WiFi對講機(jī)的設(shè)計(jì)

張朝平段睿瀟張 揚(yáng)（.上海山源電子科技股份有限公司，上海 06；.華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074）

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WiFi對講機(jī)的設(shè)計(jì)

張朝平1段睿瀟2張 揚(yáng)2
（1.上海山源電子科技股份有限公司，上海 201612；2.華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074）

摘 要：本文介紹了WiFi對講機(jī)的對講原理、軟硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)出來的WiFi對講機(jī)經(jīng)測試，完全滿足對講聯(lián)絡(luò)的要求，是傳統(tǒng)模擬數(shù)字對講機(jī)的有力補(bǔ)充。

關(guān)鍵詞：對講機(jī)；WiFi通信；測試效果

目前模擬、數(shù)字對講機(jī)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但是，在樓房、廠房等較為分散的有阻擋的區(qū)域之間，這些模擬和數(shù)字對講機(jī)就失去了作用。現(xiàn)在，以太網(wǎng)和WiFi無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)非常普遍，特別是特大型企業(yè)內(nèi)部的局域網(wǎng)和WiFi無線網(wǎng)絡(luò)基本上實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，在這些企業(yè)中，利用現(xiàn)有的有線和無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對講通話等工作聯(lián)絡(luò)是非常需要的。為此，我們設(shè)計(jì)了WiFi對講機(jī)，通過WiFi網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對講。

一、實(shí)現(xiàn)原理

通過MIC采集聲音信號并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，MCU對A/D轉(zhuǎn)換過的數(shù)字信號進(jìn)行編碼，再把編碼后的數(shù)據(jù)以50ms為一包，按照選擇的通道，通過WiFi的組播發(fā)送出去。在收到其他對講機(jī)發(fā)來的組播數(shù)據(jù)包后，MCU進(jìn)行解碼，并緩存150ms的語音數(shù)據(jù)，待緩存滿后開始取出緩存的數(shù)據(jù)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，把語音數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號，再經(jīng)功放后接入喇叭，播放出聲音。

和傳統(tǒng)對講機(jī)一樣，WiFi對講機(jī)設(shè)置有通道選擇旋鈕，共16個(gè)通道，每一個(gè)通道對應(yīng)一個(gè)組播地址，相同組播地址的對講機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)語音數(shù)據(jù)的相互收發(fā)，實(shí)現(xiàn)分組對講。

WiFi無線信號會(huì)隨著對講機(jī)的移動(dòng)出現(xiàn)信號飄移，為了使語音播放更流暢，需要對收到的語音數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，這樣，偶爾出現(xiàn)傳輸延遲，也不至于引起語音播放的卡頓。緩存時(shí)間越長，播放越流暢，但時(shí)間過長就會(huì)有延遲的感覺。本設(shè)計(jì)采用150ms的緩存，這樣，播放的聲音聽起來基本感覺不到延遲，而又起到了補(bǔ)償傳輸延遲避免卡頓的作用。

無線傳輸語音數(shù)據(jù)要盡量少地占用帶寬，以便減少傳輸時(shí)間，使MCU能夠有丟包重傳的處理時(shí)間，這就需要對語音數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和解碼。比較ADPCM、G.711、G.721等語音編碼，ADPCM編碼把語音數(shù)據(jù)按1∶4的壓縮比進(jìn)行壓縮，算法簡單，占用MCU時(shí)間短，解碼后語音質(zhì)量良好。本設(shè)計(jì)采用了ADPCM編解碼算法。

漫游是移動(dòng)對講必須要解決的問題，以便實(shí)現(xiàn)對講機(jī)在跨越WiFi路由器時(shí)不中斷對講。對講機(jī)中的WiFi模塊在檢測到連接的路由器的信號強(qiáng)度（RSSI）小于-80DB時(shí)，開始檢測其他路由器的信號強(qiáng)度，當(dāng)其他路由器的信號強(qiáng)度大于-70DB時(shí)，則立刻連接到信號強(qiáng)度較強(qiáng)的這臺路由器。為了更快速地進(jìn)行路由器連接切換，在部署路由器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，所有路由器全部配置成相同的名字（SSID），這樣，漫游時(shí)，對講機(jī)只檢測SSID相同的路由器的信號強(qiáng)度，使路由檢測和切換速度大大提高。

圖1　硬件構(gòu)成圖

二、硬件設(shè)計(jì)

對講機(jī)由WiFi模塊、MCU、CODEC編解碼、數(shù)字功放、MIC、SPEAK、電源部分等組成，其構(gòu)成框圖如圖1所示。

選用意法的4系列ARM芯片作為MCU，ARM芯片本身帶有128K RAM，完全滿足語音數(shù)據(jù)緩存和WiFi收發(fā)所需內(nèi)存，ARM芯片具有兩個(gè)SPI，一個(gè)與WiFi模塊通信，一個(gè)與編解碼芯片通信，用于收發(fā)語音數(shù)據(jù)，還具有一個(gè)I2C接口，該接口與編解碼芯片通信，用于對編解碼芯片初始化和參數(shù)配置。

選用TI公司的內(nèi)置2W數(shù)字功放的編解碼（CODEC）芯片AIC3100，該芯片可直接接入MIC和4Ω喇叭?？梢酝ㄟ^寄存器設(shè)置，進(jìn)行語音濾波、回音抑制、音量調(diào)節(jié)等。該芯片的I2C接口用于寄存器配置和語音采集與播放控制，SPI接口用于傳輸語音數(shù)據(jù)。

通道選擇旋鈕驅(qū)動(dòng)MCU上的GPIO，以便MCU檢測出選擇的通道，MCU檢測到所選通道后，通過SPI接口，配置WiFi模塊的組播地址，以便實(shí)現(xiàn)組內(nèi)語音數(shù)據(jù)的組播收發(fā)，實(shí)現(xiàn)分組對講功能。

音量調(diào)節(jié)旋鈕接入MCU的一路A/D通道，以便MCU檢測出調(diào)節(jié)的音量，MCU根據(jù)測得的音量旋鈕的電阻值，通過I2C接口配置CODEC芯片的音量大小，達(dá)到音量調(diào)節(jié)的作用。

WiFi模塊選用具備SPI透傳接口的低功耗嵌入式模塊，天線采用模塊自帶的板載天線，工作模式選擇為STA模式，組播功能開啟。

三、軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)包括MCU本身初始化、WiFi模塊初始化、CODEC芯片初始化、語音采集播放控制、語音數(shù)據(jù)收發(fā)、通道檢測、音量檢測等環(huán)節(jié)。

整個(gè)軟件系統(tǒng)采用UCOSII開源的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，分3個(gè)任務(wù)：按鍵旋鈕掃描任務(wù)、語音采集與播放任務(wù)、WiFi通信任務(wù)。任務(wù)間通過消息進(jìn)行協(xié)同操作。

任務(wù)劃分及任務(wù)處理流程圖分別如下。圖2為任務(wù)分配圖，圖3為協(xié)議處理任務(wù)流程圖，圖4為消息處理流程圖，圖5為語音處理流程圖。

把所有與PTT按鍵、通道選擇旋鈕、音量調(diào)節(jié)旋鈕、開關(guān)機(jī)鍵等硬件相關(guān)的檢測放在按鍵旋鈕掃描任務(wù)中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)部件狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，就向系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的消息。其他任務(wù)檢測到該消息時(shí)，就做出相應(yīng)的處理。

語音采集與播放任務(wù)主要用來管理MCU與CODEC芯片之間的通信。當(dāng)收到PTT按下的消息時(shí)，就控制CODEC芯片開始進(jìn)行MIC語音數(shù)據(jù)的采集，并從CODEC芯片中通過SPI口取出語音流數(shù)據(jù)，進(jìn)行編碼儲存，等到語音數(shù)據(jù)達(dá)到約定的50ms數(shù)據(jù)時(shí)，就向系統(tǒng)發(fā)出傳輸語音數(shù)據(jù)的消息。另一方面，當(dāng)收到外部語音數(shù)據(jù)時(shí)，就開始解碼并緩存語音數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到150ms時(shí)，MCU就控制CODEC芯片開始播放收到的語音數(shù)據(jù)。

WiFi通信任務(wù)主要是處理WiFi通信協(xié)議并進(jìn)行雙向的語音組播。

圖2　任務(wù)分配圖

圖3　協(xié)議處理任務(wù)流程

圖4　其他消息處理流程

圖5　語音處理任務(wù)流程

四、測試效果

對講機(jī)樣機(jī)做好后，對對講的流暢性以及漫游特性進(jìn)行了測試。在一個(gè)3000m2的廠房中部署了兩臺路由器，用4只對講機(jī)進(jìn)行測試。

把對講機(jī)兩兩設(shè)置成相同的通道，對講時(shí)，不同分組的對講機(jī)可以同時(shí)對講，而不會(huì)產(chǎn)生干擾，靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，通話流暢，但在頻繁轉(zhuǎn)身時(shí)，偶爾會(huì)出現(xiàn)聲音卡頓現(xiàn)象。

在對講過程中，從一個(gè)路由器附近走向另一個(gè)路由，中間大約有一秒鐘的卡頓。

整個(gè)對講基本能夠順利進(jìn)行。

結(jié)語

WiFi對講機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)不同區(qū)域的遠(yuǎn)程對講，是傳統(tǒng)模擬或數(shù)字對講機(jī)較難實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域遠(yuǎn)程對講的有力補(bǔ)充。測試表明，設(shè)計(jì)的WiFi對講機(jī)從功能和性能上，能夠滿足對講聯(lián)絡(luò)的要求。

參考文獻(xiàn)

［1］盧瑤，宗蓓蓓，胡春濤.遠(yuǎn)程WiFi技術(shù)狀態(tài)下的手機(jī)無線對講遐想［J］.西部廣播電視，2015（3）：146-146.

中圖分類號：TN92

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：This paper describes the principle of WiFi interphone， the key point of hardware and software design， and the key technology. The test shows that the WiFi interphone is completely meet the requirements for communication. What is more， the phone is also an addition of traditional analogous and digital interphone.

Keywords：interphone； WiFi communication； test effect