一種專用鳥聲記錄系統的研制

肖震岳　張啟鵬　趙淳　黃華德

摘 ?要： 基于STC89C52單片機設計一種專用鳥聲錄制系統。該系統用于在野外放置在鳥巢中錄制成年鳥和幼鳥的叫聲，用單片機控制錄音的程序，為便于后續處理，濾聲模塊過濾掉低頻噪聲，TCS510M1?D28錄制模塊把鳥的叫聲錄制下來并以無損格式保存到存儲卡中，采用紅外感應模塊來檢測鳥是否在鳥巢中，當鳥進入，則開啟，否則關閉。通過實驗樣機測試結果表明，用無損格式保存的音頻文件中的鳥叫聲還原性高，系統的能耗低，續用時間長，可滿足長時間野外鳥巢中的錄制要求。

關鍵詞： 鳥聲記錄; 錄音程序控制; 智能控制; 無損保存; 樣機測試; 系統設計

中圖分類號： TN64?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）24?0049?03

Design of special birdcall recording system

XIAO Zhenyue， ZHANG Qipeng， ZHAO Chun， HUANG Huade

（School of Mechanical Engineering， Guangxi University， Nanning 530004， China）

Abstract： A special birdsong recording system based on STC89C52 is designed. The system is used to record the calls of adult birds and baby birds in the bird′s nest placed in the wild. The single chip microcomputer is used to control the recording program， the sound filtering module is utilized to filter out the low?frequency noise for the convenience of subsequent processing， and the TCS510M1?D28 is used to record the birdcall and save it to the memory card in undamaged format. The infrared sensing module is used to detect whether the bird is in the nest. When the bird enters， it will be opened; otherwise it will be still kept closed. The testing results of the experimental prototype show that the birdcall in the audio file saved in lossless format has high reducibility， and the system has low energy consumption and long endurance， which can meet the requirements of a long?time record in the bird′s nest in the wild.

Keywords： birdcall recording; recording program control; intelligent control; undamaged conservation; prototype testing; system design

0 ?引 ?言

鳥類的生活一般是特別隱蔽的，影像設備很難拍到，所以可以采用聲譜捕捉的方式，研究鳥類的生活習性，提高捕捉精度。鳥類發出嘹亮的鳴叫，就像人的聲音有自己的辨識度，不同種類、不同性別、不同發出的鳴叫也各不相同[1]。通過對鳥類鳴唱以及相關行為的研究，可以了解鳥類不同鳴叫聲的生物學意義以及鳴叫聲與領域防護行為的聯系等[2]。

但是，目前用于錄制鳥叫聲的設備體積大，價格昂貴，續航時間短，自動化程度低。本文所設計的鳥聲錄制系統電路結構簡單，具有很高的可靠性，價格低廉，并且可以根據鳥的存在與否自動控制系統的開啟和關閉，大大減少能耗，延長錄制時間。

1 ?系統設計方案

本系統放置的地方為鳥巢內部，可以高效記錄下鳥的叫聲。當鳥飛入鳥巢中，重力感應裝置識別到鳥的存在，自動開啟錄音功能，實時錄下成年鳥和幼鳥叫聲。當成年鳥飛出去后，系統自動關閉，節省電能，待成年鳥回來再開啟。錄音文件能夠實時保存到內存卡中，當成年鳥不在鳥巢中時，可以把內存卡取出，導出卡內文件[3]。

系統主要由控制模塊、濾聲模塊、鳥聲錄制模塊、拾音模塊和感應模塊等組成。系統框圖如圖1所示。

2 ?系統硬件設計

2.1 ?控制模塊

本系統選擇STC89C52作為控制模塊，是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，能夠兼顧性能的同時也能減少不必要的能耗，提高續航能力。其可降至0 Hz靜態邏輯操作，支持2種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止[5]。

2.2 ?濾聲模塊

本系統的應用環境是在城市中，城市中不僅有鳥的叫聲，還有人的交談等聲音。在城市中，鳥類的叫聲一般頻率在2.2～2.3 kHz，人的漢語普通話聲音功率主要集中在250～1 500 Hz，所以使用2 kHz的高通濾聲模塊對人聲進行初步處理[5]。

2.3 ?鳥聲錄制模塊

考慮到錄制的鳥聲還需進行后續處理，必須保證錄制的質量，需要無損格式來存儲音頻。本系統采用TCS510M1?D28錄制模塊，最高支持48 kHz采樣率，32 Kb/s比特率的WAV無損格式的音頻文件錄制。錄制模塊上集成儲存單元，可使用TF卡存儲，最大可以支持32 GB的TF卡。

2.4 ?拾音模塊

拾音模塊主要功能是把聲信號轉化為電信號傳遞到錄制模塊中，為了減小周圍的環境噪聲，使用電容式單指向拾音器。該拾音器的拾音面積為麥克風的正前方，其后方的聲音不進行拾音處理[6]。

2.5 ?感應模塊

幼鳥只有在成年鳥飛回來的時候，為了呼喚成年鳥喂食才叫，所以感應模塊只需要檢測鳥巢內是否存在成年鳥即可有效控制錄制系統的開關[7]。本系統使用HC?SR505紅外感應模塊，靈敏度高、體積小、能耗低。當成年鳥飛回來時，輸出高電平，系統開啟，成年鳥飛走，輸出低電平，系統關閉。綜上所述，系統的原理圖見圖2。

3 ?系統軟件設計

系統使用STC89C52的SPI接口模式對錄制模塊TCS510M1?D28進行串行通信。在系統打開后，系統進行初始化，單片機調用錄音程序，錄音程序開始進行錄音前的檢查，檢查內存是否已存滿，如果存滿，系統自動停止;如沒有存滿，系統正常執行錄音過程[8]。系統流程如圖3所示。

錄音程序先與錄音模塊完成通信，計算存儲位置和存儲名稱，然后發送錄制代碼[9]。起始碼為“7E”，長度為“07”，命令為“d6”，效驗碼為“C3”，結束碼為“7E”，以音頻文件命名“B001”為例，錄音部分程序如下：

void luyin（uchar dat）

{ uchar a，b，c;

a=dat%1000/100+0x30;

b=dat%100/10+0x30;

c=dat%10+0x31;

SendASC（0x7e）;

SendASC（0x07）;

SendASC（0xd6）;

SendASC（0x42）;

SendASC（a）;

SendASC（b）;

SendASC（c）;

SendASC（a+b+c+0x07+0xd6+0x42）;

SendASC（0xef）;}

程序中：“0x42”代表“B”;“0x30”代表“0”;“0x31”代表“1”。

在錄音過程中，為了避免錄制的音頻文件過大，后續處理難以打開，采用定時分段錄制方案。設定的定時分段時間為13 min，即每錄制13 min，重新新建一個錄制文件，這樣也能保證錄制過程中即使出錯，也能夠最大限度減小損失。

4 ?系統實驗結果

根據原理圖設計好系統，集成在PCB板上，系統實物如圖4所示[10]。使用該系統連續錄制1 h，錄制出的音頻文件如圖5所示。

從圖5可以看出，錄制的音頻文件都是無損WAV格式，鳥叫聲錄制效果好。錄制1 h，音頻文件按照程序設計的要求被分成了5段，前4段都是13 min，最后一段只有6 min。基本上1 min占用1 MB的內存，如按照32 GB的內存卡來計算，能夠連續儲存20天的音頻文件。通過實驗測試，測量出插入內存卡并且進行錄制時的耗電量只有0.052 A，當采用3.7 V，9 800 mA·h的電池供電時，考慮到多方面的因素，能夠連續錄制的時間為180 h，滿足野外長時間錄制的要求。

5 ?結 ?語

本系統使用STC89C52為控制模塊，TCS510M1?D28為錄制模塊，輔以感應裝置為系統的開啟和關閉觸發開關，能夠在保證錄音質量的前提下，提高系統的錄制效率，延長工作時間，能夠滿足野外錄制的長時間要求。錄制文件的定時分段有利于后續音頻文件的處理，減少加載時間。通過實驗測試也驗證了本文系統能夠達到設計要求，功能強，效果好。

注：本文通訊作者為張啟鵬。

參考文獻

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[10] 彭嵐峰，李曉芳，章小寶.基于單片機與無線網絡的實驗室安全管理系統設計[J].現代電子技術，2019，42（10）：75?78.

作者簡介：肖震岳（1997—），男，湖南漣源人，碩士，研究方向為機械設備控制。

張啟鵬（1994—），男，瑤族，廣西桂林人，碩士，研究方向為機械設備控制。

趙 ?淳（1996—），女，陜西安康人，碩士，研究方向為機電一體化。