基于物聯網的實時語音通信研究及其應用

陳先財+孫俊杰+張久鵬+張偉

摘 要：物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，語音的實時通話在物聯網時代中更加體現出科技的不斷應用與創新。文章主要介紹了物聯網下的音頻實時通信技術。具體闡述了系統方案的分析與技術，以及系統平臺的搭建和實現方法，同時結合病房信息管理系統項目的實例，分析了語音通話的設計和實現方法。

關鍵詞：物聯網；嵌入式；實時；語音；病房信息管理系統

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

0 引 言

在物聯網的時代中信息技術和網絡技術發展迅速，多媒體的應用越來越廣泛，隨著物聯網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網發展的演進目標。對物聯網的多媒體的通信的要求越來越高，需求越來越多，就急需針對物聯網下的應用及其開發，以達到良好的實時通話的性能。

1 系統方案的分析與設計

在物聯網中系統方案有很多，不同的系統體系使設計難易程度也不同。隨著技術的不斷發展，對系統整體的設計越來越看重。使得選取系統方案成為整個設計與實現的重點。

1.1 Linux系統

嵌入式系統一般指非PC系統，把微處理器（CPU）或者微控制器（MCU）的系統電路與專用軟件相互結合，以應用為中心、計算機為基礎、軟硬件可裁剪、適用于應用系統，對功能、性能等特殊處理的專用系統。

嵌入式系統是將先進的電子技術應用相結合后的產物，決定了該行業是一個技術密集型、資金密集型、不斷創新的集成電路系統。例如風河的Vxworks之所以在火星車上得以應用，則是因為其高實時性和高可靠性。

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

Linux系統的前身基于Unix操作系統，是一個基于POSIX和Unix的多用戶、多任務、支持多線程和多CPU的操作系統。它能運行主要的Unix工具軟件、應用程序和網絡協議。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、硬軟件設備、操作系統、進程等等對于操作系統內核而言，都被視為擁有各自特點的文件。

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

完全兼容POSIX 1.0標準使得可以在Linux下通過相應的模擬器運行常見的DOS、Windows的程序。是用戶從Windows轉到Linux奠定了基礎。

Linux支持多用戶性，各個用戶對于自己的文件設備有自己特殊的權限，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，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處理器已廣泛應用于工業控制、消費電子產品、通信等領域。

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，指令執行速度更快；

（4）大多數數據操作都在寄存器中完成；

（5）尋址方式靈活簡單，執行效率高；

（6）指令長度固定。

ARM提供一系列內核、體系擴展、微處理器和系統芯片方案。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構，并和常用的綜合工具以及ARM compiler良好結合，多媒體處理擴展使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的處理更加迅速。

1.3 OSS與CSS

在聲卡的驅動有兩種；OSS（開放聲音系統）；ALSA（先進Linux聲音架構）。Kernel 2.6內核支持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應用程序無需更改就可使用ALSA驅動。為此本文選用OSS類型。

2 系統實現平臺的搭建

2.1 軟件搭建

2.1.1 Linux環境的配置

首先是要安裝Ubuntu 10.04.04 。Ubuntu是一個以桌面應用為主的Linux操作系統。其次是應當設置Ubuntu網絡參數，以實現PC機與開發板通信。然后就是安裝交叉編譯器：

# cd /forlinx （進入/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環境變量中，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，在終端里面執行arm-linux-gcc 并回車。

2.1.2 內核移植及根文件系統的制作

內核移植的方法如下：

（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） 配置內核

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

#sudo apt-get install libncurses5-dev

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

（3） 編譯內核

編譯內核的命令如下：

#make zImage

編譯結束后，將在內核源碼目錄的arch/arm/boot 中得到Linux 內核映像文件：zImage

根文件制作可以分為如下步驟：

（1）創建根文件系統的目錄；

（2）創建設備文件；

（3）安裝./etc；

（4）編譯內核模塊； 即進入Linux內核目錄 make modules APCH = arm

CROSS_COMPILE = arm-linux-

（5）安裝內核模塊；

（6）配置busybox； 即進入busybox目錄執行 make menuconfig，選中“Bulidbox as a static binary ”，靜態鏈接。

Cross compile prefix（arm-linux-）

Installation Options —>

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

（7）編譯、安裝busybox；

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

2.1.3 音頻驅動移植

音頻驅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

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

圖1 嵌入式系統硬件示意圖

2.3 Ok6410開發板

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的內核，可應用于移動電話和通用處理等領域；S3C6410為2.5G和3G通信服務提供了優化的硬件性能，內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，該處理器內置一個采用最先進技術的3D加速器，支持OpenGL ES 1.1/ 2.0和D3DMAPI， 能實現4M triangles/s的3D加速；同時，S3C6410包含了優化的外部存儲器接口，該接口能滿足在高端通信服務中的數據帶寬要求。由于以上突出的性能表現，著名的蘋果公司手機Iphone就是基于S3C6410處理器。

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

3 實時語言程序的設計

本系統的實時語言程序的設計代碼如下：

//初始化聲卡

int init_soundcard （int oflag）

{ /* 打開聲音設備 */

fd = open（"/dev/dsp"， oflag）；

/* 設置采樣時的量化位數 */

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

/* 設置采樣時的聲道數目 */

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

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

...

//錄音函數

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 語

本文開發的基于Linux 的嵌入式系統應用醫院病房管理系統，能滿足醫院病房、護士站系統提出的語音通信的要求，保證任務完成的實時性、可靠性、實現護士與病人的即時通信。相對于傳統的系統更容易實現系統集成和維護。在語音實時通信領域有很好的應用前景。

參 考 文 獻

[1]司永衛.實時語言傳輸系統的設計與軟件實現[D].成都：成都理工大學，2011.

[2]飛凌嵌入式.OK6410開發板硬件手冊[R].2012.

[3]程昌南.ARM Cortex-A8硬件設計DIY[M].北京：北京航空航天大學出版社.2012.

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

[5]史蒂文斯，拉戈，尤晉元，張亞英.UNIX環境高級編程[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：清華大學出版社，2002.

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

3 實時語言程序的設計

本系統的實時語言程序的設計代碼如下：

//初始化聲卡

int init_soundcard （int oflag）

{ /* 打開聲音設備 */

fd = open（"/dev/dsp"， oflag）；

/* 設置采樣時的量化位數 */

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

/* 設置采樣時的聲道數目 */

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

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

...

//錄音函數

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 語

本文開發的基于Linux 的嵌入式系統應用醫院病房管理系統，能滿足醫院病房、護士站系統提出的語音通信的要求，保證任務完成的實時性、可靠性、實現護士與病人的即時通信。相對于傳統的系統更容易實現系統集成和維護。在語音實時通信領域有很好的應用前景。

參 考 文 獻

[1]司永衛.實時語言傳輸系統的設計與軟件實現[D].成都：成都理工大學，2011.

[2]飛凌嵌入式.OK6410開發板硬件手冊[R].2012.

[3]程昌南.ARM Cortex-A8硬件設計DIY[M].北京：北京航空航天大學出版社.2012.

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

[5]史蒂文斯，拉戈，尤晉元，張亞英.UNIX環境高級編程[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：清華大學出版社，2002.

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

3 實時語言程序的設計

本系統的實時語言程序的設計代碼如下：

//初始化聲卡

int init_soundcard （int oflag）

{ /* 打開聲音設備 */

fd = open（"/dev/dsp"， oflag）；

/* 設置采樣時的量化位數 */

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

/* 設置采樣時的聲道數目 */

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

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

...

//錄音函數

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 語

本文開發的基于Linux 的嵌入式系統應用醫院病房管理系統，能滿足醫院病房、護士站系統提出的語音通信的要求，保證任務完成的實時性、可靠性、實現護士與病人的即時通信。相對于傳統的系統更容易實現系統集成和維護。在語音實時通信領域有很好的應用前景。

參 考 文 獻

[1]司永衛.實時語言傳輸系統的設計與軟件實現[D].成都：成都理工大學，2011.

[2]飛凌嵌入式.OK6410開發板硬件手冊[R].2012.

[3]程昌南.ARM Cortex-A8硬件設計DIY[M].北京：北京航空航天大學出版社.2012.

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

[5]史蒂文斯，拉戈，尤晉元，張亞英.UNIX環境高級編程[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：清華大學出版社，2002.

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