基于ZigBee的无线语音传输系统的设计.docx

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基于ZigBee的无线语音传输系统的设计

基于ZigBee的无线语音传输系统的设计

摘要：

ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的无线网络技术。

其主要特性包括：

具有多跳传送（multi-hoprelay）机制、网络扩展性能好、布设容易以及具有自组织与自修复能力。

在无线传感网络的应用中，声音也是一种传感量，传输采样的声音数据正是声音传感应用的基本要求，所以本论文针对IEEE802.15.4/ZigBee的应用环境，提出实现语音通信的研究课题。

本课题设计了基于CC2430芯片的Zigbee硬件模块，经过了解，在空旷环境下的视距传输距离大约30米；在此基础上设计了基于IEEE802.15.4的语音通信系统方案，开发了硬件试验平台，用以研究短距离的无线语音通信技术。

语音通信方案充分利用CC2430SoC的性能特点，使用芯片内部的ADC和APR9600完成语音采样及回放，无需外部的语音编解码器件且使用的外围器件很少。

系统可以很好地实现实时语音无线传输，发射功率小于0dBm，语音延时小于25ms，传输距离达到15米，音质MOS测试分达到3分以上。

该方案硬件简单，成本低廉，功耗很低，可应用于矿井井下生产、无线传感器网络、消防、安全监控领域，拓展了IEEE802.15.4应用范围。

关键词：

IEEE802.15.4；ZigBee；CC2430；APR9600；无线语音通信

BasedonZigBeewirelessvoicetransmissionsystemdesign

Abstract：

ZigBeetechnologyisakindofshort,lowcomplexity,lowpowerconsumption,lowrate,lowcostwirelessnetworktechnology.Itsmainfeaturesinclude:

withmultiplehopstransmission（multi-hoprelay）mechanism,extendthenetworkperformanceisgood,layouteasilyandhassinceorganizationandtheself-repairingability.Inwirelesssensornetworkapplications,theaudioisalsoakindofsensorvolume,transmissionsamplingvoicedataisthebasicrequirementofvoicesensing,sothispapertheapplicationofIEEE802.15.4/ZigBeeproposedrealizevoicecommunicationenvironment,theresearchsubject.

ThistopicwasdesignedbasedontheCC2430chipZigbeehardwaremodules,afterunderstandinginopenenvironment,thetransmissiondistancestadiaabout30meters;OnthebasisofIEEE802.15.4designedonthebasisofvoicecommunicationsystemsolutions,developedhardwaretestplatformtostudythesprintwirelessvoicecommunicationstechnology.VoicecommunicationsplanmakefulluseofCC2430SoCperformancecharacteristics,usechipAPR9600completedinternalADCandspeechsamplingandplayback,withoutexternalvoicecodecpiecesanduseofperipheraldevicesseldom.Systemcanwellrealizereal-timespeechwirelesstransmission,transmissionpower,lessthan0dBm25msspeechdelay,thetransmissiondistancetolessthan15meters,timbreMOStestpointstothreepoints.Theschemehardwaresimpleandlowcost,lowpowerconsumption,andcanbeusedtomineproduction,wirelesssensornetwork,firecontrol,safetymonitoringfield,expandthescopeofIEEE802.15.4application.

Keywords:

IEEE802.15.4，ZigBee,CC2430,APR9600,wirelessvoicecommunication

第一章绪论

1.1选题的背景

Zigbee是一种短距离、低速率无线网络通信技术，其开发是为了建立一种低成本、低功耗的小区域的无线通信方式，在此基础上通过软件协议栈发展出易布建的大容量、不依赖现有通信网络和现有电力网络的无线网络。

Zigbee在工业控制、家庭智能化、无线传感器网络等领域有广泛的应用前景。

数据传输速率低。

只有10kb／s～250kb/s，专注于低传输应用。

在休眠状态下耗电量仅仅只有1μW，通信距离短的情况下工作状态的耗电为30mW，在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月以上。

WSN的节点对功耗的需求极其苛刻，传感器节点需要在危险（比如战场、核辐射）的区域持续工作数年而不更换供电单元。

因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本，这也正是蓝牙系统所不具备的。

无线传感器网络中可以具有成千上万的节点，如果不能严格地控制节点的成本，那么网络的规模必将受到严重的制约，从而将严重地制约WSN的强大功能。

每个ZigBee网络最多可支持65000个节点。

由于WSN的能力很大程度上取决于节点的多少，也就是说可容纳的传感器节点越多，WSN的功能越强大。

所以ZigBee的网络容量大的特点非常符合WSN的需要。

有效覆盖范围在10～75m之间，但是可以扩展到数百米，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。

降低WSN节点的能量消耗和平衡所有节点的能量，有必要缩小节点RF模块的覆盖范围。

使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为免执照频段，具有16个扩频通信信道。

相应的，WSN采取2.4GHZ工作频段的特性将会更有利于WSN的发展。

ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，硬件本身支持CRC和AES－128。

这一安全特性能很好地适应军事需要的无线传感器网络。

总结Zigbee有以下优点：

低功耗:

由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee设备非常省电。

据估算,ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。

成本低:

ZigBee模块的初始成本在6美元左右,估计很快就能降到1.5—2.5美元,并且ZigBee协议是免专利费的。

低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。

时延短:

通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms,活动设备信道接入的时延为15ms。

因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。

网络容量大:

一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备,一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络,而且网络组成灵活。

可靠:

采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。

MAC层采用了完全确认的数据传输模式,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

如果传输过程中出现问题可以进行重发。

安全:

ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。

ZigBee主要应用在距离短、功耗低且传输速率要求不高的各种电子设备之间，典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。

因而它的应用目标主要是：

工业控制（如自动控制设备、无线传感器网络）、医护（如监视和传感）、家庭智能控制（如照明、水电气计量及报警）、消费类电子设备的遥控装置、PC外设的无线连接等领域。

1.2国内外的研究现状

1.2.1无线传感网络国内外应用现状

军用领域：

国际上比较有代表性和影响力的无线传感网络项目有遥控战场传感器系统（RemoteBattlefieldSensorSystem）、网络中心战（NCW）及灵巧传感器网络（SSW）、智能尘（smartdust）、Intelmote、Smart-Its项目、SensorIT、行为习性监控（HabitatMonitoring）项目。

SensorIT项目探索了如何将WSN技术应用于军事领域，实现所谓“超视距”战场监测。

民用领域：

美日等国家利用该技术对多种领域进行了应用[2]：

英特尔与加利福尼亚州大学伯克利分校合作针对微尘技术进行研究，并于2002年将传感器网络技术应用到大鸭岛海燕生活习性监测项目。

日立制作所与YRP泛在网络化研究所于2004年11月24日宣布开发出了全球体积最小的传感器网络终端，作为安装电池的有源无线终端，可以搭载温度、亮度、红外线、加速度等各种传感器。

设想应用于大楼与家庭的无线传感器以及安全管理方面。

三菱电机2004年9月29日宣布成功试制出了支持近距离无线通讯技术ZigBee的无线传感器。

在旧金山，科学家将200多个Mica2节点部署在金门大桥组成WSN，用以监测大桥从一端到另一端的摆动幅度，从而及时发现大桥隐患。

国内现状：

我国无线传感网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动。

2001年中国科学院上海微系统联合声学所、微电子所、半导体所等十余个校所，初步建立传感网络系统研究平台，在无线智能传感网络通讯技术、微型传感器、传感器节点、簇点和应用系统等方面取得很大的进展。

1.2.2Zigbee技术国内外发展现状

2004年底由ZigBee联盟发布了1.0版本规范的ZigBee协议，2006年11月发布了1.1版本规范。

世界上有八家支持ZigBee联盟的创始者企业，即Chipcon、Ember、Freeseale、Honeywell、Mitsubishi、Motorola、PhiliPs、Samsung。

ZigBee联盟企业包括有IC供应商、无线IP提供商、OEM厂商、测试设备制造商、最终产品制造商等，提供ZigBee适用的产品和方案。

到2005年4月，已有Chipcon、Freescale、CompXs、Ember四家公司通过了ZigBee联盟对其产品所作的测试和兼容性验证。

飞思卡尔推出全球首个符合ZigBee标准的平台，制造商现在能够将ZigBee技术用于传感和监控应用。

中国市场，华为、海尔等中国OEM公司也加入了ZigBee联盟，许多院所展开了对ZigBee的研究。

ZigBee在中国的应用也愈加广泛。

例如以海尔的U-HomeWirelessNetwork为代表，包括通过Internet、电话、手机或进行家庭监控、无线网关控制等。

同时许多企业也在进行ZigBee相关产品的开发工作，有代表性的企业有上海顺舟网络科技有限公司[3]、成都无线龙通讯科技有限公司等[4]。

1.3生产需求状况

为了推动ZigBee技术的发展，Chipcon与Ember、Freescale、Honeywell、Mistubishi、Motorola、Philips和Samsung等公司共同成立了ZigBeeAlliance，目前该联盟已经包含130多家会员。

该联盟主席RobertF.Haile曾于2004年11月亲自造访中国，以免专利费的方式吸引中国本地企业加入。

这一预言正在从ZigBee联盟及其成员近期的一系列活动和进展中得到验证。

在标准林立的短距离无线通信领域，ZigBee的快速发展可以说是有些令人始料不及的，从2004年底标准确立，到2005年底相关芯片及终端设备总共卖出1500亿美元，应该说比被业界“炒”了多年的蓝牙、Wi-Fi进展都要快。

ZigBee技术在ZigBee联盟和IEEE802.15.4的推动下，结合其他无线技术，可以实现无所不在的网络。

它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。

随着二十一世纪社会经济和现代科技的迅速发展,人们对能够随时随地提供信息服务的无线通信的需求越来越迫切。

短距离无线通信技术作为成为无线通信技术领域的一个重要分支,在诸多无线数据传输中的应用已经越来越广泛。

Zigbee的出现,填补了短距离数据通讯的低成本解决方案空白,促成了它应用的广阔前景.据调查，2005年时，zigbee芯片销量只达到约1000万元美元，而08年就已经达到约6000万美元，预计2012年可达到32000万美元，复合增长63%。

通过这些数据，我们可以看出zigbee的需求量是比较庞大的。

1.4研究目的和意义

ZigBee技术作为一种短距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的无线网络技术，它依据IEEE802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间通过相互协调来实现通信，其主要特性包括：

具有多跳传送（multi-hoprelay）机制、网络扩展性能好、布设容易以及具有自组织与自修复能力。

由于ZigBee技术具有功耗低、成本低、网络容量大、时延短、安全可靠、工作频段灵活等许多优点，很多研究机构将其作为无线传感器网络的通讯标准。

传统上ZigBee主要应用于家庭自动化、工业自动化、库存管理、产品质量控制、灾害地区监测、生物监测和监督、定位及消防安全等领域，其传输的数据为非实时数据。

无线语音通信则属于即时数据传输，虽然实现无线语音通信不是ZigBee标准最初的目标，但在许多领域中如果没有语音通信功能，将使其应用受到很大的局限；另一方面，在有紧急需求和布置不易环境下（如矿井井下救援、消防抢救），ZigBee具有其他通信技术难以替代的优势，如能利用ZigBee网络进行双向语音传输则具有非常大的实用价值；同时，在无线传感网络的应用中，声音也是一种传感量，传输采样的声音数据正是声音传感应用的基本要求。

所以本论文针对IEEE802.15.4/ZigBee的应用环境，提出实现语音通信的研究课题。

1.5本论文的研究内容

主要研究内容包括以下几点：

①根据IEEE802.15.4标准及ZigBee，开发低成本的ZigBee无线模块

②为了实现语音的正常传输，我们通过芯片APR9600进行接受和处理

③研究基于ZigBee的无线语音传输系统的设计

第二章Zigbee协议栈结构和原理

2.1Zigbee协议栈概述

Zigbee协议栈由一组子层构成。

每层为其上层提供一组特定的服务：

一个数据实体提供数据传输服务，一个管理实体提供全部其他服务。

每个服务实体通过一个服务接入点（SAP）为其上层提供服务接口，并且每个SAP提供了一系列的基本服务指令来完成相应的功能。

Zigbee协议栈的体系结构如图2.1所示，它虽然是基于标准的7层开放系统互联（OSI）模型，但仅对那些涉及Zigbee的层予以定义。

IEEE802.15.4—2003标准定义了最下面的两层：

物理层（PHY）和介质接入控制层（MAC）。

Zigbee联盟提供了网络层和应用层（APL）框架的设计。

其中，应用层的框架包括了应用支持层（APS）、Zigbee设备对象（ZDO）及由制造商制定的应用对象。

图2-1Zigbee协议栈的体系结构

相比于常见的无线通信标准，Zigbee协议套件经凑而简单，具体实现的要求很低。

Zigbee联盟希望建立一种可以连接每个电子设备的无线网，它预言Zigbee将很快成为全球高端的无线技术，2007年Zigbee节点达到30亿个。

具有十几亿节点的网络将很快耗尽已不够用的IPv4地址空间，因此IPv6与IEEE802.15.4结合是传感器网络的发展趋势。

IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。

在IEEE502.15.4中总共分配了27个具有3种速率的信道；2.4GHz频段有16个速率为250Kb/s的信道；915MHz频道有10个40Kb/s的信道；868MHz频段有1个20Kb/s的信道。

这些信道的中心频段按如下定义[6]（k为信道数）：

FC=868.3MHz（k=0）

FC=906MHz+2（k-1）MHz（k=1，2······，10）

FC=2405MHz+5（k-11）MHz（k=11,12·····，26）

IEEE802.15.4有下列特征：

1.只支持星形和点对点的拓扑结构；2.在网络中存在两种地址：

16位网络地址，由协调器在网络建立是分配，64位IEEE地址；3.实现四中不同的传输速率（20、40、100、2500Kbps）；4.支持应答机制；5.信道能量检测和链路质量指示；6.工作于ISM频段，在868MHz频段上有1个信道，915MHz上有10个信道，在2450MHz上有16个信道；7.低功耗节能。

一个IEEE802.15.4可以根据ISM频段、可用性、拥挤状况和数据速率在27个信道中选择1个工作信道。

从能量和成本效率来看，不同的数据速率能为不同的应用提供较好的选择。

来自IEEE502.15.4物理层协议数据单元的二进制数据被依次组成4位二进制数据符号。

每种数据符号被映射成32位伪噪声码片，以便传输。

然后，这个连续的伪噪声CHIP序列被调制到载波上，即采用半正弦脉冲波形的偏移正交相移键控调制方式。

IEEE802.15.4MAC层提供两种服务：

MAC层数据服务和MAC层管理服务。

管理服务通过MAC层管理实体服务接入点访问高层，MAC层数据服务使MAC层协议数据单元的收发可以通过物理层数据服务。

IEEE802.15.4MAC层的特征有信标管理、信标接入机制、保证时隙管理、帧确认、确认帧传输以及节点接入与分离。

ZigBee的网络层主要用于ZigBee网络的组网接入、数据管理以及网络安全等。

而应用层主要为ZigBee技术的实际应用提供一些应用框架模型等，以便于对ZigBee技术的开发应用。

2.2ZigBee网络体系

Zigbee网络中存在两种功能类型设备，三种节点类型，三种拓扑结构及两种工作模式。

2.2.1两种功能类型设备

ZigBee网络含全功能设备FFD（Fullfunctiondevice）和精简功能设备RFD（Reducedfunctiondevice）两种功能类型的设备。

全功能设备（FFD）支持标准定义的所有功能和特性；而精简功能设备（RFD）功能简洁，存储器容量要求最少。

2.2.2三种节点类型

ZigBee网络含三种类型的节点，即协调器ZC（ZigBeeCoordinator）、路由器ZR（ZigBeeRouter）和终端设备ZE（ZigBeeEndDevice），其中协调器和路由器均为全功能设备（FFD），而终端设备选用精简功能设备（RFD）。

协调器：

一个ZigBee网络PAN（PersonalAreaNetwork）有且仅有一个协调器，该设备负责启动网络，配置网络成员地址，维护网络，维护节点的绑定关等，需要最多的存储空间和计算能力。

路由器：

主要实现扩展网络及路由消息的功能，扩展网络，即作为网络中的父节点，允许更多的设备接入网络，路由节点只有在树状网络和网状网络中存在。

终端设备：

只能选择加入他人已经形成的网络，可以收发信息，但不能转发信息，不具备路由功能。

2.2.3三种网络拓扑结构

ZigBee网络支持星状、树状和网状三种网络拓扑结构，如图5所示，从左到右依次是星状网络，树状网络和网状网络。

星状网络由一个PAN协调器和多个终端设备组成，只存在PAN协调器与终端的通讯，终端设备间的通讯都需通过PAN协调器的转发。

树状网络由一个协调器和一个或多个星状结构连接而成，设备除了能与自己的父节点或子节点进行点对点直接通讯外，其他只能通过树状路由完成消息传输。

网状网络是树状网络基础上实现的，与树状网络不同的是，它允许网络中所有具有路由功能的节点直接互连，由路由器中的路由表实现消息的网状路由。

该拓扑的优点是减少了消息延时，增强了可靠性，缺点是需要更多的存储空间开销。

图2-2ZigBee网络中的三种网络拓扑结构

2.2.4两种工作模式

网络的工作模式可以分为信标（Beaeon）和非信标（Non-beaeon）两种模式,信标模式实现了网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度的功耗节省，而非信标模式则只允许ZE进行周期性休眠，ZC和所有ZR设备必须长期处于工作状态。

信标模式下，ZC负责以一定的间隔时间（一般在15ms-4mins之间）向网络广播信标帧，两个信标帧发送间隔之间有16个相同的时槽，这些时槽分为网络休眠区和网络活动区两个部分，消息只能在网络活动区的各时槽内发送。

非信标模式下，ZigBee标准采用父节点为ZE子节点缓存数据，ZE主动向其父节点提取数据的机制，实现ZE的周期性（周期可设置）休眠。

网络中所有父节点需为自己的ZE子节点缓存数据帧，所有ZE子节点的大多数时间都处于休眠模式，周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要15ms。

2.3IEEE802.15.4通信层

IEEE802.15.4标准定义了最下面的两层：

物理层（PHY）和介质接入控制子层（MAC）：

物理层（PHY）主要的功能：

信道的选择

信道能量的检测

无线信道的收发数据

空闲信道的评估

接受包链路质量的检测

其中，信道能量的检测主要测量目标信道中接收信号的功率强度，实际上所测得的是有效信号功率和噪声信号功率之和。

链路质量要对信号进行解码，生成的是信噪比指示，提供接收数据帧是的无线信号强度和治疗信息。

空闲信道评估判断的是当前是否处于空闲状态，以此来决定是否发送当前数据帧。

2.3.1载波信道和频率的描述

IEEE802.15.4标准定义Zigbee的PHY层：

表2-1标准定义的PHY层[7]

信道编号

中心频率/MHZ

信道间隔/MZ

频率上限/MZ

频率下限/MZ

传输速率Kb/S

调制方式

k=0

868.3

有且仅有1个信道

868.6

868.0

20

BPSK

k=1……10

903+2（k-1）

2

928.0

902.0

40

BPSK

k=11……26

2401+5（k-11）

5

2483.5

2400.