基于物联网的实时语音通信研究及其应用

陈先财+孙俊杰+张久鹏+张伟

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。

关键词：物联网；嵌入式；实时；语音；病房信息管理系统

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）02-0075-03

0 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。

1.1 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POSIX 1.0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。

1.2 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：

（1）体积小、低功耗、低成本、高性能；

（2）支持Thumb（16）/ARM（32位）双指令集，能很好地处理兼容性；

（3）大量使用寄存器，指令执行速度更快；

（4）大多数数据操作都在寄存器中完成；

（5）寻址方式灵活简单，执行效率高；

（6）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ARM7 TDMI，ARM720T，ARM9 TDMI，ARM922T，ARM940T，ARM946T，ARM966T，ARM10 TDMI等。本文所选用是ARM11系列，其内核时钟频率为350～500 MHZ，ARM11处理器的功耗可以低至0.4 mW/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ARM compiler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。

1.3 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）。Kernel 2.6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

2.1.1 Linux环境的配置

首先是要安装Ubuntu 10.04.04 。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

#tar zxvf arm-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：

export PATH=/usr/local/arm/4.3.2/bin：$PATH

export TOOLCHAIN=/usr/local/arm/4.3.2

export TB_CC_PREFIX=arm-linuxexport

PKG_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：

（1） 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：

#tar zxf FORLINX_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‘make menuconfig 命令：

#sudo apt-get install libncurses5-dev

如果执行命令后无法找到libncurses5-dev 安装包，那就需要先执行#sudo apt-get update，再执行#sudo apt-get install libncurses5-dev

（3） 编译内核

编译内核的命令如下：

#make zImage

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：

（1）创建根文件系统的目录；

（2）创建设备文件；

（3）安装./etc；

（4）编译内核模块； 即进入Linux内核目录 make modules APCH = arm

CROSS_COMPILE = arm-linux-

（5）安装内核模块；

（6）配置busybox； 即进入busybox目录执行 make menuconfig，选中“Bulidbox as a static binary ”，静态链接。

Cross compile prefix（arm-linux-）

Installation Options —>

然后选中“Dont use/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。

（7）编译、安装busybox；

Make ARCH = arm CROSS_COMPILE = arm-linux- Make install

2.1.3 音频驱动移植

音频驱动移植的程序代码如下：

$ make menuconfig

Device Drivers --->

<*> Sound card support --->

<*> Advanced Linux Sound Architecture --->

<*> OSS Mixer API

<*> OSS PCM （digital audio） API

[*] OSS PCM （digital audio） API - Include pugin system

<*> ALSA for SoC audio support --->

<*> ASoC support for Samsung

<*> SoC AC97 Audio support for SMDKC100 - WM9713

2.2 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。

图1 嵌入式系统硬件示意图

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-Format video Codec）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OpenGL ES 1.1/ 2.0和D3DMAPI， 能实现4M triangles/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667 MHz主频以上，支持Mobile DDR和多种NAND FLASH。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

int init_soundcard （int oflag）

{ /* 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=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

int recorddata（int soundfdr， unsigned char *buf）

{ ...

status=read（soundfdr，buf， （LENGTH*RATE*SIZE*CHANNELS/8000））； // 录音

//close （soundfd）；

}

//声音播放程序

int playsound（int soundfdw， unsigned char *buf）

{

status=write（soundfdw，buf， （LENGTH*RATE*SIZE*CHANNELS/8000））； /* 回放 */

}

While（1）

{

...

playsound （soundfdw， buf1）；

recorddata （soundfdr ， buf1）；

playsound （soundfdw， buf2）；

recorddata （soundfdr ， buf2）；

...

}

4 结 语

本文开发的基于Linux 的嵌入式系统应用医院病房管理系统，能满足医院病房、护士站系统提出的语音通信的要求，保证任务完成的实时性、可靠性、实现护士与病人的即时通信。相对于传统的系统更容易实现系统集成和维护。在语音实时通信领域有很好的应用前景。

参 考 文 献

[1]司永卫.实时语言传输系统的设计与软件实现[D].成都：成都理工大学，2011.

[2]飞凌嵌入式.OK6410开发板硬件手册[R].2012.

[3]程昌南.ARM Cortex-A8硬件设计DIY[M].北京：北京航空航天大学出版社.2012.

[4]杨黎明.基于RTP协议的实时语音传输研究与实现[D].武汉：华中科技大学，2007.

[5]史蒂文斯，拉戈，尤晋元，张亚英.UNIX环境高级编程[M].北京：人民邮电出版社，2006.

[6]WALL K.GNU/Linux编程指南（第二版）[M].张辉，译. 北京：清华大学出版社，2002.

[7]刘华，李军红，阳武娇.基于PXA255的VOIP语音传输系统研究[J]. 电子技术，2011（9）：79-81.

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

int init_soundcard （int oflag）

{ /* 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=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

int recorddata（int soundfdr， unsigned char *buf）

{ ...

status=read（soundfdr，buf， （LENGTH*RATE*SIZE*CHANNELS/8000））； // 录音

//close （soundfd）；

}

//声音播放程序

int playsound（int soundfdw， unsigned char *buf）

{

status=write（soundfdw，buf， （LENGTH*RATE*SIZE*CHANNELS/8000））； /* 回放 */

}

While（1）

{

...

playsound （soundfdw， buf1）；

recorddata （soundfdr ， buf1）；

playsound （soundfdw， buf2）；

recorddata （soundfdr ， buf2）；

...

}

4 结 语

本文开发的基于Linux 的嵌入式系统应用医院病房管理系统，能满足医院病房、护士站系统提出的语音通信的要求，保证任务完成的实时性、可靠性、实现护士与病人的即时通信。相对于传统的系统更容易实现系统集成和维护。在语音实时通信领域有很好的应用前景。

参 考 文 献

[1]司永卫.实时语言传输系统的设计与软件实现[D].成都：成都理工大学，2011.

[2]飞凌嵌入式.OK6410开发板硬件手册[R].2012.

[3]程昌南.ARM Cortex-A8硬件设计DIY[M].北京：北京航空航天大学出版社.2012.

[4]杨黎明.基于RTP协议的实时语音传输研究与实现[D].武汉：华中科技大学，2007.

[5]史蒂文斯，拉戈，尤晋元，张亚英.UNIX环境高级编程[M].北京：人民邮电出版社，2006.

[6]WALL K.GNU/Linux编程指南（第二版）[M].张辉，译. 北京：清华大学出版社，2002.

[7]刘华，李军红，阳武娇.基于PXA255的VOIP语音传输系统研究[J]. 电子技术，2011（9）：79-81.

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

int init_soundcard （int oflag）

{ /* 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=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

int recorddata（int soundfdr， unsigned char *buf）

{ ...

status=read（soundfdr，buf， （LENGTH*RATE*SIZE*CHANNELS/8000））； // 录音

//close （soundfd）；

}

//声音播放程序

int playsound（int soundfdw， unsigned char *buf）

{

status=write（soundfdw，buf， （LENGTH*RATE*SIZE*CHANNELS/8000））； /* 回放 */

}

While（1）

{

...

playsound （soundfdw， buf1）；

recorddata （soundfdr ， buf1）；

playsound （soundfdw， buf2）；

recorddata （soundfdr ， buf2）；

...

}

4 结 语

本文开发的基于Linux 的嵌入式系统应用医院病房管理系统，能满足医院病房、护士站系统提出的语音通信的要求，保证任务完成的实时性、可靠性、实现护士与病人的即时通信。相对于传统的系统更容易实现系统集成和维护。在语音实时通信领域有很好的应用前景。

参 考 文 献

[1]司永卫.实时语言传输系统的设计与软件实现[D].成都：成都理工大学，2011.

[2]飞凌嵌入式.OK6410开发板硬件手册[R].2012.

[3]程昌南.ARM Cortex-A8硬件设计DIY[M].北京：北京航空航天大学出版社.2012.

[4]杨黎明.基于RTP协议的实时语音传输研究与实现[D].武汉：华中科技大学，2007.

[5]史蒂文斯，拉戈，尤晋元，张亚英.UNIX环境高级编程[M].北京：人民邮电出版社，2006.

[6]WALL K.GNU/Linux编程指南（第二版）[M].张辉，译. 北京：清华大学出版社，2002.

[7]刘华，李军红，阳武娇.基于PXA255的VOIP语音传输系统研究[J]. 电子技术，2011（9）：79-81.