筒，由于話筒數(shù)量有限，無法做到人手一個話筒，既耽誤時間，也浪費人力傳遞話筒，導(dǎo)致會議效果較差。

而無線傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點剛好可以彌補了常規(guī)做法的不足，可以將每個與會者使用的話筒作為一個無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，每個話筒通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)上傳聲音數(shù)據(jù)至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點再將聲音數(shù)據(jù)發(fā)送到擴(kuò)聲系統(tǒng)。同時，由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，可以將匯聚節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳遞到每個節(jié)點，用此功能可以實現(xiàn)需要同聲傳譯的會議系統(tǒng)中。將翻譯人員使用的話筒作為一個節(jié)點加入系統(tǒng)中，這樣翻譯人員的聲音數(shù)據(jù)就發(fā)送到每個與會者的話筒中，與會者可以通過耳機(jī)選擇一路頻道進(jìn)行收聽。由于每個節(jié)點之間是對等網(wǎng)絡(luò)，可以相互傳遞數(shù)據(jù)，這樣可以有效解決部分節(jié)點因為和匯聚節(jié)點相距太遠(yuǎn)，或者有障礙物阻塞而導(dǎo)致無法上傳聲音信號的問題。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)簡介和特點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)是一種由傳感器節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r地監(jiān)測、感知、采集節(jié)點部署區(qū)的觀察者感興趣的感知對象的各種信息，并對這些信息進(jìn)行處理后以無線的方式發(fā)送出去，通過無線網(wǎng)絡(luò)最終發(fā)送給觀察者。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)有以下幾個特點：

①在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中不存在嚴(yán)格的控制中心，整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)是一個對等式網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都可以隨時加入或離開網(wǎng)絡(luò)。

②網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開不需要依賴于其他預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，節(jié)點可以通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為，節(jié)點啟動后可以快速、自動地組成一個獨立的無線網(wǎng)絡(luò)。

③無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中沒有專門的路由設(shè)備。節(jié)點的多跳路由是由普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點完成的，每個節(jié)點既可以發(fā)送信息，又可以轉(zhuǎn)發(fā)信息，可以有效避免部分節(jié)點無法與路由通信的問題。

④無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點可以隨處移動，既可以因為某種原因退出網(wǎng)絡(luò)運行，也可以由于某種原因新加入到網(wǎng)絡(luò)中。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以動態(tài)變化，非常靈活。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。每個與會者的話筒作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點，如圖1中左邊的圓形示意圖，每個節(jié)點可以直接和匯聚節(jié)點通信，部分節(jié)點(可能因為距離過遠(yuǎn)或者被障礙物阻擋)無法直接和匯聚節(jié)點通信，可以通過其他中間節(jié)點(圖中黑色節(jié)點)轉(zhuǎn)發(fā)而間接與匯聚節(jié)點通信，甚至經(jīng)過多級子節(jié)點的路由最后到匯聚節(jié)點。

匯聚節(jié)點將子節(jié)點發(fā)送過來的聲音信號經(jīng)過音頻解碼后傳輸?shù)綌U(kuò)聲系統(tǒng)。同時，當(dāng)部分會議系統(tǒng)需要同聲傳譯時，系統(tǒng)中還會存在同聲傳譯的子節(jié)點，同聲傳譯節(jié)點作為一個特殊的子節(jié)點，將翻譯數(shù)據(jù)直接發(fā)送給匯聚節(jié)點，再由匯聚節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)給各個子節(jié)點。子節(jié)點根據(jù)用戶的需求選擇對應(yīng)的語言，受到ZigBee的帶寬限制，能支持同聲傳譯的通道數(shù)目是有限制的。

3 子節(jié)點的硬件設(shè)計

子節(jié)點的硬件設(shè)計如圖2所示。上行通道中，聲音首先經(jīng)過麥克風(fēng)轉(zhuǎn)換為電信號，然后進(jìn)行A/D采樣，上傳給CPU再轉(zhuǎn)發(fā)給音頻編碼，編碼后回傳給CPU，最后通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)ZigBee傳送給匯聚節(jié)點;下行通道剛好相反，無線傳感網(wǎng)絡(luò)將匯聚節(jié)點下發(fā)的數(shù)據(jù)經(jīng)過CPU給音頻解碼部分，完成解碼后CPU再次轉(zhuǎn)發(fā)給DAC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，最后經(jīng)過信號放大以后輸出到耳麥。各個系統(tǒng)的節(jié)點通過電池供電，這樣可以方便每個節(jié)點的任意移動，增加系統(tǒng)的靈活性。

3.1 CPU、無線接收模塊和音頻編碼模塊的實現(xiàn)

該部分選用了美國CEL公司的MeshConnectTM系列ZICM2410模塊，其內(nèi)核芯片ZICM2410是一個真正的單芯片解決方案，遵從ZigBee規(guī)范和IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，它由一個含有基帶MODEM的射頻收發(fā)器、硬連線的MAC和內(nèi)嵌8051內(nèi)核的微控制器(帶有內(nèi)部Flash存儲器)組成，包括多個通用I/O引腳、定時器、UART，SPI等，以及硬件語音編解碼器。獨有的I2S/SPI/UART音頻輸入/輸出接口，結(jié)合其擴(kuò)展的500 kbps或1 Mbps的無線傳輸速率，可以滿足廣大的無線語音應(yīng)用。該芯片具有集成度高、外設(shè)接口豐富、功耗低的特點，工作電壓為3.3 V，非常適合無線模塊的使用，尤其是低功耗的特點，非常適合電池場景使用，方便移動。

ZICM2410芯片結(jié)構(gòu)如圖3所示。在ZigBee數(shù)據(jù)速率(250 khps)下所體現(xiàn)出的卓越射頻性能，完全能滿足經(jīng)過壓縮編碼的語音帶寬要求。C EL向客戶提供作為部分軟件庫的CEL ZigBee棧，CEL還可提供開發(fā)定制的應(yīng)用程序所需要的硬件和軟件工具。

ZICM2410還具有一個集成的PCB板載天線，由于CEL的ZIC2410 IEEE 802.15.4/ZigBee收發(fā)器能提供106 dB的工業(yè)頂級鏈路預(yù)算，因此，即使沒有外部功率放大器，MeshConnect仍可以維持遠(yuǎn)距離的無線連接(3 000ft無障礙距離)，在無需外置天線的情況下能滿足一般會場的要求，進(jìn)一步增加集成度，減小終端的復(fù)雜度和體積。

ZICM2410還有支持三種語音編碼解碼算法：μ-律、a-律和ADPCM，非常適合語音會議系統(tǒng)的需求，可以進(jìn)一步提高集成度、降低功耗。此外還對外提供非常豐富的外部接口，包括UART1、UART2、I2S、SPI、22個GPIO、4路ADC和I2S接口。

3.2 上行通道系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

聲音首先通過麥克風(fēng)轉(zhuǎn)為電信號，因為麥克風(fēng)輸出的信號很小，所以要通過一放大器放大，其電路部分如圖4所示。

聲音從麥克風(fēng)輸出經(jīng)過C1耦合到運算放大器的負(fù)向輸入端，經(jīng)過第一級反向運算放大器放大，再通過第二級反向放大器放大后通過一電阻輸出最后給ADC采樣。

其中R7、R6分壓以后向運放提供一個參考電壓，為了電壓更穩(wěn)定在R6兩端之間加一濾波電容。R12、R13為麥克風(fēng)提供一偏置電壓，同樣加C13、C16兩濾波電容以提高穩(wěn)定性。R8、C18組成運算放大器的反饋阻抗，同時也是一低通濾波器，這樣可以有效地濾除高次諧波的混疊干擾。同樣R17、C17的效果也一樣。C14也是一個低通濾波器，濾除高次諧波的干擾。

信號經(jīng)過放大后，輸出給ADC進(jìn)行采樣、ADC選用ADSS8865，它是TI公司的一款低功耗、16位的ADC，在100 ksps下只有0.65 mW的功耗，非常適合電池供電場景使用，其參考電壓和模擬電壓都是3.3 V。通過SPI接口與CPU連接。其連接示意圖如圖5所示。ADC的模擬電源、數(shù)字電源、參考電壓都是電源直接輸入3.3 V。

ADC將聲音信號采樣回來以后，首先通過SPI接口發(fā)送給CPU，CPU在轉(zhuǎn)發(fā)給音頻壓縮模塊，音頻壓縮模塊編碼以后通過CPU轉(zhuǎn)發(fā)給無線發(fā)送模塊，無線發(fā)送模塊采用ZigBee協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)到匯聚節(jié)點。

3.3 下行通道硬件系統(tǒng)的實現(xiàn)

子節(jié)點通過ZigBee模塊接收匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)，經(jīng)過音頻解壓后，CPU通過I2C總線通道發(fā)送給DAC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，最后經(jīng)過功放輸出給耳機(jī)接口。DAC選用TI公司的PCM1774，PCM1774是一塊16位DAC，最高帶寬達(dá)到50 kHz，工作電壓在數(shù)字和模擬部分均為3.3 V，與CPU系統(tǒng)和ADC保持一個電壓供電，減小電源設(shè)計的復(fù)雜度。

PCM1774內(nèi)部自帶一個功率放大模塊，可以直接輸出到一般的耳機(jī)接口，減少功放模塊的設(shè)計，進(jìn)一步降低電路的復(fù)雜度。PCM1774支持SPI口和I2C總線口與控制器連接，由于CPU模塊ZICM2410只有一個SPI口已經(jīng)和ADC連接，此處DAC通過CPU的I/O口模擬I2C總線與DAC連接。其連接示意圖如圖6所示。同時PCM1774需要一路系統(tǒng)時鐘，通過CPU的I/O口輸出直接給PCM1774。

4 子節(jié)點的軟件設(shè)計

每個子節(jié)點啟動后，首先初始化，設(shè)置本節(jié)點地址，設(shè)置默認(rèn)目標(biāo)節(jié)點地址是匯聚節(jié)點，然后查找能否與匯聚節(jié)點連接。如果能連接則建立鏈接，并設(shè)置本節(jié)點可以與直接與匯聚節(jié)點連接，同時設(shè)置下一站的目標(biāo)地址為匯聚節(jié)點，然后準(zhǔn)備傳輸數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)傳輸則將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點。由于每個子節(jié)點可以是動態(tài)移動的，或者受外界因素干擾等，導(dǎo)致子節(jié)點的通信鏈路受阻，如果沒有傳輸數(shù)據(jù)或者傳輸數(shù)據(jù)結(jié)束后，子節(jié)點再次掃描能否與匯聚節(jié)點連接，如此重復(fù)。

在掃描與匯聚節(jié)點連接過程，如果無法直接與匯聚節(jié)點連接，則嘗試與周邊節(jié)點建立鏈接，如果無法找到能到達(dá)匯聚節(jié)點的子節(jié)點，則直接返回查找匯聚節(jié)點，如此反復(fù)。

如果能找到周邊可以與匯聚節(jié)點連接的子節(jié)點，則找一個能最快到達(dá)匯聚節(jié)點的子節(jié)點建立鏈接，然后設(shè)置本節(jié)點可以到達(dá)匯聚節(jié)點，并設(shè)置到達(dá)匯聚節(jié)點需要跳躍子節(jié)點的跳數(shù)，然后設(shè)置下一節(jié)點地址，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)傳輸，最后判斷是否有數(shù)據(jù)傳輸。如果沒有數(shù)據(jù)傳輸則子節(jié)點是動態(tài)的，返回繼續(xù)掃描是否可以到達(dá)匯聚節(jié)點，如此循環(huán)下去。

如果有數(shù)據(jù)傳輸則判斷是上行數(shù)據(jù)還是下行數(shù)據(jù)，如果是上行數(shù)據(jù)則直接轉(zhuǎn)發(fā)至下一個站節(jié)點，如果是下行數(shù)據(jù)，則判斷是否為傳送給本機(jī)數(shù)據(jù)，如果是則進(jìn)行音頻解碼最后直接輸出至DAC輸出。

由于每個子節(jié)點位置是動態(tài)的，所以在轉(zhuǎn)發(fā)完數(shù)據(jù)或者解碼輸出給DAC完成后繼續(xù)查找匯聚節(jié)點，如此反復(fù)。整個軟件流程圖如圖7所示。

5 匯聚節(jié)點和同聲傳譯節(jié)點設(shè)計

匯聚節(jié)點與子節(jié)點基本一致，只是硬件上數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)傳輸能力比一般子節(jié)點大，軟件上針對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)給所有與其連接的子節(jié)點，如果是子節(jié)點上傳過來的數(shù)據(jù)則直接進(jìn)行音頻解碼，最后通過DAC輸出至音箱輸入線路。同聲傳譯節(jié)點和其他子節(jié)點硬件設(shè)計上是一致的。只是在

使用過程中，如果設(shè)置為同聲傳譯節(jié)點，軟件處理上也有些細(xì)微差異。在此不做詳細(xì)展開。

結(jié)語

本文設(shè)計的系統(tǒng)非常適合用在一些臨時大型會議場所，無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以由很多節(jié)點組成，組網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以隨時變化，而且節(jié)點之間也可以相互傳送數(shù)據(jù)，有效地解決傳送距離過遠(yuǎn)和部分死角位置無法傳送問題。

本系統(tǒng)以集成CPU、ZigBee收發(fā)模塊和音頻編解碼的ZICM2410為核心，ZICM2410有高集成度和低功耗的特點，使得硬件電路設(shè)計非常簡單，非常適合移動的電池供電系統(tǒng)。

本系統(tǒng)隨著子節(jié)點的增加，匯聚節(jié)點的任務(wù)非常艱巨，而且對穩(wěn)定性也至關(guān)重要，所以在一些子節(jié)點過多的場景，可以考慮采用多級匯聚節(jié)點方式，同時匯聚節(jié)點采用網(wǎng)狀相互備份方式組網(wǎng)，在部分匯聚節(jié)點異常情況下，可以通過其他匯聚節(jié)點來完成正常的通信。