無線分布式背景音樂系統(tǒng)的設計

楊領　張珣

摘 要：智能的背景音樂系統(tǒng)是智能家居系統(tǒng)中不可或缺的子系統(tǒng)，傳統(tǒng)的背景音樂系統(tǒng)布線復雜、播控麻煩、音源共享困難等問題隨著智能家居的發(fā)展日益突出。為此，文章提出了一種結合無線分布式原理、嵌入式、無線音頻傳輸以及Android開發(fā)等技術的無線分布式背景音樂系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用S3C2440A處理器和WiFi模塊、無線音頻傳輸模塊設計了無線音樂盒，主要通過WiFi技術組建分布式的無線資源共享網(wǎng)。整個系統(tǒng)實現(xiàn)了通過手機端軟件輕易控制家中各個房間的本地音源文件在某一個房間或多個房間播放。

關鍵詞：背景音樂；無線分布式；WiFi；Android

中圖分類號：TP393.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）08-00-03

0 引 言

互聯(lián)網(wǎng)的繁榮帶動了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)的一部分也在快速的發(fā)展，智能家居的網(wǎng)絡化、智能化、信息化慢慢把用戶端的交互擴大為物與物之間的信息交換和通信，同時也促進了嵌入式設備、傳感器設備和家庭傳統(tǒng)設備在一定范圍的連接，形成了整個智能家居系統(tǒng)的的協(xié)調發(fā)展。在智能家居的眾多子系統(tǒng)中，背景音樂系統(tǒng)也正朝著智能化快速發(fā)展。

無線網(wǎng)絡與智能系統(tǒng)的不斷成熟徹底改變了人們的生活習慣，無線分布式音樂播放系統(tǒng)融合了無線技術、智能控制、全布局音樂系統(tǒng)。通過網(wǎng)絡獨特的創(chuàng)新性與交融性，將家庭影音技術與無線傳輸相結合[1]。在控制方式方面完全不同于傳統(tǒng)的影音設備單調的操控，而是結合PC、Mac、iphone、iPad與Android手機等數(shù)字化智能操作設備進行多元化的控制，更加體現(xiàn)出人性化的特點，用戶在家中的每個角落都可以輕易實現(xiàn)對整套音樂系統(tǒng)的播放控制[2]。

1 系統(tǒng)概述

本文設計一種分布式的無線背景音樂系統(tǒng)，所謂分布式即音源是一個，播放是在不同的房間播放，音源不是集中在一個中心的，而是分散在各個播放盒里。如每個人的生活習慣和愛好不一樣，自己下載自己的音樂，多個不同的音樂源再共享資源，虛擬成一個整體來控制實現(xiàn)共享，此系統(tǒng)不需要龐大的主機，各個小型控制器分散在不同的房間里但又不是獨立的個體，卻可以統(tǒng)一組網(wǎng)到一起。

圖1所示為無線背景音樂系統(tǒng)的整體效果圖。圖中整個系統(tǒng)中各個無線音樂盒與無線路由相連，處于同一個無線環(huán)境中，通過設計無線模式實現(xiàn)資源共享；各音樂盒將自身存儲音頻文件或者無線環(huán)境內的其他音樂盒內的共享音頻文件通過無線傳輸給無線音箱進行播放；播放控制通過手機、pad或PC等移動終端設備實現(xiàn)。

2 系統(tǒng)相關原理和技術

2.1 分布式系統(tǒng)原理

分布式系統(tǒng)使得資源的共享更加方便。各種信息、文件、數(shù)據(jù)庫和各種昂貴的硬件資源被分布式地管理和維護，并為用戶的訪問提供了方便。這樣就能節(jié)省大量的重復投資[3]。分布式系統(tǒng)對外提供無狀態(tài)節(jié)點，內部實現(xiàn)具體有狀態(tài)或者無狀態(tài)節(jié)點邏輯，節(jié)點既可以提供服務，也可以存儲數(shù)據(jù)。

為了使種類各異的計算機和網(wǎng)絡都呈現(xiàn)為單一的系統(tǒng)，分布式系統(tǒng)常常通過一個軟件層組織起來，該“軟件層”在邏輯上位于由用戶和應用程序組成的高層與由操作系統(tǒng)組成的低層之間，如圖2所示。這樣的分布式系統(tǒng)有時又稱為中間件（middleware）[3]。

分布式系統(tǒng)數(shù)據(jù)有4種分布方式，如下所述：

（1）哈希方式，把不同的值進行哈希運算，映射到不同的機器或者節(jié)點。實現(xiàn)擴展時比較困難，數(shù)據(jù)分散在很多機器上，擴展的時候要從多個機器上獲取數(shù)據(jù)，容易出現(xiàn)分布不均的情況。

（2）按數(shù)據(jù)范圍分布，比如ID在1～20的在機器A上，ID在21～40的在機器B上，ID在40～60的在機器C上實現(xiàn)，ID在60～100的分布在機器D上，數(shù)據(jù)分布比較均勻。如果某個節(jié)點處理能力有限，可以直接分裂該節(jié)點。維護數(shù)據(jù)分布的元信息，可能出現(xiàn)單點瓶頸。

（3）按數(shù)據(jù)量分布，與哈希方式和按數(shù)據(jù)范圍方式不同，數(shù)據(jù)量分布數(shù)據(jù)與具體的數(shù)據(jù)特征無關，而是將其視為一個順序增長的文件，并將這個文件按照某一較為固定的大小劃分為若干數(shù)據(jù)塊（chunk），不同的數(shù)據(jù)塊分布到不同的服務器上。

（4）一致性哈希，構造哈希環(huán)，有哈希域[0，10]，則構造3個部分[1，4）/[4，9）/[9，10），[0，1）/，這3部分是一個環(huán)狀，增加機器時，變動的是其附近的節(jié)點，分擔的是附近節(jié)點的壓力。

2.2 WiFi技術

WiFi全稱為Wireless Fidelity（無線保真技術），也叫做IEEE 802.11 b 標準，工作在2.4 GHz頻段上。傳輸速度快，帶寬可達11 Mb/s，并且?guī)捒梢宰詣诱{整，遇到干擾或者信號不太好的時候，帶寬可變?yōu)?.5 Mb/s、2 Mb/s和1 Mb/s，很好的控制了網(wǎng)絡的可靠和穩(wěn)定。傳輸距離長，在空曠的地方可以達到300米左右，封閉環(huán)境下也能達到100米左右的傳輸距離。同時WiFi無線組網(wǎng)成本低，而且更安全。

WiFi的兩個基本模式如下所述：

（1）AP： Access Point，即無線網(wǎng)絡橋接器或接入點，創(chuàng)建了一個無線網(wǎng)絡環(huán)境，是無線網(wǎng)絡的中心節(jié)點。主要在媒體存取控制層 MAC 中扮演無線工作站與有線局域網(wǎng)絡的橋梁。

（2）STA：Station，即無線站點，類似于無線終端，STA本身并不接受無線的接入，它可以連接到AP，一般無線網(wǎng)卡即工作在該模式[4]。

WiFi的工作方式如下所述：

（1）被動型串口設備聯(lián)網(wǎng)

被動型串口設備聯(lián)網(wǎng)指系統(tǒng)中的設備處于被動的等待連接狀態(tài)，與這些設備的連接主要由后臺服務器來主動發(fā)起。典型的應用，如某些無線傳感器網(wǎng)絡，每個傳感器終端實時的在采集數(shù)據(jù)，暫時保存在設備中。而后臺服務器則周期性的每隔一段時間主動連接設備，并請求上傳或下載數(shù)據(jù)。

（2）主動型串口設備聯(lián)網(wǎng)

主動型串口設備聯(lián)網(wǎng)指的是由設備主動發(fā)起連接，并與后臺服務器進行數(shù)據(jù)交互（上傳或下載）的方式。典型的主動型設備，如無線POS機，在每次刷卡交易完成后即開始連接后臺服務器，并上傳交易數(shù)據(jù)[5]。

3 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)由多個無線音樂盒播放系統(tǒng)組合而成，各個小的系統(tǒng)之間通過WiFi實現(xiàn)無線資源共享，下面介紹單個無線音樂盒播放系統(tǒng)的設計。

3.1 無線音樂盒播放系統(tǒng)的設計

系統(tǒng)的硬件示意圖如圖3所示，下面對系統(tǒng)中的各個模塊進行說明。

3.2 主控模塊

主控模塊使用S3C2440A，S3C2440A微處理器是一款由Samsung半導體公司推出的高性能、低功耗、高集成度并具有工業(yè)級溫度范圍和性能的微處理器，S3C2440A 采用了16/32 位RISC 體系結構和ARM920T 內核強大的指令集，具有指令高速存儲緩沖器（I-Cache）、數(shù)據(jù)高速存儲緩沖器（D-Cache），寫緩沖器和物理地址TAG RAM 減少主存帶寬和響應性帶來的影響。工作頻率最高可達533 MHz；2片4Banks×4 MB×16 b 的SDRAM，共64 MB的內存，可擴展至128 MB；256 M×8 b 的Nandflash（K9F2G08）；4 MB的 Norflash，支持容量128 M或更高 。

3.3 無線音頻傳輸模塊

隨著藍牙、WiFi和2.4 GHz技術等無線技術的快速發(fā)展和成熟，音頻的傳輸也正在越來越多的使用無線技術。未來無線音頻技術的不斷成熟，無線技術將取代有線的音頻傳輸，這樣將帶來更加便利的生活。在目前種類繁多的無線音頻技術中，2.4 GHz技術有著廣泛的應用，同時也是比較有可能被大范圍應用在普通音頻設備中的。藍牙、WiFi和2.4 GHz技術在工作頻段上是相同的，都是2.4～2.485 GHz ISM無線頻段。從目前市場上的無線音頻產(chǎn)品上來看，低功耗的優(yōu)點使得藍牙無線音響應用最多，當然技術也是最為成熟的了，但是藍牙有著天生的帶寬窄的缺點，對于高保真音頻信號的傳輸顯得力不從心，另一個缺點就是傳輸距離只有10米左右，對于距離要求遠的用戶達不到要求，同時抗干擾也是一個問題。與藍牙技術相比，WiFi技術似乎不存在這些缺點，帶寬寬、傳輸距離遠。但是在抗干擾方面還是存在問題。與藍牙、WiFi相比，2.4 GHz技術具有能傳輸高品質音頻信號的寬帶寬；在抗干擾方面，2.4 G技術使用了自動調頻技術，在工作狀態(tài)下，當發(fā)現(xiàn)頻段被占用的時候，能自動地跳轉到一個無人使用的頻段；此外，2.4 GHz技術也具有低功耗的特點，在發(fā)射、接收音頻信號時不需要連續(xù)的工作[6]。

所以本系統(tǒng)的無線音頻傳輸模塊使用Nordic公司的nRF24L01無線模塊，采用2.4 GHz短距離無線傳輸技術。

3.4 nRF24L01模塊介紹

nRF24L01是Nordic公司研發(fā)的單片2.4 G無線通信芯片，工作于2.4 GHz～ 2.5 GHz世界通用ISM頻段。nRF24L01內部有若干寄存器，外部留有SPI接口，外部單片機通過SPI接口配置此芯片內部的寄存器。因為有自己的協(xié)議，所以只能是用在nRF24L01與nRF24L01或者Nordic公司此系列的芯片通信，一般情況下，用在兩個nRF24L01之間的通信，任何一個模塊都可以設置為接收或者發(fā)送模式，而且可由主控單片機隨時根據(jù)需要設置為發(fā)送或者接收模式。

兩個nRF24L01的通信，需要滿足3個條件：（1）頻道相同（設置頻道寄存器RF_CH）；（2）地址相同（設置TX_ADDR和RX_ADDR_P0相同）；（3）每次發(fā)送接收的字節(jié)數(shù)相同（如果設置了通道的有效數(shù)據(jù)寬度為n，那么每次發(fā)送的字節(jié)數(shù)也必須為n，當然，n<=32）。

nRF24L01也可以實現(xiàn)一對多通信，使用nRF24L01的通道0，通過改變頻道和地址來實現(xiàn)1對多的互發(fā)。它雖然屬于2.4 G芯片，但實際上，可在2.4 G到2.5 G之間的頻道上通信，一共有125個頻道，它的地址是5字節(jié)的。所以用這種方式，理論上可以實現(xiàn)一對無數(shù)的通信。

nRF24L01芯片的接口電路如圖4所示。

3.5 發(fā)射與接收部分設計

發(fā)射部分由主控模塊將音源數(shù)據(jù)通過nRF24L01模塊的2.4 GHz頻段發(fā)射出去。接收部分由MCU控制器通過SPI接口從2.4 GHz無線模塊nRF24L01接收音頻數(shù)據(jù)，再通過I2S接口將音頻數(shù)據(jù)傳送給音頻輸出模塊來播放音樂?？刂破鱉CU需要支持SPI和I2S。選用新唐M451系列開發(fā)板為控制器MCU，內建ARM CortexTM-M4內核，最高可運行72 MHz外部時鐘，具有256 kB內建Flash存儲器和32 kB內建SRAM，還兼有SPI、I2S、USB2.0等常用外設?？梢詽M足無線音頻接收控制模塊的數(shù)據(jù)處理要求。

4 系統(tǒng)軟件設計

初次使用需進行初始化操作，首先通過指示燈檢查是否能正常工作，正常工作情況下，通過長按配對按鍵與房間區(qū)域內的需要連接的一個或多個無線音箱設備配對形成一個音樂播放子系統(tǒng)，再通過WiFi連接無線路由器加入局域網(wǎng)，此時單個播放系統(tǒng)配置完成，系統(tǒng)會處于睡眠狀態(tài)等待播控信號喚醒。當音樂盒接收到播控信號時，首先檢查目標播放的音源文件是否在本地，若音源在本地則直接發(fā)送音源數(shù)據(jù)給予播放子系統(tǒng)內的無線音箱設備進行播放；若音源不在本地，則發(fā)出獲取目標音源文件的請求信號，由無線路由器負責轉發(fā)請求給其他局域網(wǎng)內的無線音樂盒，再由路由器轉發(fā)獲取的音源文件或者音源不存在的通知信息。

5 結 語

本文設計的無線分布式背景音樂系統(tǒng)，通過手機端軟件的設計實現(xiàn)背景音樂的控制，利用WiFi技術實現(xiàn)局域網(wǎng)內的音源無線共享，同時利用了無線音頻傳輸技術，解決了家居環(huán)境布線帶來的煩惱。但是本設計還沒有應用到實際的家庭環(huán)境中，研發(fā)技術還有待于進一步的提高，將這些技術應用到智能家居系統(tǒng)上來，希望在以后的研究中提高本系統(tǒng)的應用性和可用性。

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