基于物联网的实时语音通信研究及其应用

时间：2021-11-19 20:40:36

关键字：物联网嵌入式实时语音病房信息管理系统

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[导读]摘要：物联网是新一代信息技术的重要组成部分，语音的实时通话在物联网时代中更加体现出科技的不断应用与创新。文章主要介绍了物联网下的音频实时通信技术。具体阐述了系统方案的分析与技术，以及系统平台的搭建和实现方法，同时结合病房信息管理系统项目的实例，分析了语音通话的设计和实现方法。

引言

在物联网的时代中信息技术和网络技术发展迅速，多媒体的应用越来越广泛，随着物联网的概念不断深入人心，可寻址、可通信、可控制、泛在化与开放模式正逐渐成为物联网发展的演进目标。对物联网的多媒体的通信的要求越来越高,需求越来越多，就急需针对物联网下的应用及其开发，以达到良好的实时通话的性能。

1系统方案的分析与设计

在物联网中系统方案有很多，不同的系统体系使设计难易程度也不同。随着技术的不断发展，对系统整体的设计越来越看重。使得选取系统方案成为整个设计与实现的重点。

Linux系统

嵌入式系统一般指非PC系统，把微处理器(CPU)或者微控制器(MCU)的系统电路与专用软件相互结合，以应用为中心、计算机为基础、软硬件可裁剪、适用于应用系统，对功能、性能等特殊处理的专用系统。

嵌入式系统是将先进的电子技术应用相结合后的产物,决定了该行业是一个技术密集型、资金密集型、不断创新的集成电路系统。例如风河的Vxworks之所以在火星车上得以应用，则是因为其高实时性和高可靠性。

嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。所以，建立类似的软硬件基础，然后在此基础上开发出各种应用需要的系统。目前的嵌入式系统的核心往往是一个只有几KB到几十KB的微内核，需要根据实际的应用进行功能扩展或者裁减,但是由于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利的进行。为此本文选用的是Linux系统。

Linux系统的前身基于Unix操作系统，是一个基于POSIX和Unix的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。它能运行主要的Unix工具软件、应用程序和网络协议。它支持32位和64位硬件。

Linux的基本思想：所有的都是文件；每个文件都有特定的功能。包括命令、硬软件设备、操作系统、进程等等对于操作系统内核而言，都被视为拥有各自特点的文件。

Linux是一款免费的操作系统，用户可以通过网络或其他途径免费获得，并可以任意修改其源代码。这是其他操作系统所做不到的。正是由于这一点，来自全世界的无数程序员参与了Linux的修改、编写工作，程序员可以根据自己的兴趣和灵感对其进行改变，这让Linux吸收了无数程序员的精华，不断壮大。

完全兼容POSIX1.0标准使得可以在Linux下通过相应的模拟器运行常见的DOS、Windows的程序。是用户从Windows转到Linux奠定了基础。

Linux支持多用户性，各个用户对于自己的文件设备有自己特殊的权限，保证了各用户之间互不影响。

Linux可以运行在多种硬件平台上，如具有x86、680x0、SPARC、Alpha等处理器的平台。此外Linux还是一种嵌入式操作系统，可以运行在电脑、手机等上。

ARM处理器

作为一种嵌入式处理器，ARM处理器以低成本、高性能。得到了广大公司及个人的喜爱。目前，ARM处理器已广泛应用于工业控制、消费电子产品、通信等领域。

ARM处理器的主要特点如下：

体积小、低功耗、低成本、高性能；

支持Thumb(16)/ARM(32位)双指令集，能很好地处理兼容性；

大量使用寄存器，指令执行速度更快；

大多数数据操作都在寄存器中完成；

寻址方式灵活简单，执行效率高；

指令长度固定。

ARM提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案。目前非常流行的ARM芯核有ARM7TDMI,ARM720T,ARM9TDMI,ARM922T,ARM940T,ARM946T,ARM966T,ARM10TDMI等。本文所选用是ARM11系列，其内核时钟频率为350〜500MHZ,ARM11处理器的功耗可以低至0.4mW/MHz。ARM11处理器采用了易于综合的流水线结构，并和常用的综合工具以及ARMcompiler良好结合，多媒体处理扩展使MPEG4编码/解码加快一倍，音频处理加快一倍，增强的异常和中断处理使实时任务的处理更加迅速。

OSS与CSS

在声卡的驱动有两种；OSS(开放声音系统)；ALSA(先进Linux声音架构)Kernel2.6内核支持ALSA了，但是OSS编程是比较容易上手的，也比较符合Linux的编程框架，而且ALSA配置的时候也可选择OSS支持，这样OSS应用程序无需更改就可使用ALSA驱动。为此本文选用OSS类型。2系统实现平台的搭建

2.1软件搭建

2.1.1Linux环境的配置

首先是要安装Ubuntu10.04.04。Ubuntu是一个以桌面应用为主的Linux操作系统。其次是应当设置Ubuntu网络参数，以实现PC机与开发板通信。然后就是安装交叉编译器：

cd/forlinx(进入/forlinx目录)

mkdri/usr/local/arm

#tarzxvfarm-linux-gcc-4.3.2.tgz-C/

把交叉编译器路径添加到系统环境变量中，以后就可以直接在终端窗口中输入arm-linux-gcc命令来编译程序。接着是在终端中执行：vi/etc/profie

再就是添加以下4行到该文件中：

exportPATH=/usr/local/arm/4.3.2/bin:SPATH

exportTOOLCHAIN=/usr/local/arm/4.3.2exportTB_CC_PREFIX=arm-linuxexportPKG_CONFIG_PREFIX=$TOOLCHAIN/arm-none-linux-gnueabi

最后保存并退出。重新启动系统，在终端里面执行arm-linux-gcc并回车。

2.1.2内核移植及根文件系统的制作

内核移植的方法如下：

编译Linux-3.0.1

即将压缩包‘FORLINX_linux-3.0.1.tar.gz'拷贝到工作目录下，然后解压缩：

#tarzxfFORLINX_linux-3.0.1.tar.gz

(2)配置内核

配置内核需要先安装‘libncurses5\以方便使用‘makemenuconfig'命令:

#sudoapt-getinstalllibncurses5-dev

如果执行命令后无法找到libncurses5-dev安装包，那就需要先执行#sudoapt-getupdate,再执行#sudoapt-getinstalllibncurses5-dev

(3)编译内核

编译内核的命令如下：

#makezImage

编译结束后，将在内核源码目录的arch/arm/boot中得到Linux内核映像文件:zImage

根文件制作可以分为如下步骤：

创建根文件系统的目录；

创建设备文件；

安装./etc；

编译内核模块；即进入Linux内核目录makemodulesAPCH=arm

CROSS_COMPILE=arm-linux-

安装内核模块；

配置busybox；即进入busybox目录执行makemenuconfig,选中“Bulidboxasastaticbinary”，静态链接。

Crosscompileprefix(arm-linux-)

InstallationOptions—>

然后选中“Don'tuse/usr”，再选中该项可以避免busybox被安装到宿主系统的/usr目录下，破坏宿主系统。

编译、安装busybox；

MakeARCH=armCROSS_COMPILE=arm-linux-Makeinstall

2.1.3音瘢区动移植

音频驱动移植的程序代码如下：

$makemenuconfig

DeviceDrivers--->

<*>Soundcardsupport--->

<*>AdvancedLinuxSoundArchitecture--->

<*>OSSMixerAPI

<*>OSSPCM(digitalaudio)API

[*]OSSPCM(digitalaudio)API-Includepuginsystem

<*>ALSAforSoCaudiosupport--->

<*>ASoCsupportforSamsung

<*>SoCAC97AudiosupportforSMDKC100-WM97132.2硬件搭建

嵌入式系统的硬件一般包括处理器/微处理器、存储器及外设器件和输入输出端口等。图1所示是嵌入式系统的硬件示意图。

基于物联网的实时语音通信研究及其应用

2.3 Ok6410开发板

S3C6410是由三星公司推出的一款低功耗、高性价比的处理器，它基于ARM11的内核，可应用于移动电话和通用处理等领域；S3C6410为2.5G和3G通信服务提供了优化的硬件性能，内置强大的硬件加速器：包括运动视频处理、音频处理、2D加速、显示处理和缩放等；集成了一个MFC(Multi-FormatvideoCodec)支持MPEG4/H.263/H.264编解码和VC1的解码，可以提供实时的视频会议以及NRSC和PAL制式的TV输出；除此之外，该处理器内置一个采用最先进技术的3D加速器，支持OpenGLES1.1/2.0和D3DMAPI，能实现4Mtriangles/s的3D加速；同时，S3C6410包含了优化的外部存储器接口，该接口能满足在高端通信服务中的数据带宽要求。由于以上突出的性能表现，著名的苹果公司手机Iphone就是基于S3C6410处理器。

OK6410开发板基于三星公司最新的ARM11处理器S3C6410，拥有强大的内部资源和视频处理能力，可稳定运行在667MHz主频以上，支持MobileDDR和多种NANDFLASH。OK6410开发板上集成了多种高端接口，如复合视频信号、摄像头、USB、SD卡、液晶屏、以太网，并配备温度传感器和红外接收头等。

3实时语言程序的设计

本系统的实时语言程序的设计代码如下：

//初始化声卡

intinit_soundcard(intoflag)

{/*打开声音设备*/

fd=open("/dev/dsp"，oflag)；

/*设置采样时的量化位数*/

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

/*设置采样时的声道数目*/

status二ioctl(fd,SOUND_PCM_WRITE_CHANNELS，&arg)；/*设置采样时的采样频率*/

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

//录音函数