基于物聯(lián)網(wǎng)的實時語音通信研究及其應(yīng)用

陳先財+孫俊杰+張久鵬+張偉

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，語音的實時通話在物聯(lián)網(wǎng)時代中更加體現(xiàn)出科技的不斷應(yīng)用與創(chuàng)新。文章主要介紹了物聯(lián)網(wǎng)下的音頻實時通信技術(shù)。具體闡述了系統(tǒng)方案的分析與技術(shù)，以及系統(tǒng)平臺的搭建和實現(xiàn)方法，同時結(jié)合病房信息管理系統(tǒng)項目的實例，分析了語音通話的設(shè)計和實現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；嵌入式；實時；語音；病房信息管理系統(tǒng)

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）02-0075-03

0 引 言

在物聯(lián)網(wǎng)的時代中信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速，多媒體的應(yīng)用越來越廣泛，隨著物聯(lián)網(wǎng)的概念不斷深入人心，可尋址、可通信、可控制、泛在化與開放模式正逐漸成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的演進(jìn)目標(biāo)。對物聯(lián)網(wǎng)的多媒體的通信的要求越來越高，需求越來越多，就急需針對物聯(lián)網(wǎng)下的應(yīng)用及其開發(fā)，以達(dá)到良好的實時通話的性能。

1 系統(tǒng)方案的分析與設(shè)計

在物聯(lián)網(wǎng)中系統(tǒng)方案有很多，不同的系統(tǒng)體系使設(shè)計難易程度也不同。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，對系統(tǒng)整體的設(shè)計越來越看重。使得選取系統(tǒng)方案成為整個設(shè)計與實現(xiàn)的重點。

1.1 Linux系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)，把微處理器（CPU）或者微控制器（MCU）的系統(tǒng)電路與專用軟件相互結(jié)合，以應(yīng)用為中心、計算機為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪、適用于應(yīng)用系統(tǒng)，對功能、性能等特殊處理的專用系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的電子技術(shù)應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，決定了該行業(yè)是一個技術(shù)密集型、資金密集型、不斷創(chuàng)新的集成電路系統(tǒng)。例如風(fēng)河的Vxworks之所以在火星車上得以應(yīng)用，則是因為其高實時性和高可靠性。

嵌入式系統(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用需求對軟硬件進(jìn)行裁剪，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。所以，建立類似的軟硬件基礎(chǔ)，然后在此基礎(chǔ)上開發(fā)出各種應(yīng)用需要的系統(tǒng)。目前的嵌入式系統(tǒng)的核心往往是一個只有幾KB到幾十KB的微內(nèi)核，需要根據(jù)實際的應(yīng)用進(jìn)行功能擴(kuò)展或者裁減，但是由于微內(nèi)核的存在，使得這種擴(kuò)展能夠非常順利的進(jìn)行。為此本文選用的是Linux系統(tǒng)。

Linux系統(tǒng)的前身基于Unix操作系統(tǒng)，是一個基于POSIX和Unix的多用戶、多任務(wù)、支持多線程和多CPU的操作系統(tǒng)。它能運行主要的Unix工具軟件、應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它支持32位和64位硬件。

Linux的基本思想：所有的都是文件；每個文件都有特定的功能。包括命令、硬軟件設(shè)備、操作系統(tǒng)、進(jìn)程等等對于操作系統(tǒng)內(nèi)核而言，都被視為擁有各自特點的文件。

Linux是一款免費的操作系統(tǒng)，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)或其他途徑免費獲得，并可以任意修改其源代碼。這是其他操作系統(tǒng)所做不到的。正是由于這一點，來自全世界的無數(shù)程序員參與了Linux的修改、編寫工作，程序員可以根據(jù)自己的興趣和靈感對其進(jìn)行改變，這讓Linux吸收了無數(shù)程序員的精華，不斷壯大。

完全兼容POSIX 1.0標(biāo)準(zhǔn)使得可以在Linux下通過相應(yīng)的模擬器運行常見的DOS、Windows的程序。是用戶從Windows轉(zhuǎn)到Linux奠定了基礎(chǔ)。

Linux支持多用戶性，各個用戶對于自己的文件設(shè)備有自己特殊的權(quán)限，保證了各用戶之間互不影響。

Linux可以運行在多種硬件平臺上，如具有x86、680x0、SPARC、Alpha等處理器的平臺。此外Linux還是一種嵌入式操作系統(tǒng)，可以運行在電腦、手機等上。

1.2 ARM處理器

作為一種嵌入式處理器，ARM處理器以低成本、高性能。得到了廣大公司及個人的喜愛。目前，ARM處理器已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、消費電子產(chǎn)品、通信等領(lǐng)域。

ARM處理器的主要特點如下：

（1）體積小、低功耗、低成本、高性能；

（2）支持Thumb（16）/ARM（32位）雙指令集，能很好地處理兼容性；

（3）大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；

（4）大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；

（5）尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高；

（6）指令長度固定。

ARM提供一系列內(nèi)核、體系擴(kuò)展、微處理器和系統(tǒng)芯片方案。目前非常流行的ARM芯核有ARM7 TDMI，ARM720T，ARM9 TDMI，ARM922T，ARM940T，ARM946T，ARM966T，ARM10 TDMI等。本文所選用是ARM11系列，其內(nèi)核時鐘頻率為350～500 MHZ，ARM11處理器的功耗可以低至0.4 mW/MHz。ARM11處理器采用了易于綜合的流水線結(jié)構(gòu)，并和常用的綜合工具以及ARM compiler良好結(jié)合，多媒體處理擴(kuò)展使MPEG4編碼/解碼加快一倍，音頻處理加快一倍，增強的異常和中斷處理使實時任務(wù)的處理更加迅速。

1.3 OSS與CSS

在聲卡的驅(qū)動有兩種；OSS（開放聲音系統(tǒng)）；ALSA（先進(jìn)Linux聲音架構(gòu)）。Kernel 2.6內(nèi)核支持ALSA了，但是OSS編程是比較容易上手的，也比較符合Linux的編程框架，而且ALSA配置的時候也可選擇OSS支持，這樣OSS應(yīng)用程序無需更改就可使用ALSA驅(qū)動。為此本文選用OSS類型。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)平臺的搭建

2.1 軟件搭建

2.1.1 Linux環(huán)境的配置

首先是要安裝Ubuntu 10.04.04 。Ubuntu是一個以桌面應(yīng)用為主的Linux操作系統(tǒng)。其次是應(yīng)當(dāng)設(shè)置Ubuntu網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，以實現(xiàn)PC機與開發(fā)板通信。然后就是安裝交叉編譯器：

# cd /forlinx （進(jìn)入/forlinx目錄）

# mkdri /usr/local/arm

#tar zxvf arm-linux-gcc-4.3.2.tgz -C /

把交叉編譯器路徑添加到系統(tǒng)環(huán)境變量中，以后就可以直接在終端窗口中輸入arm-linux-gcc命令來編譯程序。接著是在終端中執(zhí)行：vi /etc/profie

再就是添加以下4行到該文件中：

export PATH=/usr/local/arm/4.3.2/bin：$PATH

export TOOLCHAIN=/usr/local/arm/4.3.2

export TB_CC_PREFIX=arm-linuxexport

PKG_CONFIG_PREFIX=$TOOLCHAIN/arm-none-linux-gnueabi

最后保存并退出。重新啟動系統(tǒng)，在終端里面執(zhí)行arm-linux-gcc 并回車。

2.1.2 內(nèi)核移植及根文件系統(tǒng)的制作

內(nèi)核移植的方法如下：

（1） 編譯 Linux-3.0.1

即將壓縮包‘FORLINX_linux-3.0.1.tar.gz 拷貝到工作目錄下，然后解壓縮：

#tar zxf FORLINX_linux-3.0.1.tar.gz

（2） 配置內(nèi)核

配置內(nèi)核需要先安裝‘libncurses5，以方便使用‘make menuconfig 命令：

#sudo apt-get install libncurses5-dev

如果執(zhí)行命令后無法找到libncurses5-dev 安裝包，那就需要先執(zhí)行#sudo apt-get update，再執(zhí)行#sudo apt-get install libncurses5-dev

（3） 編譯內(nèi)核

編譯內(nèi)核的命令如下：

#make zImage

編譯結(jié)束后，將在內(nèi)核源碼目錄的arch/arm/boot 中得到Linux 內(nèi)核映像文件：zImage

根文件制作可以分為如下步驟：

（1）創(chuàng)建根文件系統(tǒng)的目錄；

（2）創(chuàng)建設(shè)備文件；

（3）安裝./etc；

（4）編譯內(nèi)核模塊； 即進(jìn)入Linux內(nèi)核目錄 make modules APCH = arm

CROSS_COMPILE = arm-linux-

（5）安裝內(nèi)核模塊；

（6）配置busybox； 即進(jìn)入busybox目錄執(zhí)行 make menuconfig，選中“Bulidbox as a static binary ”，靜態(tài)鏈接。

Cross compile prefix（arm-linux-）

Installation Options —>

然后選中“Dont use/usr”，再選中該項可以避免busybox被安裝到宿主系統(tǒng)的/usr目錄下，破壞宿主系統(tǒng)。

（7）編譯、安裝busybox；

Make ARCH = arm CROSS_COMPILE = arm-linux- Make install

2.1.3 音頻驅(qū)動移植

音頻驅(qū)動移植的程序代碼如下：

$ make menuconfig

Device Drivers --->

<*> Sound card support --->

<*> Advanced Linux Sound Architecture --->

<*> OSS Mixer API

<*> OSS PCM （digital audio） API

[*] OSS PCM （digital audio） API - Include pugin system

<*> ALSA for SoC audio support --->

<*> ASoC support for Samsung

<*> SoC AC97 Audio support for SMDKC100 - WM9713

2.2 硬件搭建

嵌入式系統(tǒng)的硬件一般包括處理器/微處理器、存儲器及外設(shè)器件和輸入輸出端口等。圖1所示是嵌入式系統(tǒng)的硬件示意圖。

圖1 嵌入式系統(tǒng)硬件示意圖

2.3 Ok6410開發(fā)板

S3C6410是由三星公司推出的一款低功耗、高性價比的處理器，它基于ARM11的內(nèi)核，可應(yīng)用于移動電話和通用處理等領(lǐng)域；S3C6410為2.5G和3G通信服務(wù)提供了優(yōu)化的硬件性能，內(nèi)置強大的硬件加速器：包括運動視頻處理、音頻處理、2D加速、顯示處理和縮放等；集成了一個MFC（Multi-Format video Codec）支持MPEG4 /H.263/H.264編解碼和VC1的解碼，可以提供實時的視頻會議以及NRSC和PAL制式的TV輸出；除此之外，該處理器內(nèi)置一個采用最先進(jìn)技術(shù)的3D加速器，支持OpenGL ES 1.1/ 2.0和D3DMAPI， 能實現(xiàn)4M triangles/s的3D加速；同時，S3C6410包含了優(yōu)化的外部存儲器接口，該接口能滿足在高端通信服務(wù)中的數(shù)據(jù)帶寬要求。由于以上突出的性能表現(xiàn)，著名的蘋果公司手機Iphone就是基于S3C6410處理器。

OK6410開發(fā)板基于三星公司最新的ARM11處理器S3C6410，擁有強大的內(nèi)部資源和視頻處理能力，可穩(wěn)定運行在667 MHz主頻以上，支持Mobile DDR和多種NAND FLASH。OK6410開發(fā)板上集成了多種高端接口，如復(fù)合視頻信號、攝像頭、USB、SD卡、液晶屏、以太網(wǎng)，并配備溫度傳感器和紅外接收頭等。

3 實時語言程序的設(shè)計

本系統(tǒng)的實時語言程序的設(shè)計代碼如下：

//初始化聲卡

int init_soundcard （int oflag）

{ /* 打開聲音設(shè)備 */

fd = open（"/dev/dsp"， oflag）；

/* 設(shè)置采樣時的量化位數(shù) */

status = ioctl（fd， SOUND_PCM_WRITE_BITS， &arg）；

/* 設(shè)置采樣時的聲道數(shù)目 */

status=ioctl（fd，SOUND_PCM_WRITE_CHANNELS， &arg）； /* 設(shè)置采樣時的采樣頻率 */

status = ioctl（fd， SOUND_PCM_WRITE_RATE， &arg）；

...

//錄音函數(shù)

int recorddata（int soundfdr， unsigned char *buf）

{ ...

status=read（soundfdr，buf， （LENGTH*RATE*SIZE*CHANNELS/8000））； // 錄音

//close （soundfd）；

}

//聲音播放程序

int playsound（int soundfdw， unsigned char *buf）

{

status=write（soundfdw，buf， （LENGTH*RATE*SIZE*CHANNELS/8000））； /* 回放 */

}

While（1）

{

...

playsound （soundfdw， buf1）；

recorddata （soundfdr ， buf1）；

playsound （soundfdw， buf2）；

recorddata （soundfdr ， buf2）；

...

}

4 結(jié) 語

本文開發(fā)的基于Linux 的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用醫(yī)院病房管理系統(tǒng)，能滿足醫(yī)院病房、護(hù)士站系統(tǒng)提出的語音通信的要求，保證任務(wù)完成的實時性、可靠性、實現(xiàn)護(hù)士與病人的即時通信。相對于傳統(tǒng)的系統(tǒng)更容易實現(xiàn)系統(tǒng)集成和維護(hù)。在語音實時通信領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]司永衛(wèi).實時語言傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與軟件實現(xiàn)[D].成都：成都理工大學(xué)，2011.

[2]飛凌嵌入式.OK6410開發(fā)板硬件手冊[R].2012.

[3]程昌南.ARM Cortex-A8硬件設(shè)計DIY[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2012.

[4]楊黎明.基于RTP協(xié)議的實時語音傳輸研究與實現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.

[5]史蒂文斯，拉戈，尤晉元，張亞英.UNIX環(huán)境高級編程[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[6]WALL K.GNU/Linux編程指南（第二版）[M].張輝，譯. 北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[7]劉華，李軍紅，陽武嬌.基于PXA255的VOIP語音傳輸系統(tǒng)研究[J]. 電子技術(shù)，2011（9）：79-81.

3 實時語言程序的設(shè)計

本系統(tǒng)的實時語言程序的設(shè)計代碼如下：

//初始化聲卡

int init_soundcard （int oflag）

{ /* 打開聲音設(shè)備 */

fd = open（"/dev/dsp"， oflag）；

/* 設(shè)置采樣時的量化位數(shù) */

status = ioctl（fd， SOUND_PCM_WRITE_BITS， &arg）；

/* 設(shè)置采樣時的聲道數(shù)目 */

status=ioctl（fd，SOUND_PCM_WRITE_CHANNELS， &arg）； /* 設(shè)置采樣時的采樣頻率 */

status = ioctl（fd， SOUND_PCM_WRITE_RATE， &arg）；

...

//錄音函數(shù)

int recorddata（int soundfdr， unsigned char *buf）

{ ...

status=read（soundfdr，buf， （LENGTH*RATE*SIZE*CHANNELS/8000））； // 錄音

//close （soundfd）；

}

//聲音播放程序

int playsound（int soundfdw， unsigned char *buf）

{

status=write（soundfdw，buf， （LENGTH*RATE*SIZE*CHANNELS/8000））； /* 回放 */

}

While（1）

{

...

playsound （soundfdw， buf1）；

recorddata （soundfdr ， buf1）；

playsound （soundfdw， buf2）；

recorddata （soundfdr ， buf2）；

...

}

4 結(jié) 語

本文開發(fā)的基于Linux 的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用醫(yī)院病房管理系統(tǒng)，能滿足醫(yī)院病房、護(hù)士站系統(tǒng)提出的語音通信的要求，保證任務(wù)完成的實時性、可靠性、實現(xiàn)護(hù)士與病人的即時通信。相對于傳統(tǒng)的系統(tǒng)更容易實現(xiàn)系統(tǒng)集成和維護(hù)。在語音實時通信領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]司永衛(wèi).實時語言傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與軟件實現(xiàn)[D].成都：成都理工大學(xué)，2011.

[2]飛凌嵌入式.OK6410開發(fā)板硬件手冊[R].2012.

[3]程昌南.ARM Cortex-A8硬件設(shè)計DIY[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2012.

[4]楊黎明.基于RTP協(xié)議的實時語音傳輸研究與實現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.

[5]史蒂文斯，拉戈，尤晉元，張亞英.UNIX環(huán)境高級編程[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[6]WALL K.GNU/Linux編程指南（第二版）[M].張輝，譯. 北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[7]劉華，李軍紅，陽武嬌.基于PXA255的VOIP語音傳輸系統(tǒng)研究[J]. 電子技術(shù)，2011（9）：79-81.

3 實時語言程序的設(shè)計

本系統(tǒng)的實時語言程序的設(shè)計代碼如下：

//初始化聲卡

int init_soundcard （int oflag）

{ /* 打開聲音設(shè)備 */

fd = open（"/dev/dsp"， oflag）；

/* 設(shè)置采樣時的量化位數(shù) */

status = ioctl（fd， SOUND_PCM_WRITE_BITS， &arg）；

/* 設(shè)置采樣時的聲道數(shù)目 */

status=ioctl（fd，SOUND_PCM_WRITE_CHANNELS， &arg）； /* 設(shè)置采樣時的采樣頻率 */

status = ioctl（fd， SOUND_PCM_WRITE_RATE， &arg）；

...

//錄音函數(shù)

int recorddata（int soundfdr， unsigned char *buf）

{ ...

status=read（soundfdr，buf， （LENGTH*RATE*SIZE*CHANNELS/8000））； // 錄音

//close （soundfd）；

}

//聲音播放程序

int playsound（int soundfdw， unsigned char *buf）

{

status=write（soundfdw，buf， （LENGTH*RATE*SIZE*CHANNELS/8000））； /* 回放 */

}

While（1）

{

...

playsound （soundfdw， buf1）；

recorddata （soundfdr ， buf1）；

playsound （soundfdw， buf2）；

recorddata （soundfdr ， buf2）；

...

}

4 結(jié) 語

本文開發(fā)的基于Linux 的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用醫(yī)院病房管理系統(tǒng)，能滿足醫(yī)院病房、護(hù)士站系統(tǒng)提出的語音通信的要求，保證任務(wù)完成的實時性、可靠性、實現(xiàn)護(hù)士與病人的即時通信。相對于傳統(tǒng)的系統(tǒng)更容易實現(xiàn)系統(tǒng)集成和維護(hù)。在語音實時通信領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]司永衛(wèi).實時語言傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與軟件實現(xiàn)[D].成都：成都理工大學(xué)，2011.

[2]飛凌嵌入式.OK6410開發(fā)板硬件手冊[R].2012.

[3]程昌南.ARM Cortex-A8硬件設(shè)計DIY[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2012.

[4]楊黎明.基于RTP協(xié)議的實時語音傳輸研究與實現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.

[5]史蒂文斯，拉戈，尤晉元，張亞英.UNIX環(huán)境高級編程[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[6]WALL K.GNU/Linux編程指南（第二版）[M].張輝，譯. 北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[7]劉華，李軍紅，陽武嬌.基于PXA255的VOIP語音傳輸系統(tǒng)研究[J]. 電子技術(shù)，2011（9）：79-81.