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基于DSP的智能无线音频传感器
王晓凡,徐塞虹
北京邮电大学计算机科学与技术学院,北京(100876)
摘要:作为传感器网络的高级形式,音视频传感器网络在环境监控、安全监控以及医疗保健等诸多应用领域发挥重要作用。本文采用数字信号处理技术,设计了一种体积小,具有声音信号处理能力的无线音频传感器节点,详细描述了节点硬件各个模块的功能以及实现。针对处理复杂的DSP模块,介绍了声音检测、识别以及压缩的实现机制和声音信号的数字处理流程。最后,通过实验对节点性能进行了测试。
关键词:DSP,音频传感器,无线通信中图法分类号:TP212.9
1.引言
音视频传感器网络其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的区域的音视频信息,并发布给观察者。音视频传感器网络有别于传统的传感器网络,它集中于处理信息量较大的音视频数据。音视频传感器网络的突出特点使其在环境监控、安全、交通和民用等诸多领域具有巨大的应用价值,成为目前信息领域一个相当活跃的研究分支[1,2,3]。例如海关和公共集会场所的安全监控,根据用户感兴趣的数据特征进行目标的监测及跟踪,并利用一些复杂的声音和图像处理技术,如声音识别、人脸识别、模式识别等技术,对被监测目标进行分析、处理及识别。
2.现状
对相关领域研究发现,音视频传感器网络的发展仅处于初级阶段。目前针对传感器节点的研究大部分工作没有涉及音视频传感器节点的设计,尤其是无线音视频传感器节点,很多关注于传感器节点的无线传输能力、节能以及模块化的研究[4,5],而相当多的应用,例如环境监控、家庭安全等,迫切需要灵活、微型、功耗低的无线音视频传感器节点。
目前使用广泛的是加州大学伯克利分校主持开发的低功耗、自组织、可重构的无线传感器节点系列[6],例如:Mica、Micaz节点。Micaz节点硬件有两个模块,一是处理和通信模块:使用的处理器是Atmel公司的产品,无线通信模块使用了Chipcon公司的CC2420。CC2420支持Zigbee通信技术,支持IEEE802.15.4协议,数据传输速率最高达到250Kbps,可快速休眠,节省系统能量;二是传感器模块:主要针对温度、湿度、加速度,还有音频,但音频主要为了定位使用。因此,用于监控和安全方面的音视频传感器节点的设计研究还没有被广泛涉及,这主要由于该类型传感器节点耗能多,数据量大,电路复杂。本文在Micaz节点的基础上,设计了一款低功耗、硬件压缩效果较好的音频采集卡,采用Micaz通用的标准接口,选用合适的音视频压缩、视频采集、音频采集芯片,实现模块堆叠扩展。
3.音频传感器
音频采集传感器在一块PCB上进行了模拟音频采集、声音识别以及音频压缩,处理后的语音数据通过无线传输模块发送给观察者。音频采集模块的设计包括硬件设计和底层驱动
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软件设计,除此之外还要设计灵活可靠的上层软件,使音频传感器满足各个领域用户的需求。我们设计的音视频传感器主要功能如图1所示:
1)声音信号预处理:包括前置放大、增益控制、带限滤波三个方面。
2)音频模数转换:对输入的经过预处理的模拟语音信号进行采样和量化,获得数字化的语音信号,并将数字化语音数据输出到DSP进行处理。
3)数字信号处理:完成事件检测、特征提取、模式匹配以及语音压缩的功能。对DSP中各个处理模块的详细描述见3.2节。
4)主处理器:传感器节点的计算核心,所有的设备控制、任务调度、能量计算以及功能协调、通信协议等都在这个模块的支持下完成,因此处理器的选择在传感器节点的设计中是至关重要的。
声音信号A/D主处理器无线通信5)无线通信模块:负责将声音识别结果以及用户所需要的语音数据传递给观察者。
声音信号
A/D
主处理器
无线通信
前置放大增益控制
前置放大
增益控制
带限滤波
预处理
DSP
图1音频传感器模块框图
单片机MSP430TIAudioADCUDA1341CC2420802.15.4MIC3.1硬件系统
单片机
MSP430
TI
AudioADC
UDA1341
CC2420802.15.4
MIC
DSP
TMS320C5509
电源
图2音频采集模块硬件框图
处理器选用美国TI公司的MSP430-F149,是超低功耗的16位单片机。同其他微控制器相比,MSP430可以大大延长电池的使用寿命,具有超低功耗的结构体系:在1MHz,0.1-400uA的额定工作电流,2.5-5.5V的工作电压。该处理器还有以下特点:从备用模式的唤醒仅需要6uS,丰富的中断能力减少了查询的需要;灵活、强大的处理能力,如优先级和
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