應急廣播系統中適配器的設計實現和應用

摘? 要：為了最大限度地利用已經建成的廣播覆蓋網絡，添加適配器是相對經濟合適的方案。適配的設計要符合標準、通用、可擴展等要求，目的是要兼容更多的平臺和其他接入系統，遵循的規范是應急廣播國標的暫行技術規范，在統一的標準和規范下，結合實際的應用，可以更好地對應急廣播系統進行適配。根據這些需求，設計出一款基于ARM架構的適配器，采用Linux系統運行，內置BOA嵌入式服務器，使用SQLite作為數據庫系統，采用C語言實現的一款多功能應急廣播適配器。

關鍵詞：應急廣播系統;適配器;SQLite;Linux系統

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）02-0066-05

Abstract： In order to maximize the use of the built broadcast overlay network， adding the adapter is relatively economical and appropriate scheme. The design of the adapter should meet the requirements of standards， universal， scalability and so on， in order to be compatible with more platforms and other access systems， and the standard followed is the provisional technical standard of the national emergency broadcasting standard. Under the unified standards and norms， combined with practical application， it can better adapt the emergency broadcasting system. According to these requirements， a multifunctional emergency broadcast adapter based on ARM architecture， running with Linux system， built-in boa embedded server， SQLite as database system and C language is designed.

Keywords： emergency broadcasting system; adapter; SQLite; Linux system

0? 引? 言

近幾年來，國家應急廣播對公共突發事件處理的作用也日益被人們認可。為了做好人民群眾的安全生產和防災減災救災等工作，推進應急管理體系的信息化和現代化能力，國家制定了《“十四五”國家應急體系規劃》，其中，指出應急通信、指揮平臺、智能數據現代化能力滯后，還需要進一步完善。為了建設統一指揮、專常兼備、反應靈敏、上下聯動的高效應急管理體系，應急通信、應急廣播和應急指揮管理平臺是重要的基石，是實現管理現代化的基礎建設內容。

在《GDJ 079-2018應急廣播系統總體技術規范》中明確定義傳輸通道包含：有線數字電視、地面數字電視、中波、調頻、直播衛星、新媒體。那么，就需要在有線數字電視前端、地面數字電視前端、中波廣播發射臺、調頻廣播發射臺、直播衛星集成平臺、移動多媒體廣播電視前端、應急廣播大喇叭系統前端、機動應急廣播系統、新媒體應急廣播系統的前端/臺站部署和搭建應急廣播適配器。應急廣播適配器的主要功能是將上級或者本級的應急廣播消息和指令轉發成對應的傳輸覆蓋網絡可以識別的傳輸覆蓋指令進行分發，喚醒對應的傳輸覆蓋網絡中的終端播放相關的廣播內容，將覆蓋的實際效果記錄并上報給應急廣播平臺。

1? 需求分析

1.1? 基本功能分析

根據國家標準規范，適配器需要進行本級插播，轉發上級廣播和申請上級資源進行廣播的主要功能。

1.1.1? 本級插播

本級插播主要包括本機音源的接入和本機廣播指令的生成和傳輸，其中本機音源包含麥克風、U盤、調頻接收、線路輸入等，本級插播和上級插播需要有優先級的判斷，插播時具備日常廣播和應急廣播選擇按鈕。適配器本級廣播具備直接輸出廣播的功能。

1.1.2? 轉發上級廣播

具備多通道接收上級廣播功能，并轉換成本級傳輸覆蓋指令進行發送，根據技術規范和測量步驟，轉發矩陣為：有線數字電視、地面數字電視、直播衛星、IP通道，都可以轉發成IP/TS、調頻、中波，其中IP/TS可以輸出成有線數字電視、地面數字電視、直播衛星。

1.1.3? 申請上級資源

在本級沒有相關傳輸覆蓋通道時，可以通過申請上級的傳輸覆蓋通道進行廣播。在實際應用中，適配器需要具備差轉功能，在上級部署可以接收下級指令的適配器。要求適配器具備IP/TS收轉功能。

1.2? 用戶接口分析

1.2.1? 液晶屏幕

具備液晶屏幕和按鍵的方式操作和設置設備的參數，屏幕顯示的信息支持樹形菜單結構操作，支持選項和數字類型的參數設置，比如：音量大小、IP地址、設備類型等設置。

1.2.2? WEB網管

通過設備的管理IP地址，就能進入WEB網頁管理，進入網頁管理需要輸入用戶名和密碼，保障設備參數的安全，WEB管理可以顯示和設置設備更加詳盡的參數，通過遠程管理設備，可以實現設備的遠程開關機，音量設置，遠程調試等主要功能。

1.2.3? HDMI外置接口

通過HDMI+USB外置接口，實現設備觸屏用戶交互，在用戶側現場使用沒有電腦的情況下，可以通過觸屏操作，更加的豐富和靈活。觸屏操作包括本級廣播的開播、下屬區域設備的運行狀態查看，本機參數的設置。

2? 設計實現

2.1? 硬件拓撲結構

本級信源包括麥克風、U盤、RCA（線路）、語音合成、4G模組音頻、調頻、有線數字、地面數字、IP。數字音頻通過CPU解碼，全部輸入到多路復用芯片，通過通道控制選擇其中一路音頻，如果是需要輸出給IP、有線數字、地面數字、直播衛星這些數字信號時，需要將模擬信號輸入到模數轉換芯片，將采集實時的音頻進行編碼輸出，如果是調頻、中波這種模擬信號時，直接輸出給調頻或者中波調制芯片，RDS指令和音頻是分開輸出給調頻發射機的，中波FSK指令是混合在音頻信號中發送給中波發射機的，模擬音頻還能直接輸出，提供給監聽喇叭和功放，通過功放放大后可以輸出給大喇叭設備。拓撲結構如圖1所示。

2.2? 主要功能實現

在應急廣播國家標準規范中，各級別的應急廣播適配器的功能不相同，但是，又具備一些共性，主要功能實現如下：

2.2.1? 節目傳送

在數字傳輸通道中，支持生成相關PSI/SI節目表，和對應的節目流一起輸出到復用設備中，再到有線數字、地面數字、衛星傳輸系統中進行調制放大輸出，在模擬通道中，具備調頻和中波音頻的調制輸出。為了實現將音頻打包成IP/TS進行傳輸，并生成對應的PSI/SI表，需要集成ffmpeg開源庫，使用庫函數swr_alloc_set_opts對音頻采樣芯片進行重采樣輸入，使用avcodec_fill_audio_frame函數對重采樣的數據進行填充編碼，再用avcodec_encode_audio2函數對frame數據進行編碼，最后通過av_packet_rescale_ts接口，將編碼后的數據推送到輸出緩沖區。PSI/SI節目表通過mpegts_set_service_info接口進行節目表的設置。節目輸出到復用器的復用效果如圖2所示。

調頻和中波的節目傳輸則相對較為簡單，只要把對應的模擬音頻直接傳給調制芯片即可。

2.2.2? 消息接收

負責接收應急廣播平臺的應急廣播消息。根據《GDJ 089-2018應急廣播大喇叭系統技術規范》的適配器通信協議，平臺和縣級適配器是通過雙向短連接進行通信的，說明平臺和適配器處于同一個內部網絡中，在平臺端需要預置適配器的通信地址和端口，在適配器端也要預置平臺的通信地址和端口，在通信交互一次后，就立即斷開連接。

平臺發送開播消息，輔助數據類型為0x62時，適配器通過網絡回饋給平臺一個RTP接收地址，平臺啟動推流服務直接向適配器的端口發送數據。終端為IP終端時，適配器將RTP數據直接轉發給終端的特定端口即可。終端開始播發時，需要向平臺發送一條任務切換的指令，表示終端已經響應了播放。序列圖如圖3所示。

2.2.3? 語音切播

具備將本級的音頻信號，如麥克風、U盤、線路輸入等進行播發的功能。語音切播還是要遵循應急優先原則，級別優先原則，在接收上級廣播前提下，本級插播優先級要高于上級，才能正常切播，否則操作無效，在本級開播的前提下，上級插播優先級要高于本級，才能正常切播，否則不能切播。在音頻切播結束后，系統會自動切回源廣播。語音切播的適配器操作步驟為：按下應急或者日常按鈕，一鍵啟動廣播，系統默認切換音源到麥克風。通過按下對應的音源切換按鈕，切換到對應的音源。適配器前面板如圖4所示。

2.2.4? 播發控制

根據應急廣播平臺要求，將應急廣播消息按照要求轉換成對應通道（RDS、TS或IP）的節目和傳輸覆蓋指令，并將其傳送到目標區域，控制對應終端進行播出的功能。在《GDJ 089-2018 應急廣播大喇叭系統技術規范》中，平臺和適配器之間的開播消息包含：廣播消息編碼、廣播類型、事件級別、事件類型、音量、開始時間、結束時間這些主要參數，在國標的技術規范中都可以找到對應的參數，關閉廣播、參數設置等消息也是有對應的參數列表的，在適配器接收到平臺的消息后，通過內部結構體的轉換即可輸出對應的指令，適配IP、TS、調頻和中波系統，可同時或者選擇性的輸出RDS、中波、TS和IP。

2.2.5? 數據回傳

可以將本機的運行參數和狀態，通過回傳網絡按需回傳到應急廣播平臺。數據回傳協議在《GDJ 089-2018應急廣播大喇叭系統技術規范》的附錄E中，包含：終端心跳，查詢指令應答，終端故障與恢復，終端任務切換，上報播發結果。終端心跳在一定時間內向平臺發送，目的是保證鏈路狀態和平臺確認終端的保活狀態，終端的故障與恢復也是在發生故障和恢復時主動向平臺上報數據，在終端接收到任務時切換播放任務后，需要向平臺發送任務切換的數據，播放結束后或者播發失敗后，向平臺發送播發結果。只有查詢指令應答回傳數據不是主動上報的，需要平臺通過技術規范中的附錄D的查詢指令下發給終端，終端接收后回饋查詢指令應答包給平臺。

2.2.6? 安全服務

具有對應急廣播傳輸覆蓋指令進行數字簽名功能，保障指令傳輸安全。在《GDJ 081-2018 應急廣播安全保護技術規范數字簽名》中明確規定了，應急廣播數字簽名的密碼算法采用GB/T 32918、GB/T 32905—2016規定的SM2、SM3算法，采用數字簽名的密碼算法目的是保障應急廣播消息和指令傳輸的安全性，所以只針對消息數據和指令數據進行簽名，不對音頻數據進行簽名加密。SM2、SM3的算法是公開的，因此可以根據內置軟件算法進行簽名。

SM2算法基于ECC，采用的是256位的一種，使用的方程為：y2=x3+ax+b，SM2算法實現如下：

（1）選擇Ep（a，b）的元素G，使得G的階n是一個大素數;

（2）G的階是指滿足nG=O的最小n值;

（3）秘密選擇整數k，計算B=kG，然后公開（p，a，b，G，B），B為公鑰，保密k，k為私鑰。

SM3密碼摘要算法是中國國家密碼管理局2010年公布的中國商用密碼雜湊算法標準。

簽名和驗簽需要管理證書鏈，確保證書的可信，證書鏈需要通過統一的證書中心進行分發，適配器在生產時就預置證書鏈中可信的證書，通過證書鏈可以刷新證書信息，確保使用的證書可信。

適配器中簽名的實現如下：

（1）選擇簽名的證書信息，通過公鑰和用戶數據“1234567812345678”生成Z;

（2）使用SM3算法，將“Z+明文數據+UTC時間”計算HASH，獲取HASH數據;

（3）通過SM2算法，將HASH數據使用公鑰進行簽名計算，獲得64位的簽名數據;

（4）將證書號、UTC時間、64位的簽名數據和指令數據一起發送給終端。

驗簽的實現如下：

（1）解析指令，獲取明文數據（指令），證書號，UTC時間，64位簽名數據;

（2）通過指令中的證書號，獲取本機公鑰，再和用戶數據“1234567812345678”生成Z;

（3）使用SM3算法，將“Z+明文數據+UTC時間”計算HASH，獲取HASH數據;

（4）通過SM2算法，將HASH數據使用私鑰進行驗簽計算，得出是否驗簽通過結果;

（5）驗簽通過后才解析明文數據，否則丟棄整個消息包。

2.2.7? 消息管理

應具備本級前端應急廣播消息播發的記錄、復查功能。適配器中采用sqlite3.0數據庫進行存儲數據。每次接收到平臺的消息，驗簽通過后，都會在應急廣播消息播發記錄表中進行存儲，如圖5所示。通過本機的WEB管理頁面可以查詢到，平臺通過任務查詢指令，也可以獲取到適配器的播發記錄。

2.3? 用戶接口的設計實現

適配器的用戶操作接口有液晶按鍵操作、WEB管理頁面、HDMI觸屏操作三種，用戶接口形式不一樣，但是數據是共享的，在設計實現時，采用通用網關接口，分離數據層和業務顯示層，數據層使用JSON數據進行緩存，當緩存在內存中的配置數據文件發生變化時，系統將改變后的數據進行計算CRC校驗并備份到數據庫中，再將JSON數據轉換成JSON文件存儲在本地。每次開機重啟時，系統載入文件并進行CRC校驗，如果不正確，則從數據庫中恢復，保證數據的完整性。

2.3.1? 液晶按鍵用戶接口的設計實現

將用戶菜單存儲為JSON格式，通過解析樹形結構的JSON數據分解出菜單的層級結構，當解析到JSON的結點為末端結點，即沒有子結點時，為參數設置結點，參數設置結點對應配置參數中的JSON路徑。

2.3.2? WEB管理用戶接口的設計實現

通過移植嵌入式瀏覽器在系統中實現，BOA服務器是一個小巧高效的web服務器，是一個運行于Unix或Linux下開源軟件的、支持CGI的、適合于嵌入式系統的單任務的http服務器，源代碼開放、性能高。采用CGI接口中的本地SOCKET通信，將CGI接收到的數據和本機內存中的JSON數據進行綁定，這樣可以提高CGI接口的通用性。

2.3.3? 觸屏用戶接口的設計實現

觸屏界面采用C++圖形界面框架設計實現，觸屏界面程序和主程序是兩個不同的程序同時運行，程序間采用本地SOCKET進行通信，除了設置系統運行參數以外，還需要實時同步接口。將觸屏上的事件封裝成JSON消息發送給主程序，主程序處理消息后，同步數據和按鍵上的顯示，同時界面程序也在監聽主程序按鍵上的操作，接收解析后同步界面上的顯示。如：在觸屏上按下應急廣播按鈕，觸屏的紅色燈亮起，設備按鍵的燈也要同步亮起來，開啟應急廣播;觸屏關閉應急廣播后，設備紅色燈都要同步滅掉。參數設置也采用樹形結構設計，和按鍵菜單的方法是一樣的，如圖6所示。C++中保存按鈕的單擊事件被觸發后，將本頁面下所有的控件打包成JSON數據發送給主程序，實現數據的同步存儲。

3? 適配器的應用

3.1? 高山調頻臺站適配器

高山調頻臺站原有的節目資源覆蓋個人調頻收音機、車載調頻等，要將應急廣播消息接入現有的調頻覆蓋網絡中，需要在調頻臺站適配器后端和原有調頻節目的后端加入一個音頻切換器，音頻切換器通過適配器串口指令進行切換，當沒有應急廣播消息時，音頻切換器的音源接到原有的廣播節目上進行日常播發，如果調頻臺站適配器接收到應急廣播平臺的應急廣播消息時，發送指令給音頻切換器，將音頻切換器的音源切換到調頻臺站適配器上，并將生成的RDS指令發送給調頻臺站播發系統，這樣，個人調頻收音機、車載調頻、新建的應急廣播大喇叭終端都可以接收到應急廣播節目;當應急廣播結束后，調頻臺站適配器通過指令使音頻切換器切回原有的廣播節目上，并停止RDS指令的播發，個人調頻收音機和車載調頻等終端就接收原有的廣播節目，戶外大喇叭終端則停止廣播，進入待機狀態。

3.2? 地面數字電視應急廣播適配器

原有的地面數字電視廣播節目傳輸覆蓋地面數字機頂盒，如果要將應急廣播消息復用到地面數字電視廣播網絡中，需要將適配器生成的節目表和指令復用到原有的電視節目中，機頂盒需要通過軟件升級的方式來監控應急廣播索引表，當地面數字電視應急廣播適配器接收到應急廣播消息時，會發出應急廣播指令到應急廣播索引表中，并且輸出節目信息和音頻信息到電視節目中進行復用，機頂盒監控的應急廣播索引表有數據時，解析其中的節目信息，并跳轉到對應的應急廣播節目進行強制接收觀看，應急廣播結束后，應急廣播索引表中的指令就會停止播發，機頂盒就會返回原有的電視節目進行觀看。新建的應急廣播大喇叭需要鎖定相應的頻點，監控應急廣播索引表，如果索引表中有指令消息，那么就會通過解析節目信息喚醒，并播放相關音頻，結束后再進入待機狀態。

3.3? 鄉村應急廣播適配器

鄉村應急廣播適配器是新建的應急廣播系統，可以接收上級的應急廣播消息，通過多種通道（RDS、TS、IP）喚醒廣播，也可以將接收的廣播轉換成RDS指令和音頻輸出到小型的調頻發射機進行小范圍的補點覆蓋。

4? 結? 論

本設計分析了國標規范對應急廣播適配器的主要功能描述，并結合市場的實際需求設計和實現了應急廣播適配器。描述了應急廣播適配器的設計需求和用戶接口分析，從適配器硬件拓撲結構到主要功能的設計和實現，到用戶界面接口的實現，詳細闡述了應急廣播適配器的設計開發和實現。本設計的適配器已經投入量產，通過市場的實際使用，經過了幾次改良和升級，獲得了市場用戶的高度認可。廣泛的應用于文化宣傳領域，典型的應用場景為面向社區和鄉村的公共文化服務宣傳，提供新聞熱點播報、疫情防控知識宣傳、天氣預報、鄉村振興政策宣傳等。

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作者簡介：王閩（1983—），男，漢族，福建福州人，工程師，本科，主要研究方向：通信技術研究、應急廣播系統設計開發、軟件工程。