基于CC2530的語(yǔ)音偵聽(tīng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案

張金榜，楊穎，何騫，喻濤，曾品善

（武警警官學(xué)院 信息工程系，成都610213）

引 言

語(yǔ)音偵聽(tīng)是為應(yīng)對(duì)犯罪手段新變化而采用的一種借助于高科技、具有隱秘性的強(qiáng)制偵查措施，能夠彌補(bǔ)常規(guī)偵查措施在查清犯罪事實(shí)方面的不足，在打擊嚴(yán)重犯罪或某些特殊類(lèi)型的犯罪方面發(fā)揮著不可或缺的作用[1-2]。

現(xiàn)有的語(yǔ)音偵聽(tīng)設(shè)備多采用有線傳輸方式，要完成語(yǔ)音偵聽(tīng)任務(wù)，需要在偵聽(tīng)區(qū)域內(nèi)先完成線路鋪設(shè)，部分無(wú)線語(yǔ)音偵聽(tīng)設(shè)備主要采用激光或雷達(dá)等手段實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信息的無(wú)線傳輸。常見(jiàn)的語(yǔ)音偵聽(tīng)節(jié)點(diǎn)的功耗都比較大，主要集中在語(yǔ)音處理、編碼及無(wú)線傳輸過(guò)程中。

分析現(xiàn)有的語(yǔ)音偵聽(tīng)設(shè)備不難發(fā)現(xiàn)：語(yǔ)音偵聽(tīng)區(qū)域的隨機(jī)性、復(fù)雜性及危險(xiǎn)性使得有線偵聽(tīng)設(shè)備無(wú)法滿足隨時(shí)隨地完成布設(shè)進(jìn)行偵聽(tīng)的要求，增加了執(zhí)行任務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。激光、雷達(dá)昂貴的價(jià)格使得以此作為通信手段的無(wú)線偵聽(tīng)設(shè)備不能普及推廣，語(yǔ)音編碼處理及無(wú)線傳輸?shù)母吖氖蛊錈o(wú)法滿足長(zhǎng)時(shí)間、不間斷偵聽(tīng)任務(wù)的需要。

因此，研究設(shè)計(jì)一種操作簡(jiǎn)單、使用方便、采用無(wú)線傳輸、低功耗的語(yǔ)音偵聽(tīng)節(jié)點(diǎn)，對(duì)于減少人力資源消耗，降低任務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和裝備成本，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間、不間斷的遠(yuǎn)距離語(yǔ)音偵聽(tīng)具有重要意義。

1 節(jié)點(diǎn)總體設(shè)計(jì)

遵循模塊化的設(shè)計(jì)思想，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)，根據(jù)語(yǔ)音偵聽(tīng)任務(wù)需求，本文設(shè)計(jì)的語(yǔ)音偵聽(tīng)節(jié)點(diǎn)由語(yǔ)音感知模塊、處理器模塊和電源模塊三部分組成，如圖1所示。其中，語(yǔ)音感知模塊包括語(yǔ)音采集單元和語(yǔ)音編碼單元，完成語(yǔ)音信號(hào)的檢測(cè)、采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換和編碼。處理器模塊包括處理器單元、存儲(chǔ)單元和無(wú)線通信單元，不僅負(fù)責(zé)整個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、執(zhí)行通信協(xié)議、節(jié)點(diǎn)調(diào)度管理和功率控制，而且還負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間按照一定的通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)、指令的發(fā)送和接收。電源模塊為各部分電路提供運(yùn)行時(shí)所需要的能量，維持節(jié)點(diǎn)正常工作。

圖1 語(yǔ)音偵聽(tīng)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

2 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

2.1 語(yǔ)音感知模塊設(shè)計(jì)

語(yǔ)音信號(hào)的獲取是完成語(yǔ)音偵聽(tīng)任務(wù)的首要環(huán)節(jié)，其質(zhì)量的好壞直接決定著語(yǔ)音偵聽(tīng)結(jié)果的準(zhǔn)確性。在比較分析ISD4003、MA600、SCO20G和CMX649等語(yǔ)音處理芯片的特點(diǎn)后，選取CMX649芯片作為偵聽(tīng)節(jié)點(diǎn)的語(yǔ)音感知模塊。CMX649芯片是一種集語(yǔ)音檢測(cè)、采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換、編碼多種功能于一體的集成芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)ADM編碼、PCM編碼，能夠滿足語(yǔ)音處理低功耗的要求[3]。

CMX649豐富的功能集成使其需要極少的外部原件就可完成語(yǔ)音信號(hào)的檢測(cè)與編碼，其外圍電路如圖2所示。

圖2 CMX649外圍電路

其中，引腳14、15、16、17和18與C-BUS總線連接，用于設(shè)置CMX649工作參數(shù)；C1、C2、C3、C4和R1、R2、R3、R4用于調(diào)整MIC放大器增益和頻率響應(yīng)，單位增益設(shè)為150 Hz，高低3 dB的滾降點(diǎn)設(shè)為15 k Hz；C5為直流阻斷電容，連接外部揚(yáng)聲放大器用來(lái)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器工作；晶振X1為4.096 MHz有源晶振，用來(lái)產(chǎn)生芯片工作時(shí)所需時(shí)鐘頻率；VDD和VBIAS分別與去耦電容C6和C7連接來(lái)獲得良好的噪聲性能。

2.2 處理器模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)從節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用需求、性能指標(biāo)和成本三個(gè)方面來(lái)確定處理器的選型。在比較分析免費(fèi)提供ZigBee協(xié)議棧的 MSP430C＋C1100/CC2420/CC2520方案和CC2430/CC2530、JN5121/JN513x、Ember＋EmberZNet2.0方案后，選擇TI公司的CC2530芯片作為語(yǔ)音偵聽(tīng)節(jié)點(diǎn)的處理器模塊。CC2530集成了微處理器、存儲(chǔ)器和射頻模塊，具有集成度高、功耗低、體積小、成本低和接口豐富的特點(diǎn)，完全能夠滿足語(yǔ)音偵聽(tīng)節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、預(yù)處理與無(wú)線傳輸時(shí)對(duì)處理器的要求[4]。

CC2530集成了多種特色功能模塊，只需要極少的外部元件就可完成節(jié)點(diǎn)的控制、數(shù)據(jù)的處理及無(wú)線傳輸，其外圍電路如圖3所示。在射頻電路中，天線使用單極子不平衡天線。輸入/輸出匹配網(wǎng)絡(luò)由分立電感、電容（C252、L252、C262、L261）組成，它能夠優(yōu)化天線的性能，減小在射頻電路連接時(shí)造成的頻率漂移，能夠匹配阻抗為50Ω的天線，達(dá)到芯片的最優(yōu)性能。

圖3 CC2530外圍電路

選用兩個(gè)晶振來(lái)保證CC2530無(wú)線發(fā)射/接收電路正常工作，主時(shí)鐘晶振采用32 MHz無(wú)源晶振，由XTAL1及電容C221和C231組成；32 k Hz時(shí)鐘晶振由XTAL2及電容C321和C331組成。為提高芯片工作的穩(wěn)定性，輸入電壓應(yīng)采用3.3 V穩(wěn)壓電源，接內(nèi)部參考電壓的外圍電阻R301的精度要在0.5%以上，且在電源處加入去耦電容。

2.3 電源模塊設(shè)計(jì)

由于CMX649芯片的工作電壓在2.7～5.5 V；CC2530的工作電壓為2.0～3.6 V，典型值為3.3 V。為簡(jiǎn)化電源模塊設(shè)計(jì)、減小節(jié)點(diǎn)體積，根據(jù)電壓一致性原則，將該節(jié)點(diǎn)的供電電壓定為3.3 V[5]。結(jié)合本節(jié)點(diǎn)需求，最終選取容量220 m A、電壓3.6 V的鋰電池完成供電。為使節(jié)點(diǎn)正常工作，需要通過(guò)電源轉(zhuǎn)換電路來(lái)實(shí)現(xiàn)3.6 V到3.3 V電壓的轉(zhuǎn)換。

在比較分析3.3 V電源管理芯片TPS76933、AS1117和TPS780330220的轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度后，選用TPS780330220來(lái) 實(shí) 現(xiàn)3.6～3.3 V 電 壓 的 轉(zhuǎn) 換。TPS780330220的最大驅(qū)動(dòng)電流為150 m A，可以滿足CC2530工作的需要，轉(zhuǎn)換效率高，有利于延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間。它的輸出電壓噪聲非常低，信噪抑制比高，對(duì)于較易受到干擾的語(yǔ)音信號(hào)而言，能夠減少背景噪聲的干擾、提高語(yǔ)音信息采集的精度[6]，具體電路如圖4所示。

圖4 3.3V電源電路

3 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)需求分析，節(jié)點(diǎn)加電后開(kāi)始工作，首先完成對(duì)CMX649和CC2530的初始化。而后依據(jù)能否檢測(cè)到語(yǔ)音信號(hào)來(lái)判斷編碼模塊和傳輸模塊是被喚醒進(jìn)入偵聽(tīng)狀態(tài)，還是繼續(xù)停留在休眠狀態(tài)。若進(jìn)入偵聽(tīng)狀態(tài)，則啟動(dòng)采樣，待完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、語(yǔ)音編碼后，調(diào)用發(fā)送子程序發(fā)送數(shù)據(jù)。此時(shí)，根據(jù)在一定時(shí)間范圍內(nèi)能否連續(xù)檢測(cè)到語(yǔ)音信號(hào)判斷偵聽(tīng)是否結(jié)束。如果連續(xù)檢測(cè)到語(yǔ)音信號(hào)，則偵聽(tīng)沒(méi)有結(jié)束，繼續(xù)進(jìn)行采樣、編碼處理和發(fā)送；反之，判斷偵聽(tīng)結(jié)束，節(jié)點(diǎn)的編碼傳輸模塊進(jìn)入到休眠狀態(tài)，語(yǔ)音激活檢測(cè)部分周期性工作，等待下一次檢測(cè)到語(yǔ)音信號(hào)。節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖5所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)程序流程圖

4 節(jié)點(diǎn)測(cè)試

4.1 偵聽(tīng)功能測(cè)試

測(cè)試環(huán)境示意圖如圖6所示，節(jié)點(diǎn)A為本文設(shè)計(jì)的語(yǔ)音偵聽(tīng)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)B為射頻接收端，節(jié)點(diǎn)B通過(guò)串口與PC端相連。其中，節(jié)點(diǎn)A運(yùn)行語(yǔ)音偵聽(tīng)?wèi)?yīng)用程序，節(jié)點(diǎn)B運(yùn)行接收程序。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)A處測(cè)試人員發(fā)出“您好”的聲音后，PC端顯示結(jié)果如圖7所示。從顯示結(jié)果看，節(jié)點(diǎn)A基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的采集、處理、傳輸功能，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

4.2 傳輸距離測(cè)試

將節(jié)點(diǎn)A放置在偵測(cè)區(qū)域，接收節(jié)點(diǎn)B通過(guò)串口與PC連接，使用Sniffer軟件顯示接收數(shù)據(jù)包情況，CC2530的輸出功率設(shè)置為0 dBm。如果Sniffer能接收到數(shù)據(jù)，PC上會(huì)有數(shù)據(jù)包顯示，同時(shí)LED閃爍，此時(shí)說(shuō)明A、B兩節(jié)點(diǎn)之間的距離在通信距離范圍內(nèi)；如果收不到數(shù)據(jù)，PC上沒(méi)有數(shù)據(jù)包顯示，LED不閃爍，此時(shí)A、B之間的距離超出有效通信范圍。以此來(lái)確定臨界點(diǎn)的位置，測(cè)量傳輸距離。選取10次測(cè)試數(shù)據(jù)如下，如圖8所示。平均最遠(yuǎn)通信距離為85.6 m，測(cè)試結(jié)果表明該節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)滿足應(yīng)用需求。

圖6 測(cè)試環(huán)境示意圖

圖7 PC端顯示結(jié)果

圖8 節(jié)點(diǎn)通信距離測(cè)試

結(jié) 語(yǔ)

基于CC2530的語(yǔ)音偵聽(tīng)節(jié)點(diǎn)，選取CC2530設(shè)計(jì)了核心處理器模塊，采用CMX649設(shè)計(jì)了語(yǔ)音感知模塊，采用TPS780330220設(shè)計(jì)了電源模塊。測(cè)試結(jié)果表明，該節(jié)點(diǎn)能穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與無(wú)線傳輸，具有體積小、使用方便、成本低、功耗低和偵聽(tīng)距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，為情報(bào)信息的獲取提供了一種新的、可靠的技術(shù)手段，可廣泛地應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知領(lǐng)域。

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