嵌入式Linux下的户外报警对讲系统设计

引 言

当社区公民在户外遇到突发情况时，快速与有关部门取得联系非常重要。针对这种社会需求，本设计提出并实现了一种户外报警对讲系统。当社区内发生突发事件时，市民能够通过此设备第一时间通知社区控制室，并与工作人员对讲以寻求帮助 [1-2]。此报警对讲系统使用 Cortex-A8 架构的 S5PV210 ARM 处理器作为 CPU，硬件包括音频模块、网络模块、SD 卡模块、USB 模块、按键报警模块、显示模块等。

1 系统硬件

系统采用 S5PV210核心板作为主控单元，使用 WM8960 音频芯片 CODEC进行编码与解码，使用LM4871音频功率放大芯片放大声音信号后传送到 4Ω/3W的喇叭输出。系统选用 DM9000网络芯片，通过百兆网口与后台服务器通信，由I/O口控制 LED 的显示以及检测按键报警，由 RS232接口控制LED显示屏显示的内容。系统预留了SD卡接口和USB接口， 使得系统可以方便地进行内核烧写与日后的维护升级。

系统硬件框图如图 1 所示。

图1 系统硬件框图

1.1 音频处理模块

S5PV210 支持 I2S/PCM/AC97 等音频接口。 本开发板采用 I2S0 接口， 外接有 WM8960 作为 CODEC 解码芯片。WM8960 内置有 D 类功放，可以直接驱动 8 Ω/1 W 的喇叭， 本设计使用 LM4871 功放芯片对信号进行放大处理。LM4871 是一个具有关断功能的音频功率放大器，其具有单位增益稳定，外部电路简单等特点，输出可以驱动 4 Ω/3 W 的喇叭，经测试，音量基本达到了设计要求。

音频功放模块电路如图 2 所示。

1.2 网络模块

网络部分采用 DM9000 网卡芯片。DM9000 是一款集成了 10/100PHY 的以太网MAC 控制器，它可自适应 10/100 M 网络，具有支持介质无关接口，支持背压模式半双工流量控制模式等特点，同时还支持超低功耗模式，兼容 3.3 V 和 5.0 V 输入输出电压。网口使用内部已经包含耦合线圈的 RJ45 连接头，因此不必在电路中另接网络变压器。

1.3 固件升级模块

传统的嵌入式产品在设备安装完成后，对于内核驱动层的升级较为不便，一般需回厂升级或者更换 ROM。这种方式不仅效率低下，更大大增加了维修成本。本设计预留了 SD 卡接口和 USB 接口，系统可以通过 SD 卡上的 Boot Loader 启动并通过 USB 接口烧写内核。维修人员只需携带一张 SD 卡和一台笔记本电脑即可完成固件升级工作。

2 系统软件

系统软件主要由应用层软件以及相应的驱动模块组成。应用层主要包括网络模块、音频模块、回声消除模块、按键控制模块等。系统软件模块组成如图 3所示。

文中分别详细介绍了与音频处理有关的 ALSA 框架，与回声消除有关的 Speex框架及网络通信部分。

2.1 ALSA

S5PV210 支持 I2S/PCM/AC97 等音频接口。本设计采用I2S 接口进行音频数据的传输，采用 I2C 接口对 CODEC 芯片的寄存器进行设置。整个音频驱动基于 ALSA 音频架构 [3-6]。

ALSA 是 Linux上一种应用比较广泛的音频驱动框架，ALSA 包含与音频编程有关的 API 库 [2]，及其他方便开发的工具，如 alsamixer 可以调节音频混声器参数，arecord 指令可以测试录音功能，aplay 指令可以测试播放功能。

ALSA 的软件体系结构如图 4 所示。

图 4 ALSA 的软件体系结构图

ALSA 的 API 可以分解成控制接口、PCM 接口、Raw MIDI 接口等。其中 PCM 接口是管理数字音频回放（playback） 和录音（capture）的接口。本文后续重点将放在该接口上，它是开发数字音频程序最常用的接口。

要使用 ALSA，首先调用以下语句打开 PCM 设备 ：

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

设置语音的硬件参数。考虑到紧急报警的通话要求仅为清晰，故选用的参数为 ：采样率 8 k，单通道，16 位。ALSA首先声明一个结构体 snd_pcm_hw_params_t，用来保存句柄的硬件参数，然后调用参数设置语句填充结构体，最后调用函数 snd_pcm_hw_params 进行参数设置。

音频部分代码运用 Linux 多线程编程技术，其中一个线程负责通过 UDP 接收音频流并播放，调用 snd_pcm_writei函数完成写数据 ；另一个线程负责采集音频信号并发送到服务器，调用 snd_pcm_readi 函数完成读数据操作。音频的采集和播放分别维护一个 buffer，由信号量控制各线程对其的使用权，每个 buffer 有两个指针，分别表示数据的压入和取出，保证程序有序运行。

2.2 Speex

由于音频设备会出现回声的现象（远端喇叭播放的声音被麦克风采集后又传回近端），情况严重时对语音质量影响极大。本设计主要采用 Speex 音频库的 API，结合 ALSA 框架进行回声消除的研究 [7]。

应用 Speex 库进行回声消除的主要步骤如下：

（1）首先设置音频基本参数，需要调用以下函数 ：

_speex_preprocess=speex_preprocess_state_init（FRAMESIZE，8000）；

在使用其他功能之前首先调用 Speex 的预处理函数初始化音频参数，函数第一个参数是每帧的大小，第二个参数是采样率。在语音通话中一般采用的帧长为 20 ms，假如是 16 k的语音数据，帧长 20 ms 等于 320 个采样点。

（2）创建回声消除 AEC，设置相关参数。调用 speex_echo_state_init（m_nFrameSize，m_nFilterLen） 创建一个AEC（Acoustic Echo Chancellor，AEC），该函数的第二个参数是尾音长度，即喇叭到麦克风的延迟时间，该参数直接影响了回声消除的效果。

调 用 speex_echo_ctl（st，SPEEX_ECHO_SET_SAMPLING_RATE，&sampleRate）来设置相关参数。 （3）最后在线程中循环调用函数消除回声。调用 speex_echo_cancellation（st，ref_buf，echo_buf，e_buf）函数将数据传递给 AEC，第二个参数是喇叭播放数据，第三个参数是麦克风采集数据，第四个参数是回声消除后的数据。

调用 speex_preprocess_run（_speex_preprocess，outbuf）启动 Speex 的音频处理进行回声消除。Outbuf 即为处理后的数据。

2.3 网络通信

系统使用 TCP 协议控制信号的传输，使用 UDP 协议进行音频流的传输 [8]。

下位机作为 TCP 客户端主动向服务器发起连接，并且每隔 30 s 向服务器发送一个心跳包，服务器可以通过判断接收间隔以判断下位机的在线状态。下位机和服务器通过 Modbus协议进行应用层数据交互，其基本格式为 ：帧头 + 帧长 + 数据区+ 校验码 + 帧尾，通过自定义协议完成上位机对下位机的查询和控制，以及下位机报警信号的上传。

网络编程部分应用了 Libevent 事件通知库，其内部使用select，epoll，kqueue，IOCP 等系统调用管理事件机制。相对于 Raw Socket 编程，应用 Libevent 事件库大大提升了网络通信的性能与稳定性。

3 结 语

本系统在设计完成后进行了完整有效的系统测试，电路板安装在定制的机箱壳体内，并设计有 ESD 防护。本设备可以安装在电线杆上或者临街的墙壁上方便市民使用。

 图 5 终端控制板实物图最终的测试结果表明，报警信号可及时上传，对讲语音清晰有效，各类接口功能正常，均满足了设计要求，达到了预期目标。