有害動物智能聲防系統(tǒng)中音頻控制子系統(tǒng)的研制
1 智能聲防系統(tǒng)原理
如圖1所示，智能聲防系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為3層，底層是帶有熱釋電傳感器的探測節(jié)點，負(fù)責(zé)探測有害動物在農(nóng)田中出沒的位置；中間層為執(zhí)行器節(jié)點，負(fù)責(zé)存儲、播放聲防音頻文件；上層是總控制器，負(fù)責(zé)監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行。系統(tǒng)的各層之間以無線方式進(jìn)行通信?？偪刂破鞫〞r采集環(huán)境信息（如溫度、光照），結(jié)合農(nóng)田地理位置、作物種類等信息，并通過查詢內(nèi)部數(shù)據(jù)庫，以當(dāng)時最有可能出沒的2種有害動物作為聲防目標(biāo)，然后定時發(fā)送給執(zhí)行器節(jié)點。執(zhí)行器節(jié)點有觸發(fā)、隨機(jī)2種工作模式。觸發(fā)模式下，探測節(jié)點探測到有害動物后，向相距最近的執(zhí)行器節(jié)點發(fā)出命令。執(zhí)行器節(jié)點根據(jù)最近更新的聲防目標(biāo)播放對應(yīng)的音頻文件。隨機(jī)模式下，執(zhí)行器節(jié)點根據(jù)定時更新的聲防目標(biāo)自動播放聲防音頻文件。每次播放前，都會在工作參數(shù)確定的時間范圍內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生一個間隔時間，并按其進(jìn)行延時，以使聲防系統(tǒng)中不同執(zhí)行器節(jié)點在執(zhí)行聲防時具有隨機(jī)性，從而降低有害動物對聲防系統(tǒng)的適應(yīng)性。
執(zhí)行器節(jié)點由無線通信模塊、音頻控制子系統(tǒng)、揚聲器以及供電模塊等組成。除音頻控制子系統(tǒng)外，其他功能模塊均采用成熟產(chǎn)品。
執(zhí)行器節(jié)點的主要功能由音頻控制子系統(tǒng)完成，按實現(xiàn)功能考慮，其應(yīng)包括大容量高保真數(shù)字音頻信號存儲、解碼輸出及多種播放模式選控等。為達(dá)到高保真的音質(zhì)要求，聲防音頻信號的采樣率選為44 kHz，采樣位數(shù)確定為16 bit，其存儲格式采用能較好兼顧壓縮比和音質(zhì)的MP3格式；為方便聲防音頻文件的升級，存儲器選用了方便熱插拔的SD卡或U盤。
現(xiàn)有的音頻解碼方案有硬件解碼和軟件解碼2類。常用的硬件解碼芯片有ST公司的ST016、SANYO公司的LC82310G等，使用時常配以單片機(jī)實現(xiàn)控制功能。為方便開發(fā)，已有廠商研制出將硬件解碼器和單片機(jī)以及其他外圍器件集成在一起的SoC芯片，如ATMEL公司的AT89C51SND1。
軟件解碼方案主要基于DSP平臺和ARM平臺構(gòu)建，其中ARM平臺可搭配嵌入式操作系統(tǒng)，能較好地管理和支持底層硬件設(shè)備，且有大量開源解碼軟件可供選擇，軟件移植比DSP平臺相對容易。
2 方案1的構(gòu)建及實現(xiàn)
2.1 方案1的硬件構(gòu)成及實現(xiàn)
音頻控制子系統(tǒng)的“單片機(jī)+硬件解碼”構(gòu)建與使用單獨的硬件解碼芯片配合其他控制芯片相比，SoC芯片在電路結(jié)構(gòu)和開發(fā)成本上均有較大優(yōu)勢。AT89C51SND1是MP3解碼應(yīng)用中使用最多的SoC芯片之一。它實質(zhì)上是一款集成了DSP硬件解碼器的C51單片機(jī)，提供有USB DEVICE、SPI等設(shè)備接口，且有54個I/O口供用戶使用?；贏T89C51SND1構(gòu)成音頻控制子系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)見圖2。
[!--empirenews.page--] 由圖2可見，AT89C51SND1通過RS-232串口與無線通信模塊相連，采用自定義協(xié)議與其進(jìn)行通信，以實現(xiàn)執(zhí)行器節(jié)點與探測節(jié)點、總控制器之間的無線通信。因AT89C51SND1沒有集成USB HOST接口，故選擇USB接口芯片CH375讀寫U盤。而實際測試中發(fā)現(xiàn)，CH375不能識別有些廠家生產(chǎn)的U盤。故為確保存儲的可靠性，選用SD卡作存儲介質(zhì)。SD卡的讀寫分為SD和SPI方式，而AT89C51SND1只提供MMC接口，無法兼容SD方式，故采用SPI方式讀寫SD卡。AT89C51SND1上集成了音頻輸出接口，可將解碼后的音頻數(shù)據(jù)以PCM格式或I2S格式輸出到后級的低功耗音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片PCM1770。AT89C51SND1通過USB DEVICE接口作為USB從設(shè)備與計算機(jī)相連，用于燒寫應(yīng)用程序。AT89C51SND1還可通過I/O口與點陣式LCD相連，以輸出相關(guān)信息。
2.2 方案1的軟件設(shè)計
圖3是音頻控制子系統(tǒng)構(gòu)建方案1的軟件流程。上電后，音頻控制子系統(tǒng)先完成各種外圍設(shè)備(包括SD卡、DAC芯片以及LCD等)的檢測和初始化，隨后進(jìn)入工作循環(huán)。首先對工作模式變量進(jìn)行判斷，若是觸發(fā)模式，則返回重做判斷；若為隨機(jī)模式，則調(diào)用隨機(jī)數(shù)生成子程序，隨機(jī)生成一個等待時間并延時等待，然后從存儲器中讀取聲防目標(biāo)變量指定的音頻文件并解碼播放。在整個工作循環(huán)過程中，音頻控制子系統(tǒng)開放串口中斷。當(dāng)串口接收到來自無線通信模塊的信息時，即產(chǎn)生串口中斷。中斷處理程序?qū)邮盏降男畔⑦M(jìn)行判斷，若是來自探測節(jié)點的聲防命令，且當(dāng)前處于觸發(fā)工作模式，則根據(jù)最近更新的聲防目標(biāo)播放對應(yīng)的音頻文件，然后通過無線通信模塊向總控制器返回一個執(zhí)行記錄，用于統(tǒng)計該地區(qū)有害動物的出沒規(guī)律；如果不是聲防命令，而是來自總控制器的信息，則更新對應(yīng)的控制變量，例如工作模式、間隔時間范圍、聲防目標(biāo)文件、音量大小等。
音頻控制子系統(tǒng)構(gòu)建方案1的軟件，從功能上主要分為隨機(jī)數(shù)生成、SD卡驅(qū)動、FAT文件管理、串口通信以及解碼控制等5部分。
隨機(jī)數(shù)生成子程序通過調(diào)用庫函數(shù)rand()，在間隔時間變量確定的范圍內(nèi)生成一個隨機(jī)數(shù)并執(zhí)行延時。
SD卡驅(qū)動實現(xiàn)在SPI方式下以扇區(qū)（512 B）為單位對SD卡上數(shù)據(jù)的讀寫。
由于存儲器上一般使用FAT文件格式存放和管理文件，F(xiàn)AT文件管理子程序可實現(xiàn)對存儲器上文件目錄、數(shù)據(jù)存放位置的管理，以及在SD卡驅(qū)動下讀取指定文件的數(shù)據(jù)。
串口通信子程序?qū)崿F(xiàn)串口初始化和以字節(jié)為單位的數(shù)據(jù)收發(fā)，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)以幀為單位且?guī)в袛?shù)據(jù)校驗的串口通信。在本方案的串口協(xié)議中，1幀數(shù)據(jù)包括8個字節(jié)。其中，第1字節(jié)是約定起始標(biāo)志；第2字節(jié)為發(fā)送者地址；第3字節(jié)是消息種類（如“更新聲防目標(biāo)”、“改變音量大小”等）；第4～7字節(jié)是消息參數(shù)；第8字節(jié)為前7個字節(jié)的和，用于校驗數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，以保證通信的可靠性。
解碼控制子程序是音頻控制子系統(tǒng)軟件的重要部分，由于單片機(jī)上集成了MP3硬件解碼器，用戶無需關(guān)心解碼的具體過程，只要設(shè)置好解碼器參數(shù)并及時將數(shù)據(jù)送入解碼緩沖區(qū)即可。MP3音頻文件內(nèi)容分3部分，首、尾2部分用于記錄音頻文件名稱、制作者等信息；中間部分以幀為單位存放壓縮音頻數(shù)據(jù)，幀頭中包含有音頻文件的文件類型、采樣率、比特率、聲道數(shù)等信息。在播放指定的MP3音頻文件時，單片機(jī)先通過FAT文件管理子程序讀取指定文件一個扇區(qū)的數(shù)據(jù)，并以此設(shè)置好硬件解碼器相關(guān)參數(shù)；然后，將音頻數(shù)據(jù)依次寫入解碼器緩沖區(qū)，解碼器自動對MP3數(shù)據(jù)解碼，并將解碼后的數(shù)據(jù)送入DAC。為實現(xiàn)連續(xù)播放，解碼控制子程序需要保證在解碼數(shù)據(jù)緩沖區(qū)空閑時及時寫入待解碼的數(shù)據(jù)。
3 方案2的構(gòu)建及實現(xiàn)
3.1 方案二的硬件結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)
方案2為音頻控制子系統(tǒng)的“ARM微處理器+軟件解碼”構(gòu)建，該方案的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。ARM微處理器選用了三星公司生產(chǎn)的S3C2440芯片，并擴(kuò)展了64 MB FLASH，用于存儲引導(dǎo)程序和操作系統(tǒng)內(nèi)核等，同時，還擴(kuò)展了64 MB SDRAM作為程序的運行空間。S3C2440基于ARM920T內(nèi)核，工作頻率達(dá)400 MHz，集成有SD、USB Host、LCD、音頻、視頻等豐富的外設(shè)接口，并提供有130個I/O口，是一款高性能、低功耗微處理器芯片[3]。無線通信模塊通過RS-232串口與微處理器相連。由于S3C2440上的USB HOST接口只支持USB1.1協(xié)議，考慮到兼容性，該方案中仍選擇SD卡作為存儲器，并以SD方式對其進(jìn)行讀寫。S3C2440集成有LCD和觸摸屏控制器，可根據(jù)需要選擇相應(yīng)的人機(jī)交互設(shè)備，例如點陣式LCD。S3C2440通過I2S音頻接口與具有A/D和D/A功能的低功耗音頻處理芯片UDA1341相連，實現(xiàn)音頻信號的采集和輸出。該系統(tǒng)經(jīng)以太網(wǎng)控制芯片DM9000A接入以太網(wǎng)，用于與微機(jī)相連進(jìn)行開發(fā)調(diào)試。為提高系統(tǒng)硬件的電磁兼容性能及可擴(kuò)展性，硬件設(shè)計上采用了核心板+擴(kuò)展板的模塊化結(jié)構(gòu)。核心板上包括S3C2440、FLASH和SDRAM芯片，其借助插針與擴(kuò)展板相連。擴(kuò)展板集成了各種外圍芯片和接口，可據(jù)實際需求更改設(shè)計方案，方便系統(tǒng)硬件的擴(kuò)展升級。
3.2 方案2的軟件設(shè)計
方案2的軟件結(jié)構(gòu)分為3層，見圖5。軟件開發(fā)平臺采用了嵌入式Linux操作系統(tǒng)。Linux是一種穩(wěn)定、高效、免費的開源操作系統(tǒng)，不僅支持多種體系結(jié)構(gòu)和大量硬件設(shè)備，而且其內(nèi)核可據(jù)實際需求裁剪。
[!--empirenews.page--] Linux環(huán)境下，應(yīng)用程序?qū)τ布O(shè)備的訪問，需依靠運行在內(nèi)核中的驅(qū)動程序作橋梁——軟件底層的驅(qū)動層提供了系統(tǒng)中所有硬件設(shè)備的操作接口，包括RS-232串口驅(qū)動、SD方式的SD卡驅(qū)動、兼容UDA1341音頻芯片的OSS(Open Sound System)音頻驅(qū)動及LCD驅(qū)動等；且?guī)缀跛序?qū)動程序均由Linux直接提供，無需研發(fā)者自己編寫。
軟件的中間層是應(yīng)用程序?qū)?，包括音頻解碼子程序、串口通信子程序、隨機(jī)數(shù)生成子程序等。在嵌入式Linux環(huán)境下，有更豐富的系統(tǒng)函數(shù)和開源軟件作支持，使應(yīng)用程序的實現(xiàn)更容易。例如，其中的MP3解碼子程序采用音頻解碼庫libmad提供的高級API編寫。libmad是一個開源的高精度MPEG音頻解碼庫，它支持MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)中Layer I、Layer II和LayerIII（即MP3）格式的音頻解碼，且解碼過程使用定點計算，非常適合沒有浮點運算支持的平臺(如ARM平臺)。使用libmad提供的高級API，很容易實現(xiàn)MP3數(shù)據(jù)的解碼，其過程只需打開對應(yīng)的音頻設(shè)備文件，并將SD卡上待解碼的音頻文件映射到內(nèi)存中，然后調(diào)用libmad的解碼函數(shù)即可。在方案1的實現(xiàn)上，研發(fā)者需自己編程實現(xiàn)的FAT文件格式處理、音頻參數(shù)提取和設(shè)置、解碼數(shù)據(jù)讀寫控制等功能，在本方案中均是由操作系統(tǒng)驅(qū)動程序以及l(fā)ibmad解碼庫中的庫函數(shù)自動完成的。另外，在OSS音頻驅(qū)動和SD卡驅(qū)動的支持下，可方便地實現(xiàn)對WAV音頻文件播放子程序的編制。WAV音頻文件由于直接存儲了PCM編碼的音頻數(shù)據(jù)，雖文件較大，但沒有壓縮失真，其音質(zhì)也優(yōu)于MP3。
軟件的上層是流程控制層。由于方案2與方案1所實現(xiàn)的功能基本相同，故其軟件的流程并無本質(zhì)差異，具體功能仍可參見圖3。嵌入式Linux具備多任務(wù)管理功能，即能以分時復(fù)用方式“同時”處理多個進(jìn)程，并提供有多種進(jìn)程間的通信協(xié)調(diào)機(jī)制，例如信號機(jī)制等。信號機(jī)制用于多任務(wù)間的通信，其實質(zhì)是在軟件層次上對中斷機(jī)制的一種模擬。與方案1不同的是，在嵌入式Linux環(huán)境中，使用信號機(jī)制能方便地實現(xiàn)中斷控制。在程序中設(shè)置為當(dāng)串口收到數(shù)據(jù)時，向系統(tǒng)進(jìn)程發(fā)出信號，系統(tǒng)進(jìn)程收到信號后轉(zhuǎn)向執(zhí)行事先指定的處理程序，從而實現(xiàn)中斷控制。
4 兩種實現(xiàn)方案的實驗測試和對比
按上述兩方案構(gòu)建了實現(xiàn)農(nóng)作物有害動物智能化聲防系統(tǒng)用的音頻控制子系統(tǒng)。實驗測試結(jié)果表明，以兩種方案研發(fā)的音頻控制子系統(tǒng)均達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，能準(zhǔn)確、可靠地與無線通信模塊通信，在總控制器控制下實時調(diào)整各種工作參數(shù)。音頻控制子系統(tǒng)在觸發(fā)、隨機(jī)2種工作模式下，均能準(zhǔn)確、清晰地播放當(dāng)前聲防目標(biāo)對應(yīng)的音頻文件。采用可熱插拔的SD卡確保了聲防音頻文件更新方便。而且基于所采用的FAT16文件格式，該子系統(tǒng)能支持最高容量為2 GB的SD卡，實現(xiàn)了大容量音頻文件的可靠存儲。
由于采用不同的硬件平臺而構(gòu)建，2種音頻控制子系統(tǒng)實現(xiàn)方案在功能、開發(fā)難度以及構(gòu)建成本等方面有所不同。
在功能方面，方案1能對比特率在192 kb/s及以下的MP3文件做流暢的解碼播放，但播放更高比特率的文件時，受AT89C51SND1處理速度以及現(xiàn)有程序的數(shù)據(jù)讀寫效率限制，不能保證寫入解碼緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的連續(xù)性，從而導(dǎo)致輸出聲音有間斷。而且由于硬件解碼的限制，不能對其他格式的音頻文件進(jìn)行解碼播放。方案2由于采用軟件解碼，且所選用微處理器S3C2440的主頻達(dá)400 MHz，理論上只要移植對應(yīng)的解碼子程序，便可對任何格式的音頻文件進(jìn)行解碼播放。對方案2的測試發(fā)現(xiàn)，其確實能對任意比特率的MP3、WAV格式的音頻文件進(jìn)行解碼播放。而且方案2中，系統(tǒng)完全有能力在完成音頻解碼任務(wù)之同時，還處理更多復(fù)雜的任務(wù)(MP3解碼程序只占用了S3C2440處理能力的7%左右)，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。例如，音頻控制子系統(tǒng)可在探測器節(jié)點發(fā)現(xiàn)有害動物后進(jìn)行聲音采集或視頻采集，并運行語音識別子程序或經(jīng)視覺檢測對探測到的有害動物種類進(jìn)行判斷，從而使整個聲防系統(tǒng)的聲防目標(biāo)更準(zhǔn)確，達(dá)到更好的聲防效果。另外，由于嵌入式操作系統(tǒng)對硬件的屏蔽性，實現(xiàn)方案2的軟件很容易在其他硬件平臺上移植。
在軟件開發(fā)過程中，方案1需要關(guān)注每個硬件設(shè)備的操作細(xì)節(jié)，其軟件的編程量較大。而方案2由于所選用的Linux操作系統(tǒng)直接提供硬件驅(qū)動程序，且也有大量開源軟件資源可供應(yīng)用程序編程所利用，故其軟件的開發(fā)相對容易。但方案2需移植嵌入式操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺，包括建立BootLoader引導(dǎo)程序，配置、編譯并移植操作系統(tǒng)內(nèi)核和文件系統(tǒng)等，這與采用向單片機(jī)直接燒寫程序的方案1相比，開發(fā)難度稍大。在軟件調(diào)試方面，方案1中單片機(jī)程序的每次變更都需重新寫入ROM。而方案2可利用Linux的網(wǎng)絡(luò)功能，將微機(jī)上的編程目錄以NFS方式掛載在嵌入式Linux文件系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)在微機(jī)端編寫、修改程序，在嵌入式Linux系統(tǒng)上直接“遠(yuǎn)程”運行修改后的程序，調(diào)試較為方便。
從構(gòu)建成本上比較，方案1的硬件成本更低一些。但隨著制造工藝的不斷進(jìn)步，32 bit微處理器的成本會進(jìn)一步降低，再考慮外圍器件的成本，以方案2構(gòu)建音頻控制子系統(tǒng)的性價比，與基于方案1構(gòu)建的相比已有優(yōu)勢。
數(shù)字化、智能化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢。為確?？煽啃院托阅茏顑?yōu)，本文利用嵌入式技術(shù)、采用兩種技術(shù)方案研發(fā)實現(xiàn)了農(nóng)作物有害動物智能化聲防系統(tǒng)中起重要作用的音頻控制子系統(tǒng)。實驗測試發(fā)現(xiàn)，“單片機(jī)+硬件解碼”構(gòu)建方案能基本滿足功能需求，但其系統(tǒng)性能和升級擴(kuò)展能力受到硬件限制；而“ARM微處理器+軟件解碼”構(gòu)建方案能完全滿足功能需求，而且具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性和可移植性。
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