基于嵌入式技術(shù)的無線語音教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉振軍，蔣朝根，代聰聰

(西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都610031)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，語音教室的出現(xiàn)，使得教學(xué)手段不再單一。但傳統(tǒng)的語音教學(xué)系統(tǒng)存在以下缺點：

（1）缺乏靈活性，比如各個學(xué)校的語音教室都是固定的，所有的設(shè)備都固定在特定的教室。

（2）成本高，每一個學(xué)生終端都是一臺PC機(jī)，需要大量的布線，專門的教室和課桌。這些都限制了語音教學(xué)在學(xué)校里不可能大規(guī)模使用，只能是少數(shù)幾個教室和少數(shù)的教學(xué)能夠使用到。

本文介紹一種基于嵌入式的無線語音教學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)的學(xué)生端采用ARM7開發(fā)板，教師服務(wù)器端為筆記本電腦，通過無線路由器組建一個局域網(wǎng)，系統(tǒng)具備語音廣播，小組討論，提問，師生單獨對話，多媒體播放，文件上傳下載，電子舉手等功能。該系統(tǒng)因為采用的是無線傳輸和無線控制，所以靈活性大，可以在任何室內(nèi)進(jìn)行教學(xué)，而不必固定在特定的語音教室。另外極大地降低了成本，具有很好的推廣性。

1 無線語音教學(xué)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

無線語音系統(tǒng)是的學(xué)生端基于嵌入式WinCE系統(tǒng)平臺，支持語音輸入、輸出處理,具有選擇和執(zhí)行菜單功能，并具有以下外部接口：無線網(wǎng)卡；電源接口；麥克風(fēng)/ 耳機(jī)語音輸入輸出設(shè)備；可觸控顯示屏（LCD）。教師服務(wù)器是WIN XP系統(tǒng)的普通PC機(jī)，利用Visual C + + 編寫的服務(wù)器程序來控制包括學(xué)生終端的整個系統(tǒng)。再通過無線路由器組建一個無線局域網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。并采用實時傳輸協(xié)議（RTP）、實時傳輸控制協(xié)議（RTCP）和G.726協(xié)議來對傳統(tǒng)的語音系統(tǒng)進(jìn)行改造，使之成為方便易用、性能優(yōu)越和功能齊備的新一代的語音教學(xué)系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 無線語音教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

教師服務(wù)器和學(xué)生客戶端都是無線局域網(wǎng)的一員，他們通過無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和無線控制，這樣就可以不再受傳統(tǒng)教學(xué)系統(tǒng)地點上的束縛，可以隨時將整個教學(xué)系統(tǒng)移動到需要的地點進(jìn)行教學(xué)，具有極大的靈活性和通用性。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

通過對現(xiàn)有的各種教學(xué)系統(tǒng)的研究總結(jié)，并綜合考慮嵌入式技術(shù)的，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，在滿足日常教學(xué)的基本需求下，我們將本系統(tǒng)所需實現(xiàn)的各項功能模塊劃分為：課堂教學(xué)模塊，小組討論模塊，文件上傳下載模塊，多媒體播放模塊，單獨交流模塊等，如圖2。

圖2 系統(tǒng)功能框圖

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用客戶/ 服務(wù)器模式。系統(tǒng)實現(xiàn)分為學(xué)生終端（客戶端）的實現(xiàn)和教師端（服務(wù)器）的實現(xiàn)。

3.1 學(xué)生終端的實現(xiàn)

學(xué)生終端采用ARM7開發(fā)板（MINI2440），帶有各種接口和觸控顯示屏等，另外由于本系統(tǒng)是無線傳輸，所以需要無線網(wǎng)卡。學(xué)生終端的嵌入式操作系統(tǒng)采用WINCE系統(tǒng)，并需要在該操作系統(tǒng)下的無線網(wǎng)卡等驅(qū)動程序。學(xué)生端的應(yīng)用軟件開發(fā)和教師端的各個功能模塊是一一對應(yīng)的，主要包括課堂教學(xué)模塊，小組討論模塊，文件上傳下載模塊，多媒體播放模塊，單獨交流模塊。其中，語音傳輸最為關(guān)鍵，采用的協(xié)議是RTP，該協(xié)議負(fù)責(zé)對流媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行封包并實現(xiàn)媒體流的實時傳輸。

3.2 教師端的實現(xiàn)

教師端采用普通的帶有無線網(wǎng)卡的便攜PC機(jī)（比如筆記本電腦）。在Microsoft visual C++ 6.0開發(fā)平臺上進(jìn)行教師端程序開發(fā)，主要包括課堂教學(xué)模塊，小組討論模塊，文件上傳下載模塊，多媒體播放模塊和單獨交流模塊等。

3.2.1 課堂教學(xué)

課堂教學(xué)模塊中要完成的主要功能是實現(xiàn)教師端語音流從話筒讀入，并采用一對多的方式實時發(fā)送給所有的學(xué)生端，關(guān)鍵技術(shù)是保證語音的清晰性（語音質(zhì)量）和實時性。

（1）為了保證語音質(zhì)量，系統(tǒng)采用G.726協(xié)議，G.726語音壓縮編碼是自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM），是在G.721和G.723的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，具有算法簡單、語音質(zhì)量高等特點。

（2） 為了保證語音傳輸?shù)膶崟r性，采用的協(xié)議是RTP。但是，RTP是利用UDP進(jìn)行傳輸?shù)?，而且RTP本身不能對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報提供可靠的保證，也不能提供流量控制和擁塞控制，這些都會對實時傳輸產(chǎn)生影響，需要用一種方法進(jìn)行控制，因此，需要采用與RTP協(xié)議配合使用的RTCP協(xié)議。每個RTP數(shù)據(jù)報都由頭部（Header）和負(fù)載（Payload）2個部分組成，其中頭部前12個byte的含義是固定的，而負(fù)載則可以是音頻或者視頻數(shù)據(jù)，如圖3。

圖3 RTP數(shù)據(jù)報的頭部格式

3.2.2 小組討論

小組討論模塊的主要功能是讓學(xué)生端自由加入各個小組，進(jìn)行一個小組的討論，并且所有學(xué)生端的發(fā)言都會被發(fā)送并顯示在教師端，再通過教師端將每個小組的留言都發(fā)送給對應(yīng)小組的所有學(xué)生端成員，這樣，這個小組成員的發(fā)言就能被本組的所有成員看到。實現(xiàn)過程中主要用到VC++網(wǎng)絡(luò)編程的相關(guān)知識。

3.2.3 文件上傳下載和多媒體播放

文件上傳下載模塊的主要功能是實現(xiàn)學(xué)生終端訪問教師端的FTP服務(wù)器，可以在服務(wù)器上下載教師存放的課件，視頻等文件。同時學(xué)生也可以將自己的作業(yè)等文件上傳到教師服務(wù)器，當(dāng)然也可以將自己的學(xué)習(xí)心得上傳到服務(wù)器供所有學(xué)生分享。多媒體播放模塊的主要功能是實現(xiàn)將視頻和音頻實時發(fā)送到所有的學(xué)生端。

3.2.4 單獨交流模塊

單獨交流模塊其實是用于單個的學(xué)生和老師交流，其本質(zhì)也是語音傳輸，只是此時不再是一對多，而且傳輸?shù)姆较蚴请p向的，所以其相關(guān)技術(shù)也與課堂教學(xué)模塊一樣，不再贅述。

4 結(jié)束語

本文通過對現(xiàn)有語音教學(xué)系統(tǒng)的調(diào)查研究，總結(jié)其優(yōu)點和缺點，設(shè)計和實現(xiàn)了一種基于嵌入式技術(shù)的無線語音教學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使得語音教學(xué)不再局限于固定的場所，可以靈活選擇教學(xué)場所，另外該系統(tǒng)具有成本低、靈活性好、通用性好以及功能豐富等特點。

[1] 趙瑩瑩，張?zhí)m芬. 基于RTP協(xié)議的音頻傳輸技術(shù)的研究與實現(xiàn)[J] . 消費電子， 2006（10）：30-38.

[2] 潘桐. G.726語音壓縮算法在低碼率下的改進(jìn)與實現(xiàn)[J] .微計算機(jī)應(yīng)用， 2009，30（4）：76-80.

[3] 趙代強(qiáng). 基于數(shù)字語音交換技術(shù)的多方會議系統(tǒng)[J] .計算機(jī)工程，2004，30 （13）：87-88.