帶優(yōu)先級狀態(tài)機管理的輕量級無線音樂路由器

胡志坤　江　浩*　宋菁燁　李曉聰　廖遠勤　廖北平

1(中南大學物理與電子學院　湖南 長沙 410083)2(醴陵恒茂電子科技有限公司　湖南 醴陵 412200)

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帶優(yōu)先級狀態(tài)機管理的輕量級無線音樂路由器

胡志坤1江浩1*宋菁燁1李曉聰1廖遠勤2廖北平2

1(中南大學物理與電子學院湖南 長沙 410083)2(醴陵恒茂電子科技有限公司湖南 醴陵 412200)

摘要為了解決目前無線音樂路由器性能不穩(wěn)定問題，研究開發(fā)一個基于mips架構的輕量級無線音樂路由器。基于DLNA標準，采用Platinum架構設計并實現了輕量級DLNA控制點與設備交互發(fā)現模塊。設計了一個有優(yōu)先級的狀態(tài)機管理機制來管理交互控制模塊的命令序列，來避免頻繁音樂控制導致控制信號混亂的問題。設計了一個高保真無損音頻播放器，實現設備自動下載音頻文件序列表到本地，并采用基于ALSA的高級Linux聲音架構來實現音樂的高保真解碼，確保高品質的音樂輸出至音響設備。采用Chariot和Iperf軟件進行對音樂路由器與手機端的真實測試，吞吐量和用戶數據報協(xié)議的測試結果表明控制信號的無線傳輸性能高效穩(wěn)定，音質測試結果表明能夠得到高質量的音頻信號。

關鍵詞無線音樂路由器DLNAPlatinum優(yōu)先級狀態(tài)機音頻播放器

0引言

隨著無線傳輸技術的發(fā)展和數字媒體的流行，家庭網絡成為數字化的一個重要組成部分[1]。家庭音樂共享方面，目前有無線音箱和無線音樂路由器。消費者希望在家中的任何地方都能享受到豐富的多媒體內容，而不考慮這些媒體數據存儲在什么地方。目前，常用的無線WiFi音箱具有體積大、成本高，且控制部分與音箱直接集成，音質的好壞跟音響本身的關聯(lián)性很大，不利于音樂愛好者對音響的個性化需求。

數字生活網絡聯(lián)盟DLNA[2]是目前國際上主流的標準，以TCP/IP協(xié)議和UPnP[3]技術為基礎，可以實現家庭內部各種信息終端的自動發(fā)現、智能共享和協(xié)同服務[4]。文獻[5]詳細分析了DLNA標準協(xié)議的基本原理和框架，搭建簡單的實驗平臺，驗證了DLNA協(xié)議在家庭媒體共享中的可行性；文獻[6]將DLNA協(xié)議用于某一通信設備上，提出了共享多媒體內容的一個軟件實現方案；文獻[7]提出了一個擴展的DLNA媒體共享架構，訪問和共享家庭網絡與外部網絡的各種媒體內容；文獻[8]提出了一個安全的用戶代理訪問控制系統(tǒng)，有效地保護DLNA設備免受非認證控制點控制。目前，基于DLNA標準[9,10]的無線音樂路由器，主要是：(1) 由于DLNA標準的多媒體播放設備與多媒體控制服務器之間的傳輸狀態(tài)僅由一個全局的變量來識別，沒有嚴格的狀態(tài)機管理機制，當出現偶爾局域網無線信號不好時，用戶往往會頻繁操作控制點，導致設備端出現執(zhí)行動作和控制命令錯亂的現象；(2) 播放器性能較差，無法播放如WAV、FLAC、APE等格式的高保真無損音頻文件。

本文研究并開發(fā)一種不集成音響、只提供一個音頻輸出接口、具有網絡中繼的輕量級音樂路由器。采用Platinum架構構建輕量級的DLNA多媒體播放設備，設計了一個帶優(yōu)先級的狀態(tài)機管理機制來確保音樂路由器的控制指令有效達到音響，并設計了一個高保真無損音樂播放器。方案最終在Realtek公司的rtl8196e路由器上實現并測試，測試結果驗證了其正確性和可靠性。

1方案設計

本文設計研發(fā)了一種帶優(yōu)先級狀態(tài)機管理的輕量級無線音樂路由器，可實現在WiFi環(huán)境下音樂的無線推送功能，描述如下：將路由器音頻輸出接口與音箱輸入接口連接，打開手機終端音樂播放軟件DLNA功能，無線連接到路由器上的DLNA設備后即可推送手機上的音樂至音箱，實現音樂的共享并能夠無線控制音箱的播放、暫停、快進、下一曲等功能。其應用場景如圖1所示。

圖1　無線音樂路由器應用場景

以Realtek公司提供的RTL8196E路由器為硬件基礎，加上水晶公司的音頻解碼芯片CS4398，構建硬件環(huán)境。其硬件架構如圖2所示。

圖2　無線音樂路由器硬件架構

RTL8196E主芯片為MIPS架構，500MHz的主頻，內帶16KBCache；外帶128KB的SRAM，256MB的DDR；最大支持32MB的Flash存儲。RTL8196E的RGMII接口用于MAC層與PHY層的通信和管理，SPI接口連接FLASH存儲器，另有GPIO、I2C、UART接口未被占用。無線通信模塊采用高性能單芯片集成方案，在60×60(MM)空間內集成了無線路由器的主要器件，支持無線路由模式(Router)、無線接入點(AP)、中繼模式(Repeater)三種工作模式。CS4398音頻解碼芯片提供了一個完善的立體聲24位/192千赫數字至模擬(D/A)轉換系統(tǒng)，可實現120分貝動態(tài)范圍和0.0005%總諧波失真加噪音(THD+N)。整個系統(tǒng)的硬件架構簡潔、體積小、便于擴展。

為了實現上述無線音樂路由器的設計，目前不少采用rygel[11]架構，通過內部的“playbin”部件，運用GStreamer開源多媒體框架庫，來構造DLNA多媒體播放設備，但其開發(fā)不靈活，依賴的庫達到30余個，嚴重增加了系統(tǒng)功耗，拉低系統(tǒng)性能，且容易出現播放錯亂現象。Platinum軟件開發(fā)包SDK(SoftwareDevelopmentKit)提供了開發(fā)DLNA設備的基本框架，設備的尋址、發(fā)現過程被封裝在一個交互發(fā)現模塊中，通過裁剪該模塊，可以實現設備和控制點之間的互發(fā)現。本方案采用Platinum架構，構建出DLNA控制點和DLNA/UPnP設備。但要實現兩者之間的交互控制，還需要在此基礎上進行代碼重構和重寫，構建交互控制模塊，并設計一個高保真無損音頻播放器。

系統(tǒng)整體設計方案如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)整體設計方案

系統(tǒng)主要分為三層，底層為硬件層；中間層為Linux內核和硬件驅動程序；上層為應用程序，即為圖3中大虛線框內的部分，主要包括三個部分：DLNA設備搭建、高保真無損音頻播放器設計、DLNA設備和播放器之間的信息交互。

整個系統(tǒng)的運行包括如下四個部分：

(1) 設備發(fā)現過程，即當設備加入到網絡中，該設備向控制點廣播自己的存在及能夠提供的服務，并建立連接。

(2) 設備控制過程，即當設備連接到手機控制端后，可以向該設備發(fā)送控制消息，其中包括手機端音頻文件的URL地址等，通過獲取該控制消息，并以參數的形式傳遞給播放器。

(3) 下載播放過程，即播放器遠程下載模塊從手機端下載音頻文件，解碼后經Linux音頻驅動模塊輸出播放。

(4) 信息交互過程，即服務在運行時，可能改變某些變量的值，如音頻播放時間，這時需要及時地更新給手機控制點，保證手機端音樂播放器界面進度條正確顯示當前播放時間。

2DLNA設備

為了滿足不同用戶的開發(fā)需要，Platinum架構提供了針對不同DLNA設備的通用開發(fā)框架，以及過于細節(jié)化的DLNA標準支持，導致開發(fā)某一特定設備時系統(tǒng)資源冗余，增大系統(tǒng)內耗，因此本方案通過裁剪，保留音頻播放設備的基本特點，構建輕量級DLNA設備與控制點的交互發(fā)現模塊，并設計了一個帶有優(yōu)先級狀態(tài)機管理機制的交互控制模塊。

2.1UPnP AV框架工作過程

DLNA標準的協(xié)議結構中最重要的一層是設備的發(fā)現、控制和媒體管理，采用UPnPAV(Audio/Video，AV)[12]應用框架，該架構能夠發(fā)現家庭網絡上存在的其他設備和服務，并可以實現設備和應用對家庭網絡中媒體內容的識別、管理和分發(fā)。圖4是UPnPAV框架工作過程。

圖4　UPnP AV框架工作過程

從以上UPnP框架的工作過程可以看出，MediaServer端(手機音樂播放器后臺)提供以下幾個服務。

1) 內容目錄服務CDS(ContentDirectoryService)，讓用戶瀏覽音樂播放器媒體文件的目錄，包括有Browserd等動作。

2) 連接管理服務(ConnectionManagerService)，負責建立和管理接收端設備的網絡連接。

3) 傳輸控制服務AVT(AVTransportService)，實現暫停、快進等功能。

MediaRenderer端(無線音樂路由器)可以提供以下幾個服務。

1) 播放控制服務RCS(RendereringControlService)，讓用戶調整播放的效果，如音量等。

2) 連接管理服務(ConnectionManagerService)，負責建立和管理接收端設備的網絡連接。

3) 傳輸控制服務AVT(AVTransportService)，實現暫停、快進等功能。

ControlPoint(手機音樂播放器操作界面)主要為用戶提供操作界面，它提供的服務大多是接收用戶的操作指令，然后通過調用MediaServer和MediaRender的服務來實現。

2.2Media Render端交互控制模塊

基于DLNA標準，設計了一個輕量級的交互控制模塊，該模塊包括連接管理服務、播放控制服務與媒體傳輸控制服務三個部分。連接管理服務提供與匹配的MediaServer的連接信息管理；播放控制服務接收控制點發(fā)送過來的設備控制信息，如亮度調節(jié)、音量大小等；媒體傳輸控制服務接收控制點發(fā)送過來的設置媒體URL、播放、暫停、快進等控制動作。MediaRender功能模塊設計如圖5所示。

圖5　Medea Render功能模塊設計

MediaRender保存了一個狀態(tài)機用來記錄當前正在執(zhí)行的動作，狀態(tài)機中定義了播放、暫停、上/下一曲、快進/退、音量大小設置等所有MediaRender可能處于的執(zhí)行狀態(tài)。MediaRender的另一個重要組件就是播放器，接收控制點的設置和播放控制。

為了實現播放控制服務和媒體傳輸控制服務，需要獲取手機端的控制信息和參數信息，涉及的數據結構如下：

typedefstructStateVariableValue{

NPT_Stringmetadata；

NPT_Stringuri；

NPT_Stringcurrenturi；

NPT_Stringtarget;

Char*action；

}StateVariableValue；

其中，metadata為音頻文件頭信息，用于MediaRender讀取當前播放音頻文件的名稱、格式、大小、頻率和比特率等信息；uri和currenturi分別為音頻文件URL地址列表和當前音頻文件URL地址，用于MediaRender下載音頻文件；target為進度條拖拉目標位置，用戶實現快進/退功能；action為動作指令名，用于MdediaRender執(zhí)行動作并且更新狀態(tài)機狀態(tài)。

為了實現對設備的實際控制，還需要在MediaRender媒體播放模塊上定義一個PLT_MediaRenderer類，含播放、下一曲、快進等動作，建立了對設備的控制框架。

交互控制模塊的連接管理服務保證控制點與設備間的通信隧道正常，播放控制服務和媒體傳輸控制服務則實時監(jiān)控控制點發(fā)送過來的有效指令，如當控制點發(fā)出暫停指令時，媒體傳輸控制服務接收指令請求，提取出相應參數，并傳遞給PLT_MediaRenderer類中定義的暫停動作函數，該函數通過關閉音頻數據流輸出接口實現暫停功能。

本文根據以上過程，將對MediaRender設備的所有控制功能封裝在類PLT_MediaRenderer類定義到的動作函數中，實現了控制點與設備間交互控制模塊的設計。

2.3帶優(yōu)先級的狀態(tài)機管理方案

目前幾乎所有的方案都沒有為設備設計一個全面的狀態(tài)機管理架構，導致當服務和動作量突發(fā)性增大時，設備端容易出現執(zhí)行動作與控制指令紊亂。因此，在交互控制模塊中，設計了一個帶有優(yōu)先級的狀態(tài)機管理方案，管理流程如圖6所示。

圖6　狀態(tài)機管理方案設計

設備加電啟動后，初始化任務鏈表并將狀態(tài)機初始狀態(tài)設置為wait，等待控制點控制命令。當控制點發(fā)起控制動作時，由上節(jié)中提到的交互控制模塊獲取相應的控制參數，并判斷動作的優(yōu)先級，如果優(yōu)先級為1，則加入到任務鏈表的表頭，反之，則加入表尾。另外，程序初始化時，會循環(huán)監(jiān)聽狀態(tài)機當前狀態(tài)，如果狀態(tài)為wait且任務鏈表不為空，則從表頭取出一個任務節(jié)點，由交互控制模塊中定義的動作函數完成動作執(zhí)行，此時改變狀態(tài)機的狀態(tài)為當前動作狀態(tài)，執(zhí)行完畢后，恢復wait狀態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行下一個任務。圖7是狀態(tài)機的狀態(tài)轉移圖。

圖7　狀態(tài)機狀態(tài)轉移圖

當控制點頻繁操作，大量的動作指令涌入到設備端，為了提高系統(tǒng)的用戶感受，給所有的動作定義了優(yōu)先級別。如播放、暫停動作優(yōu)先級高，下一曲、上一曲動作優(yōu)先級低等。這樣避免了當用戶在頻繁發(fā)出下一曲指令后再次發(fā)出播放/暫停指令時由于系統(tǒng)延遲而帶來的指令暫時無效現象。動作指令的優(yōu)先級設計如表1所示。

表1　不同動作指令權重值

3高保真無損音頻播放器及交互模塊

MediaRender的另一個重要組件就是播放器，可以接受交互控制模塊的設置和播放控制。同時，播放器在接收到狀態(tài)機改變時，也會對外發(fā)出自己的最新狀態(tài)，以便其他控制點得到最新的狀態(tài)。

嵌入式系統(tǒng)播放MP3等有損壓縮格式的技術已經比較成熟，但支持無損壓縮格式的很少。為了提高無線音樂路由器輸出音頻質量，在ALSA聲音架構[13]上添加了支持WAV、FLAC和APE三種無損壓縮格式音頻文件的解碼模塊，實現支持高保真無損音樂播放功能，并在播放器上開發(fā)了遠程下載功能。

3.1播放器工作流程

編寫高保真無損音樂播放器程序的思路是：下載控制端音頻文件到本地，根據不同的編碼格式解碼，然后將所得音頻數據送入聲卡設備即可實現播放。具體流程如圖8所示。

圖8　播放器工作流程圖

圖8中虛線框內為遠程下載模塊，當手機端音樂播放軟件控制MediaRender播放音樂時，負責從手機端無線下載音頻文件到本地，并存儲到臨時文件中，播放器通過讀取臨時文件，獲取播放文件信息，經移植的ALSA音頻模塊解碼后播放。

3.2遠程下載模塊

播放器的遠程下載模塊是在其主體函數中編寫了一個遠程下載函數，實現無線下載功能。函數基于libcurl庫編寫，它是一個簡單易用的基于URL傳輸的客戶端開發(fā)庫。函數的流程如圖9所示。

圖9　遠程下載函數流程圖

當MediaRender接收到控制點播放指令時，遠程下載模塊會先開辟一段內存單元，用于存儲下載的音頻文件，然后初始化一系列變量，包括音頻文件url地址、文件讀取指針、函數執(zhí)行最長時間、最大下載速度等，接著處理由交互控制模塊獲取的音頻文件地址并開始下載，下載的音頻數據流經處理后回調給文件指針指向的文件。接下來的文件讀取和解碼再由播放器的其他模塊完成。

3.3MediaRender與播放器之間的信息交互模塊

為了保證手機端音樂播放軟件界面時間進度條顯示的實時性，需要MediaSever、MediaRender和播放器三個進程之間周期性地傳遞時間信息，該過程采用socket編程機制完成，通信流程如圖10所示。

圖10　進程間時間信息通信

播放器計算音頻文件總時長和當前播放時間，MediaRender獲得該時間信息，然后發(fā)送到手機端音樂播放軟件后臺服務器，以進度條的形式顯示到手機界面。

4方案實現與測試

4.1DLNA設備端與控制點互聯(lián)測試

整個方案實現并移植到開發(fā)板后，用Xshell終端模擬軟件以串口形式登錄開發(fā)板，開機啟動，后臺運行如圖11所示，可以看到DLNA設備正常運行。

圖11　系統(tǒng)啟動界面

圖12　手機端DLNA設備列表

手機端連接到音樂路由器WiFi，打開KuGou音樂播放器(任何支持DLNA功能的音樂播放器均可)，開啟DLNA功能，點擊播放界面左上角DLNA按鈕，路由器端的DLNA軟件設備MusicRouter-8196E會出現在手機端列表中，如圖12所示。

點擊選擇MusicRouter-8196E，手機(DLNA控制點)與音樂路由器(DLNA設備端)建立無線連接，此時通過手機端Kugou音樂播放器，可以控制路由器上的DLNA設備進行相應動作。播放延遲半秒左右，音質清晰。此時路由器上系統(tǒng)運行情況如圖13所示。

圖13　播放狀態(tài)路由器系統(tǒng)后臺界面

圖14為方案實物圖。

圖14　方案實物圖

4.2音質測試

用SoundTechnology公司出品的SpectraLAB4.32音頻測試軟件進行音質檢測。圖15為無線音樂路由器播放頻率1KHz的音頻文件得到的頻譜圖。從圖中可以看出在中高頻段以下(0～900Hz)比較平直，變化幅度小于2db；在1K諧波曲線上表現為：左右聲道音色表現比較平衡；由基波1K到2K頻段諧波衰減速度比較快。總體來說音質很不錯。

圖15　SpectraLAB 4.32音質測試頻譜圖

4.3網絡性能測試

吞吐量測試表示在單位時間內通過某個網絡(或信道、接口)的數據量，是評價網絡承載能力和傳輸性能的一個參數。開啟無線音樂路由器NAT功能且關閉防火墻，用兩臺安裝有Chariot軟件的電腦，一臺接路由器WAN口，另一臺接LAN口，通過統(tǒng)計一個預定長度和格式的腳本文件無差錯的從一臺電腦傳輸到另一臺電腦的時間來計算路由器的吞吐量。圖16中，Chariot軟件測試吞吐量平均值為22.5Mb/s；圖17中Iperf軟件測試結果為平均22.4Mb/s。可知無線音樂路由器吞吐量穩(wěn)定在22.5Mb/s左右，與原始的8196E路由器的23Mb/s相差僅0.5Mb/s，證明了沒有因在系統(tǒng)中運行了DLNA設備而影響到路由器網絡性能。

圖16　Charoit測試吞吐量

圖17　Iperf測試吞吐量

利用Iperf軟件統(tǒng)計了無線音樂路由器中用戶數據報協(xié)議UDP(UserDatagramProtocol)測試信息，如圖18所示。UDP包延遲平均時間(Jitter)是0.137ms，帶寬(BandWidth)是1.05M/s，丟包率0。

圖18　UDP測試的統(tǒng)計信息

以上測試表明了系統(tǒng)具有高效且穩(wěn)定的網絡性能。

5結語

本文在Realtek公司的8196E路由器上，添加音頻解碼芯片，移植ALSA高級Linux聲音架構，搭建控制點與設備端交互發(fā)現模塊，設計了帶有優(yōu)先級狀態(tài)機管理的交互控制模塊，以及設計了一個高保真無損嵌入式音頻播放器，完成了帶優(yōu)先級狀態(tài)機管理的輕量級無線音樂路由器的開發(fā)。采用Chariot和Iperf軟件進行吞吐量和用戶數據協(xié)議(UDP)測試，結果表明網絡性能高效穩(wěn)定；采用SpectraLAB軟件進行音質測試，結果表明音頻質量滿足用戶需要。

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A LIGHTWEIGHT WIRELESS MUSIC ROUTER WITH PRIORITY STATEMACHINEMANAGEMENT

Hu Zhikun1Jiang Hao1*Song Jingye1Li Xiaocong1Liao Yuanqin2Liao Beiping2

1(School of Physics and Electronics,Central South University,Changsha 410083,Hunan,China)2(Liling Hengmao Electronic Technology Co., Ltd.,Liling 412200,Hunan,Chin)

AbstractIn order to solve the problem that the performance of wireless music router is unstable, we studied and designed a mips architecture-based lightweight wireless music router. Based on DLNA standard, we used the Platinum framework to design and implement the lightweight module for interactive discovery of DLNA control point and device, and designed a state machine management mechanism with priority to manage the order sequence of interactive control module so as to avoid the problem of unordered control signals caused by frequent music controls. We designed a high fidelity and lossless audio player, it realises the automatic download of audio files to local by DLNA devices. Moreover we used the ALSA-based advanced Linux sound architecture to achieve high fidelity music decoding and thus ensured the high quality music output to audio equipment. We used the software Chariot and Iperf in real tests of music router and mobile phone, test results of throughput and user datagram protocol showed that the wireless transmission performance of control signal was efficient and stable, test result of sound quality also showed that it was able to obtain high quality audio signal.

KeywordsWireless music routerDigital Living Network Alliance (DLNA)PlatinumPriorityState machineAudio player

收稿日期：2015-02-17。國家自然科學基金項目(61273159)；湖南省自然科學基金株洲聯(lián)合基金項目(13JJ9038)；湖南省科技計劃項目(2013GK3005)。胡志坤，教授，主研領域：復雜系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。江浩，碩士生。宋菁燁，碩士生。李曉聰，碩士生。廖遠勤，本科生。廖北平，高工。

中圖分類號TP393.05

文獻標識碼A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.06.025