嵌入式Linux下的戶外報警對講系統設計

王 碩，郭書軍

（北方工業大學 電子信息工程學院，北京 100144）

0 引 言

當社區公民在戶外遇到突發情況時，快速與有關部門取得聯系非常重要。針對這種社會需求，本設計提出并實現了一種戶外報警對講系統。當社區內發生突發事件時，市民能夠通過此設備第一時間通知社區控制室，并與工作人員對講以尋求幫助[1-2]。此報警對講系統使用Cortex-A8架構的S5PV210 ARM處理器作為CPU，硬件包括音頻模塊、網絡模塊、SD卡模塊、USB模塊、按鍵報警模塊、顯示模塊等。

1 系統硬件

系統采用S5PV210核心板作為主控單元，使用WM8960音頻芯片CODEC進行編碼與解碼，使用LM4871音頻功率放大芯片放大聲音信號后傳送到4 Ω/3 W的喇叭輸出。系統選用DM9000網絡芯片，通過百兆網口與后臺服務器通信，由I/O口控制LED的顯示以及檢測按鍵報警，由RS 232接口控制LED顯示屏顯示的內容。系統預留了SD卡接口和USB接口，使得系統可以方便地進行內核燒寫與日后的維護升級。

系統硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖

1.1 音頻處理模塊

S5PV210支持I2S/PCM/AC97等音頻接口。本開發板采用I2S0接口，外接有WM8960作為CODEC解碼芯片。WM8960內置有D類功放，可以直接驅動8 Ω/1 W的喇叭，本設計使用LM4871功放芯片對信號進行放大處理。LM4871是一個具有關斷功能的音頻功率放大器，其具有單位增益穩定，外部電路簡單等特點，輸出可以驅動4 Ω/3 W的喇叭，經測試，音量基本達到了設計要求。

音頻功放模塊電路如圖2所示。

圖2 音頻功放模塊電路圖

1.2 網絡模塊

網絡部分采用DM9000網卡芯片。DM9000是一款集成了10/100PHY的以太網MAC控制器，它可自適應10/100 M網絡，具有支持介質無關接口，支持背壓模式半雙工流量控制模式等特點，同時還支持超低功耗模式，兼容3.3 V和5.0 V輸入輸出電壓。網口使用內部已經包含耦合線圈的RJ45連接頭，因此不必在電路中另接網絡變壓器。

1.3 固件升級模塊

傳統的嵌入式產品在設備安裝完成后，對于內核驅動層的升級較為不便，一般需回廠升級或者更換ROM。這種方式不僅效率低下，更大大增加了維修成本。本設計預留了SD卡接口和USB接口，系統可以通過SD卡上的Boot Loader啟動并通過USB接口燒寫內核。維修人員只需攜帶一張SD卡和一臺筆記本電腦即可完成固件升級工作。

2 系統軟件

系統軟件主要由應用層軟件以及相應的驅動模塊組成。應用層主要包括網絡模塊、音頻模塊、回聲消除模塊、按鍵控制模塊等。系統軟件模塊組成如圖3所示。

文中分別詳細介紹了與音頻處理有關的ALSA框架，與回聲消除有關的Speex框架及網絡通信部分。

圖3 系統軟件模塊圖

2.1 ALSA

S5PV210支持I2S/PCM/AC97等音頻接口。本設計采用I2S接口進行音頻數據的傳輸，采用I2C接口對CODEC芯片的寄存器進行設置。整個音頻驅動基于ALSA音頻架構[3-6]。

ALSA是Linux上一種應用比較廣泛的音頻驅動框架，ALSA包含與音頻編程有關的API庫[2]，及其他方便開發的工具，如alsamixer可以調節音頻混聲器參數，arecord指令可以測試錄音功能，aplay指令可以測試播放功能。

ALSA的軟件體系結構如圖4所示。

圖4 ALSA的軟件體系結構圖

ALSA的API可以分解成控制接口、PCM接口、Raw MIDI接口等。其中PCM接口是管理數字音頻回放（playback）和錄音（capture）的接口。本文后續重點將放在該接口上，它是開發數字音頻程序最常用的接口。

要使用ALSA，首先調用以下語句打開PCM設備：

snd_pcm_open（&handle_cap，"hw ：0，0"，SND_PCM_STREAM_CAPTURE，0）；

設置語音的硬件參數。考慮到緊急報警的通話要求僅為清晰，故選用的參數為：采樣率8 k，單通道，16位。ALSA首先聲明一個結構體snd_pcm_hw_params_t，用來保存句柄的硬件參數，然后調用參數設置語句填充結構體，最后調用函數snd_pcm_hw_params進行參數設置。

音頻部分代碼運用Linux多線程編程技術，其中一個線程負責通過UDP接收音頻流并播放，調用snd_pcm_writei函數完成寫數據；另一個線程負責采集音頻信號并發送到服務器，調用snd_pcm_readi函數完成讀數據操作。音頻的采集和播放分別維護一個buffer，由信號量控制各線程對其的使用權，每個buffer有兩個指針，分別表示數據的壓入和取出，保證程序有序運行。

2.2 Speex

由于音頻設備會出現回聲的現象（遠端喇叭播放的聲音被麥克風采集后又傳回近端），情況嚴重時對語音質量影響極大。本設計主要采用Speex音頻庫的API，結合ALSA框架進行回聲消除的研究[7]。

應用Speex庫進行回聲消除的主要步驟如下：

（1）首先設置音頻基本參數，需要調用以下函數：

_speex_preprocess=speex_preprocess_state_init（FRAMESIZE，8000）；

在使用其他功能之前首先調用Speex的預處理函數初始化音頻參數，函數第一個參數是每幀的大小，第二個參數是采樣率。在語音通話中一般采用的幀長為20 ms，假如是16 k的語音數據，幀長20 ms等于320個采樣點。

（2）創建回聲消除AEC，設置相關參數。調用speex_echo_state_init（m_nFrameSize，m_nFilterLen） 創 建 一 個AEC（Acoustic Echo Chancellor，AEC），該函數的第二個參數是尾音長度，即喇叭到麥克風的延遲時間，該參數直接影響了回聲消除的效果。

調 用 speex_echo_ctl（st，SPEEX_ECHO_SET_SAMPLING_RATE，&sampleRate）來設置相關參數。

（3）最后在線程中循環調用函數消除回聲。調用speex_echo_cancellation（st，ref_buf，echo_buf，e_buf） 函數 將 數據傳遞給AEC，第二個參數是喇叭播放數據，第三個參數是麥克風采集數據，第四個參數是回聲消除后的數據。

調用 speex_preprocess_run（_speex_preprocess，outbuf）啟動Speex的音頻處理進行回聲消除。Outbuf即為處理后的數據。

2.3 網絡通信

系統使用TCP協議控制信號的傳輸，使用UDP協議進行音頻流的傳輸[8]。

下位機作為TCP客戶端主動向服務器發起連接，并且每隔30 s向服務器發送一個心跳包，服務器可以通過判斷接收間隔以判斷下位機的在線狀態。下位機和服務器通過Modbus協議進行應用層數據交互，其基本格式為：幀頭+幀長+數據區+校驗碼+幀尾，通過自定義協議完成上位機對下位機的查詢和控制，以及下位機報警信號的上傳。

網絡編程部分應用了Libevent事件通知庫，其內部使用select，epoll，kqueue，IOCP等系統調用管理事件機制。相對于Raw Socket編程，應用Libevent事件庫大大提升了網絡通信的性能與穩定性。

3 結 語

本系統在設計完成后進行了完整有效的系統測試，電路板安裝在定制的機箱殼體內，并設計有ESD防護。本設備可以安裝在電線桿上或者臨街的墻壁上方便市民使用。

系統終端控制板如圖5所示。

圖5 終端控制板實物圖

最終的測試結果表明，報警信號可及時上傳，對講語音清晰有效，各類接口功能正常，均滿足了設計要求，達到了預期目標。