SOC一种兼有语音通信功能的实时定位系统的设计与实现文档格式.docx

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Keywords：

real-timelocatingsystem（RTLS）;

algorithmwithpriority;

audiocommunication

摘要：

随着无线传感器网络的技术发展，随着节点定位原理和定位算法的研究，基于无线传感器网络的实时定位系统也得到很大发展。

实时定位系统具有巨大的应用价值和前景，同时也给开发设计带来了巨大挑战。

文章以设计实时定位系统为基础，提出了兼有语音通信功能的实时定位系统的一种设计方法，并兼顾语音通信和定位的实时性、公平性和可靠性。

重点讨论了系统结构、硬件设计、协议设计以及具有优先级的语音和定位调度算法。

关键词：

实时定位系统；

优先级任务调度算法；

语音通信

1引言

无线传感器网络（WirelessSensorNetworks，WSN）是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。

传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了现代无线传感器网络的产生和发展。

随着无线传感器网络的发展，实时定位系统的研究与设计已深受学术界关注，同时也面临着各方面的巨大挑战，比如信道干扰、定位精度等。

有语音通信功能的实时定位系统将突破传统单一的定位功能，在实现大规模节点实时监控和跟踪的同时，还能实时的进行语音传输，可以有效地提高系统的应用范围或领域。

本文针对实时定位系统中实时语音通信开展了深入研究，从系统结构、硬件设计、协议设计以及具有优先级的语音和定位调度算法等方面进行了详细设计。

系统在语音通信和定位上，采用了具有优先级的任务调度算法，保证了语音通信和定位的实时性、公平性和可靠性。

2兼有语音通信实时定位系统的系统结构

随着嵌入式系统处理器的不断发展，典型的32位RISC芯片-ARM处理器，不论是在PDA，STB，DVD等消费类电子产品中，还是在GPS，航空，勘探，测量等军方产品中都得到了广泛的应用。

越来越多的芯片厂商早已看好ARM的前景，比如Intel,NS,Atmel,Philips,NEC,CirrusLogic等公司都有相应的产品。

他们把更多的功能集成在ARM芯片中，使其成为了高集成度，低功耗的典型代表。

嵌入式系统内容包含一个或多个控制用的CPU以及针对特定应用环境而开发的高层软件，通常含有操作系统。

在使用过程中，系统内部CPU和软件的行为并不为外界所感知，因此叫做“嵌入式”系统；

通常把对外部事件响应时间很短的嵌入式系统叫做“嵌入式实时系统”；

应用于嵌入式实时系统的操作系统叫做“嵌入式实时操作系统”；

相应的应用程序叫做“嵌入式时应用程序”。

嵌入式实时系统包括硬件和软件两个方面，由硬件平台、嵌入式实时操作系统及其他系统软件模块、实时应用程序三个部分组成。

如下图1所示。

嵌入式实时系统的硬件平台通常以为能紧凑、专用性强的CPU为核心同时结合少量的外转围设备，具有应用相关性，即多样性的特点。

操作系统和其他系统软件介于硬件和应用程序之间，负责调度并管理实时应用程序，并完成对硬件的控制和操作。

实时应用程序是基于嵌入式实时操作系统、利用操作系统提供的实时机制完成特定的嵌入式实时系统具体功能的应用程序。

在以上三个部分中，嵌入式实时操作系统是嵌入式实时系统的核心，是应用程序开发和运行的平台，是嵌入式实时系统区别于其他通用计算机系统的集中体现，也是推动嵌入式实时系统广泛应用的关键因素。

嵌入式实时操作系统除了具有操作系统的共性以外，为适应“嵌入式实时”应用，嵌入式实时操作系统还具有实时性、微内核结合扩展模块实现通用性与可配置性、操作系统不对外设作假设等突出特点。

图1嵌入式实时系统的结构

下图2给出了系统的整体框架图，包括底层嵌入式无线网络系统和上层上位机系统。

底层无线定位系统实现了三个功能：

语音的实时传输、定位系统的测距工作以及海拔数据的采集。

上层上位机根据测距原始数据和海拔高度值完成节点定位，并对无线定位网络进行实时监控。

本文提出的兼有语音通信的实时定位系统由四个子系统构成：

气压采集子系统、语音采集子系统、无线通信子系统和上位机子系统。

其中前三个子系统集成在定位节点中，而上位机子系统运行在PC机或手持PDA中。

图2实时定位系统框架

嵌入式实时操作系统兼有嵌入式和实时性的特点。

作为一种嵌入式操作系统，它具有嵌入式软件共有的可裁剪、低资源、低功耗等特点；

作为实时操作系统除了要满足应用的功能需求以外，更重要的是还要满足应用提出的实时性要求。

实时操作系统所遵循的最重要的设计原则是：

采用各种算法和策略始终保证系统行为的可预测性。

实时操作系统的首要任务是调动一切可利用的资源完成实时控制任务。

如何使任务集内各任务满足各自的时限，使系统得以正常、高效率工作的任务调度算法一直是实时系统领域内研究的焦点。

根据其应用领域及追求精简、高效角度的不同，任务调度算法从简单的合理安排任务循环，发展到基于优先级的速率单调调度（RMS）、截止时间单调调度（DMS）、最早时限优先（EDF）、最短空闲时间优先（LLF）等算法。

任务调度算法的好坏以及执行效率直接关系到嵌入式内核的应用范围及实时性程度。

3兼有语音通信实时定位系统的硬件设计

兼有语音通信的无线定位节点的功能包括对语音的采集、气压的采集、基于TOA（Timeofarrival）的测距以及自身电量监控等。

节点由微控制器、语音采集模块、气压采集模块、无线通信模块、电源模块以及本地监控电路等组成，如图3所示。

图3兼有语音通信的定位节点结构

节点的设计以高测距精度、高可靠性、低功耗和较好的便携性为目标。

微控制器是节点的计算和控制核心，所有的设备控制、任务调度、功能协调和通信协议等都在微控制器控制下完成，而选择具有测距功能的射频模块是完成定位的关键条件。

射频模块通过高速SPI接口与微控制器连接，语音采集模块通过微控制I/O模拟串行协议通信,气压采集模块通过微控制I/O模拟I2C接口通信。

本设计选用IEEE802.15.4a标准的射频芯片NanoLOC，微控制器ATmega644V，语音采集模块AMBE-1000，气压采集模块HP03。

微控制器采用Atmel公司的8位高性能、低功耗微控制器ATmega644V，ATmega644V采用RISC指令集，在1MHz时钟频率下，能达到1MIPS的性能。

在系统设计中，充分利用了ATmega644V的丰富外部接口，通过高效SPI与射频模块进行通信，同时分别模拟I2C总线协议和串行协议与气压采集模块和语音采集模块进行通信。

AMBE（AdvancedMulti-BandExcitation）是基于MBE技术的低比特率、高质量语音压缩算法，具有语音音质量好和编码速率低等优点。

AMBE-1000是一款高性能多速率语音编码/解码芯片，语音编码解码速率可以在2400～9600bps之间变化。

在芯片内部有相互独立的语音编码单元和解码单元，可同时完成语音的编码和解码任务。

并且所有的编码和解码操作都能在芯片内部完成，不需要额外的存储器。

这些特性使它非常适合于数字语音通信、语音存储以及其它需要对语音进行数字处理的场合。

鉴于用户要求在三维空间完成定位，我们借助于气压传感器，可以得到节点的绝对高度。

系统设计中采用HP03气压传感器，该气压传感器具有较方便的使用性，通过I2C接口与外部的控制器进行数据交互,并且还具有16位的气压和温度精度。

考虑到系统中定位的关键功能，采用IEEE802.15.4a标准的射频芯片NanoLOC，NanoLOC的通信频率为2.42GHz-2.5GHz，具备基于Chirp扩频调制（CSS）实现异步TOA测距功能。

该芯片性能稳定，测距精度高，功耗较低。

并且该芯片传输速率最高可达2Mbps，发送一包20-30字节的数据也在微秒级，这也保证了语音传输的实时性。

4兼有语音通信实时定位系统的软件开发

从以上对系统的框架分析，可以将系统分为底层嵌入式系统和上层上位机监控系统，本章节将从底层MAC协议和上位机两方面来实现系统的软件实现。

4.1MAC协议

MAC协议的主要作用是保证公平性和有效的资源共享。

MAC机制主要分为两类：

一是基于竞争的协议，另一个是无竞争的信道协议。

基于竞争的协议假定网络中没有中心实体来分配信道资源，每个节点必须通过竞争媒体资源来进行传送，当超过一个节点同时尝试发送时，碰撞就会发生。

相反，无竞争的协议为每个需要需要通信的节点分配专用的信道资源。

无竞争的协议能够有效的减少冲突，其代价是突发数据业务的信道利用率可能会比较低。

系统的实时性、可靠性、低功耗和系统可配置性等性能需求通过协议跨层设计来实现。

MAC协议是协议栈中最核心的协议，合理的MAC协议设计才能保证系统工作的协调性，图4给出了MAC协议框架。

电力线通信通常采用CSMA/CA协议，即载波监听多路访问/冲突防止。

由于电力线通信技术基于民用家庭（办公）电线，因此无法为每一个端站划分独立的物理信道，从而PLC只能基于共享方式。

这样冲突就不能避免。

而电力线的拓扑环境比较随意无序，因此传统的冲突检测难以进行，因此引入了新的协议：

CSMA/CA，该协议的目的不是为了检测冲突，而是籍由划分时间段的方法来避免冲突。

MAC协议采用了TDMA与CSMA/CA相结合的协议设计，TDMA将一个刷新周期T分成了很多预定的时隙，每个时隙都有特定的功能。

具体协议解析如下：

图4MAC协议框架

图5MAC协议的详细时隙图

1）Tsyn时隙：

完成全网的时钟同步。

Sink节点在T一开始发起全网同步，信标节点在预定义的时隙转发同步时钟信息，以完成全网所有节点的时钟同步。

2）Tn时隙：

目标节点时隙。

目标节点n在时隙Tn中完成定位、数据上传和语音传输。

详细又可分解成更细小的时隙，参见图5。

A）Tsearch时隙：

目标节点发起信标节点搜索广播，搜索可测距的信标节点。

B）Tlocation时隙：

目标节点依次和所筛选的信标节点进行测距。

C）TData_update时隙：

用于将测距结果通过信标网络上传给上位机。

D）TAudio时隙：

传输语音数据。

4.2上位机

上位机是指人可以直接发出操控命令的计算机，一般是PC，屏幕上显示各种信号变化（液压，水位，温度等）。

下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机，一般是PLC/单片机之类的。

上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。

下位机不时读取设备状态数据（一般为模拟量），转换成数字信号反馈给上位机。

简言之如此，实际情况千差万别，但万变不离其宗：

上下位机都需要编程，都有专门的开发系统。

上下位机如何通讯，一般取决于下位机。

TCP/IP一般是支持的。

但是下位机一般具有更可靠的独有通讯协议，购买下位机时，会带一大堆手册光盘，告诉你如何使用特有协议通讯，里面会举大量例子，一般对编程人员而言一看也就那么回事，使用一些新的API罢了。

多语言支持功能模块，一般同时支持数种高级语言为上位机编程。

通常上位机和下位机通讯可以采用不同的通讯协议，可以有RS232的串口通讯，或者采用RS485串行通讯，当用计算机和PLC通讯的时候不但可以采用传统的D形式的串行通讯，还可以采用更适合工业控制的双线的PROFIBUS-DP通讯，采用封装好的程序开发工具就可以实现PLC和上位机的通讯。

当然可以自己编写驱动类的接口协议控制上位机和下位机的通讯。

图6简单数据流图

上位机用于收集无线网络上传上来的定位原始数据，对原始数据进行解析，再利用有效的定位算法进行定位，得到目标节点的位置信息。

对上位机进行功能分析，可以得到图6所示的数据流图。

5优先级任务调度算法

在硬件设计上，微控制器ATmega644V接有语音模块、气压模块和无线通信模块。

语音模块负责完成节点间的语音通讯；

气压模块负责测量节点所在位置的海拔数据；

无线通信模块负责完成移动节点的定位工作。

当微控制器外接的外设不止一个时，就面临多任务的协调问题，因此设计有效、公平、实时的任务调度算法是保证系统是实时性、公平性的关键。

常见的嵌入式系统调度算法有先来先服务（firstcomefirstservice，FCFS）调度策略，如图7所示，FCFS调度策略简单易实现，但是可调度性差且难以保证重要任务的有效执行，因此需要设计能保证系统实时性、公平性的优先级任务调度算法。

图7传统FIFO调度队列

基于上述需求提出了一种实时任务调度策略：

1）调度器在任务队列取任务时，选择执行优先权较高的等待任务。

在系统静态编译确定各个任务的任务号时，按照任务权限越高任务号越小的原则进行任务号分配；

调度器在取任务时，遍历当前等待队列中的任务，选择任务号最小即执行优先权最高的任务行。

2）每个任务都有一个执行时间限制，以防止正在执行的任务阻塞或进入死循环而造成系统瘫痪。

设计一个负责任务超时管理的时钟中断触发的事件处理，每隔一定时间间隔来检查当前运行任务的任务号。

如果与上次检查的任务号一致，则将任务执行的计数变量减l，并检查是否为0（任务执行超时检查）。

为0，说明任务执行超时，终止此任务，退出检查。

如不为0，说明任务未超时，结束检查，让任务继续执行。

利用ATmega644V的硬件时钟可以生成多个以2ms为单位的软件时钟，这样就可以为任务的调度提供最基本的条件。

为了保证系统的实时性，需对系统的任务进行优先级的排序，语音操作优先级最高，定位和气压采集是等优先级的。

在实时性基础上，进一步设计具有优先级不可抢占的任务调度算法，参见图8。

图8具有优先级的任务调度

设计两个具有优先级的任务队列，优先级分别为：

最高级和普通级。

按照上述任务划分，将语音操作任务放到最高优先级队列，其余任务都放到普通优先级队列，微控制器在执行任务调度时，总是选择优先级最高的任务来执行，如果最高级优先级队列为空，才选择普通级队列任务来执行。

6系统性能测试与分析

6.1测距与通信测试

在设计需求与设计约束中，已经给出了从功能和性能上的一些指标，其中之一需要节点的通信距离不能小于1Km，因此对测距距离作了详细的测试。

我们在两个环境进行了距离测试：

学校长距离可视通道和室外空旷远距离环境。

通过这两个场景的实际测试，表面节点的通信距离能过达到1Km，对两种测试环境进行统计，测距次数上千次，最终得到的结果都能保证丢包率在10%以内，符合功能需求。

6.2语音测试

语音失真度测量算法是一种客观的测量方法，不是本课题的主要研究内容，所以对语音的测试主要还是主观的测试方法。

通过主观的测试，发现定位系统中，语音通信过程是连续的，并且语音通话是可懂的，在音乐传输上会稍微差一些，语音的通话质量和语音的采样位数是息息相关的，语音数据位越多，明显通话质量会好很多，系统中的语音比特率最低可以是2400bps，最高可达9600bps，在应用中，语音通信主要使用的是2400bps。

另外语音的延迟上，采用了优先级任务调度算法，保证了语音处理的实时性。

语音通信成功的标准为接收方听到的语音清晰可懂。

语音通信测试样本由50个数字构成。

在每个测试点，一边的测试人员顺序朗读样本，另一边接收的测试人员根据语音清晰度可懂的标准记入听到的正确样本个数。

用于测试的两个节点分别在距离管理基站20米、40米、60米、80米位置进行语音传输和短消息传输测试，每个测试距离进行10组测试。

实验结果为在定位覆盖区域范围内，平均语音通信成功率为95%。

上述测试结果表明，此系统能够支持多服务融合，提供较高的服务质量。

6.3协议性能测试

由于系统MAC协议采用了固定时隙分配，每个节点的时隙大约为50ms，那么定位系统的目标节点容量与刷新频率参见表1。

表1目标节点容量与刷新频率

表中给出的数据不包括全网同步时间，如果在每次刷新开始，全网同步时间月为50ms，那么在8s刷新周期下，网络的最大容量可达到150个节点。

6.4定位结果测试

对实时定位系统进行定位测试，可以得到如图9所示，实线为时间位置，红点为计算坐标位置，蓝点位平滑坐标。

图9定位测试

图10定位误差概率密度

采用优先级任务调度算法，可以保证语音就有很好的实时性。

从设计上分析，在语音请求发生和语音被处理的延时最坏的情况是执行一个普通优先级任务的时间，即最长的普通任务执行时间，大约为9ms，经过实践测试，在实时定位情况下，语音也连续、清晰、可懂；

如图10所示，据测试统计，定位算法的定位精度也能很好控制在2m以内，定位误差在1m以内的概率也能达到约90%以上。

7.结论

本文通过对无线网络定位技术的研究，设计了一套基于TOA的室外远距离定位系统，该定位系统可以具有三维定位兼半双工语音通信的功能，可应用于人员的指挥与调度。

通过研究与设计，本文提出了具有公平性和低功耗的MAC协议，能有效保证系统的定位和语音通信；

提出了具有优先级的任务调度算法，保证了语音通信的实时性，同时不影响三维定位。

从系统的功能和性能测试结果，表明系统在预定约束条件内达到了预期设计的需求，并且在定位精度上可以达到2m以内的定位精度。

但是该系统的设计还有不足的地方，比如在网络协议上面，如果增加自组织和动态拓扑，信标节点将可以自行组建网络，目标节点也可以在网络中动态的加入或跳出，这样在定位网络的构建上将是比较完整的动态自组织系统，关于这方面的技术突破尚在研究当中；

值得一提的是课题中实现的语音通信是半双工的，要做大全双工的语音通信并不困难，关键在于对信道的合理分配和使用。

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