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基于嵌入式ARM處理器的多媒體IP網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音控制系統(tǒng)

一、 項(xiàng)目概要
　  本項(xiàng)目“基于嵌入式ARM處理器的多媒體IP網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音控制系統(tǒng)”利用自主研發(fā)的網(wǎng)絡(luò)音頻編解碼、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程存儲(chǔ)、無(wú)服務(wù)器自動(dòng)運(yùn)行等技術(shù)將音頻信號(hào)以標(biāo)準(zhǔn)IP包形式在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)上進(jìn)行傳送，是一套純數(shù)字傳輸?shù)碾p向音頻擴(kuò)聲系統(tǒng)，徹底解決了傳統(tǒng)廣播系統(tǒng)存在音質(zhì)不佳，維護(hù)管理復(fù)雜，缺乏互動(dòng)性等問(wèn)題。TOG 網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音控制系統(tǒng)是基于互聯(lián)網(wǎng)和局域網(wǎng)的純數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)音頻廣播系統(tǒng)，區(qū)別于傳統(tǒng)的模擬音頻、調(diào)頻、尋址和數(shù)控廣播的廣播系統(tǒng)。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)音頻系統(tǒng)容易受到電壓、功率、阻抗等因素影響，具有傳輸距離長(zhǎng)，頻率高，不易受到干擾，系統(tǒng)擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。能夠完全取代基于模擬或數(shù)字的傳統(tǒng)智能廣播系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)的IP 音頻廣播功能，支持廣播、直播、點(diǎn)播等方式，部分產(chǎn)品支持全雙工雙向?qū)χv、終端演講等功能，并且支持大范圍的普及應(yīng)用。真正實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字視頻監(jiān)控、公共廣播的多網(wǎng)合一。
　  二、 前言、實(shí)施背景
　  上海童格電子科技有限公司是美國(guó)童格（香港）國(guó)際有限公司在中國(guó)大陸投資成立的高新技術(shù)企業(yè)，公司坐落于中國(guó)大陸的經(jīng)濟(jì)、金融、貿(mào)易中心上海，總部位于科研人才云集的國(guó)家級(jí)軟件產(chǎn)業(yè)基地復(fù)旦軟件園，公司是復(fù)旦軟件園企業(yè)聯(lián)盟副理事長(zhǎng)單位。公司是一家集產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售、服務(wù)于一體的專(zhuān)業(yè)會(huì)議、中央控制及音視頻處理制造商。 
　  上海童格電子科技有限公司自成立以來(lái)，公司在研發(fā)模擬、智能、數(shù)字音頻系統(tǒng)上一直處于行業(yè)領(lǐng)先水平，平均每年都有新的科研產(chǎn)品推出，為業(yè)界的各大廠(chǎng)家們解決產(chǎn)品技術(shù)上的難題，更為工程公司在施工上解決了后顧之憂(yōu)。
　  隨著當(dāng)今時(shí)代的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，數(shù)字化時(shí)代已對(duì)人類(lèi)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的變化，我們親身經(jīng)歷了數(shù)字技術(shù)的蓬勃發(fā)展，目睹了它以驚人的速度，滲透到社會(huì)與生活的方方面面。據(jù)《商務(wù)信息網(wǎng)》報(bào)道，數(shù)字化技術(shù)已全面的進(jìn)入到廣播影視領(lǐng)域，正對(duì)我們的行業(yè)帶來(lái)實(shí)質(zhì)性的變革，清楚地把握數(shù)字音頻技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向，對(duì)正確推進(jìn)廣播影視領(lǐng)域的數(shù)字化進(jìn)程將有極其重要的意義。
　  網(wǎng)絡(luò)廣播 （Broadcast on Network） 
　  網(wǎng)絡(luò)廣播是指一個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向相同域中的其它所有節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)包的WBR過(guò)程。組播是一種特殊的廣播，WBR其中一組請(qǐng)求收聽(tīng)的選定用戶(hù)將收到廣播。廣播傳輸通常在局域網(wǎng)（WBR如以太網(wǎng)）中進(jìn)行，但有時(shí)也發(fā)生在虛擬局域網(wǎng)（VLAN）中。WBRIPv6 支持單播（Unicast）、組播（Multicast）WBR以及任意播（Anycast）三種類(lèi)型，IPv6 中沒(méi)有關(guān)于廣播（Broadcast）的具體劃分，WBR而是作為組播的一個(gè)典型。 
　  網(wǎng)絡(luò)廣播中涉及以下主要技術(shù)原理： 
　  廣播域（Broadcast Domain）：這是一個(gè)限定區(qū)域，WBR其中的所有設(shè)備都可以共享信息。換句話(huà)說(shuō)，與網(wǎng)絡(luò)相連，WBR且負(fù)責(zé)接收廣播的所有設(shè)備都是同一廣播域的一部分。WBR在一個(gè)共享以太網(wǎng)中，WBR工作站通過(guò)共享媒體將幀廣播到其它所有節(jié)點(diǎn)。其它節(jié)點(diǎn)收聽(tīng)廣播，WBR只接收尋址到它們的幀。因此，WBR共享以太網(wǎng)中的所有節(jié)點(diǎn)都屬于同一廣播域。WBR此外通過(guò)虛擬局域網(wǎng)技術(shù)可以創(chuàng)建一個(gè)虛擬廣播域。 
　  廣播地址（Broadcast Address）：這是一個(gè)特殊地址，WBR當(dāng)數(shù)據(jù)包可以尋址到該地址時(shí)，可以幫助所有設(shè)備打開(kāi)和處理信息。WBR例如，MAC 地址，格式為 1xFFFFFFFF 是一種廣播地址；IP 地址255.255.255.255是通用廣播地址。WBR任何設(shè)備都將打開(kāi)尋址到廣播地址的信息，WBR并將它們傳送到下一個(gè)工作站。 
　  廣播風(fēng)暴（Broadcast Storm）：WBR當(dāng)主機(jī)系統(tǒng)響應(yīng)一個(gè)在網(wǎng)上不斷循環(huán)的廣播數(shù)據(jù)包或者試圖響應(yīng)一個(gè)WBR沒(méi)有應(yīng)答的系統(tǒng)時(shí)就會(huì)發(fā)生廣播風(fēng)暴。隨著網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包數(shù)量的增加，WBR廣播風(fēng)暴可能會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)擁塞問(wèn)題。為防止廣播風(fēng)暴的發(fā)生，WBR需要細(xì)心配置網(wǎng)絡(luò)以阻止非法廣播信息的進(jìn)入。 
　  生成廣播信息的應(yīng)用程序包括地址解析協(xié)議（ARP）。WBR通過(guò)該協(xié)議，WBR主機(jī)發(fā)送一個(gè)地址解析查詢(xún)到局域網(wǎng)中的所有計(jì)算機(jī)上，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò) IP 地址的分配。有些路由選擇協(xié)議，如RIP，WBR主要用于支持網(wǎng)絡(luò)設(shè)備“Advertise”網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。WBR此外還存在很多相關(guān)技術(shù)，如組播技術(shù)（一種特殊廣播形式），WBR這部分內(nèi)容細(xì)節(jié)請(qǐng)查看組播技術(shù)部分。
　  根據(jù)市場(chǎng)前景跟產(chǎn)業(yè)狀況，童格電子公司高層做出戰(zhàn)略性決定，在基于嵌入式ARM處理器的基礎(chǔ)上研發(fā)多媒體IP網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音控制系統(tǒng)，采用先進(jìn)的音頻采編技術(shù)，占用帶寬極小，用于全雙工對(duì)講及實(shí)時(shí)語(yǔ)音的只128KBS。完成網(wǎng)絡(luò)音頻適配器管理、權(quán)限管理、課件管理、定時(shí)打鈴、文件播放、資源庫(kù)管理等功能，為分控端、中繼服務(wù)器提供數(shù)據(jù)接口服務(wù)，為各語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)音頻適配器提供定時(shí)播放和實(shí)時(shí)點(diǎn)播媒體服務(wù)，響應(yīng)各播控手機(jī)的播放請(qǐng)求。全數(shù)字化傳輸，以局域網(wǎng)或具有獨(dú)立IP的互聯(lián)網(wǎng)為主要傳輸媒介，支持專(zhuān)用百兆網(wǎng)傳輸，傳輸距離不受限制，可提供多達(dá)幾十套甚至上百套節(jié)目源，并實(shí)現(xiàn)了多網(wǎng)合一。局域網(wǎng)內(nèi)裝有本系統(tǒng)的任意工作站電腦可根據(jù)權(quán)限大小對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行廣播，向本系統(tǒng)添加或刪除節(jié)目。 我們公司用最快的速度研制出IP網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音控制產(chǎn)品，產(chǎn)品的人性化的圖形菜單界面、人性化的操作，輕松簡(jiǎn)便，專(zhuān)一實(shí)用，提高了使用的效率。目前處于市場(chǎng)領(lǐng)先地位。
　  
　  三、 成果內(nèi)涵
　  1、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的技術(shù)路線(xiàn)
　  ⑴關(guān)鍵技術(shù)一： 遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制
　  這套產(chǎn)品其中一個(gè)系列的遠(yuǎn)程終端，我們植入了遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用技術(shù)。比如大型展覽館內(nèi)大量投影儀和PC服務(wù)器的應(yīng)用，現(xiàn)在只是人工開(kāi)關(guān)，工作人員每天都要到每臺(tái)投影儀的位置至少2 次，幾十臺(tái)就要上百次，還不包括誤操作帶來(lái)的麻煩。在引入了遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)后，我們可以通過(guò)新研發(fā)的終端掛在網(wǎng)絡(luò)上，使傳統(tǒng)的投影儀和PC與終端相連。上百臺(tái)的投影儀和PC只需要用軟件就可以進(jìn)行遠(yuǎn)程的開(kāi)啟、視頻切換、PC遠(yuǎn)程喚醒，大大提高了工作效率。
　  ⑵關(guān)鍵技術(shù)二：基于ARM處理器的音頻編解碼技術(shù)
　  當(dāng)前流行的語(yǔ)音編碼技術(shù)做深入了解的基礎(chǔ)上，選擇了基于ARM處理器的嵌入式系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)編碼算法的硬件平臺(tái)，并給出整體軟件設(shè)計(jì)方案，對(duì)編碼技術(shù)的性能特點(diǎn)做了認(rèn)真分析，在做出權(quán)衡之后選定LPC-10編碼器，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)自身固有的特點(diǎn)，以適應(yīng)硬件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)環(huán)境為目的，對(duì)編碼算法提出局部的優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用目標(biāo)，再通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)給出結(jié)果，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。
　  ⑶關(guān)鍵技術(shù)三：物聯(lián)網(wǎng)概念的植入及應(yīng)用
　  該系統(tǒng)中有一個(gè)系列的終端真正做到了把物與網(wǎng)相聯(lián)，植入了物聯(lián)的概念。比如：終端預(yù)留的接口有IR、IO、232串口、電源等接口。在遠(yuǎn)距離的教室，我們可以放一個(gè)終端，通過(guò)紅外控制空調(diào)、DVD，用電源控制燈光、幕布、窗簾，用232控制投影儀、升降機(jī)、電控鎖。真正實(shí)現(xiàn)工程化的物聯(lián)網(wǎng)，便于使用方的日常檢修、維護(hù)工作。也優(yōu)化了傳統(tǒng)的小型子系統(tǒng)。
　  2，產(chǎn)品的創(chuàng)新性
　  （1）技術(shù)創(chuàng)新
　  網(wǎng)絡(luò)音頻編解碼技術(shù)
　  網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音編碼包括波形編碼、參數(shù)編碼和混合編碼。語(yǔ)音信號(hào)的波形編碼力圖使重建的語(yǔ)音波形保持原有語(yǔ)音信號(hào)的波形狀態(tài)，音質(zhì)不錯(cuò)，但是所需要的編碼速率一般是比較高，如PCM\ADPCM。參數(shù)編碼對(duì)信號(hào)的提取和編碼速率比較低，合成的音質(zhì)比較差。混合編碼是采用了合成-分析的方法，在中低編碼速率的情況下可以獲得高質(zhì)量的語(yǔ)音編碼。我們公司研發(fā)的產(chǎn)品就是采用了軟硬件結(jié)合的方法，該語(yǔ)音編解碼的實(shí)現(xiàn)利用了軟件無(wú)線(xiàn)電的思想，將不同的編碼器用DSP軟硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)碼格式進(jìn)行組幀、調(diào)制、然后送入信道傳輸。
　  （2）應(yīng)用創(chuàng)新
　  物聯(lián)網(wǎng)概念的植入
　  該套系統(tǒng)初期的研發(fā)把物聯(lián)網(wǎng)的概念植入其中，通過(guò)遠(yuǎn)程終端實(shí)現(xiàn)對(duì)電器的一些控制。使工業(yè)的產(chǎn)品有了更廣一些的市場(chǎng)前景。我們是通過(guò)DSP芯片處理加上外部接口模塊的有機(jī)結(jié)合，把外圍著產(chǎn)品的一些控制數(shù)據(jù)通過(guò)終端實(shí)時(shí)發(fā)送，以期給使用方帶來(lái)更快捷更方便的服務(wù)。以下是外部接口原理圖。
　  3，產(chǎn)品的性能
　  （1）功能方面
　  純數(shù)字廣播系統(tǒng)，涵蓋了傳統(tǒng)廣播系統(tǒng)的所有功能。并充分利用了廣域網(wǎng)資源，可隨時(shí)隨地獲取網(wǎng)絡(luò)上的音頻資源。由于每個(gè)終端有獨(dú)立的IP地址，因而可以控制任意一個(gè)終端播放不同的節(jié)目。
　  （2）音質(zhì)方面，
　  由于采用了網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，使音頻信號(hào)無(wú)傳輸干擾及失真。采用了MP3壓縮算法占用網(wǎng)絡(luò)帶寬低(8k-128k)又能保證音質(zhì)保真度，經(jīng)測(cè)試采用44.1khz 16bit采樣128kbps速率壓縮 通頻帶(線(xiàn)路輸出) 20-16khz ，失真度 ≤ 3% 。
　  （3）安裝方面
　  施工簡(jiǎn)單便捷，只要各廠(chǎng)房具備以下2個(gè)條件：1）有ADSL撥號(hào)上網(wǎng); （2)有交流220V插座和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)絡(luò)接入RJ45插座。
　  
　  四、 成果效益
　  隨著本解決方案的推出，產(chǎn)品面世的時(shí)間大幅縮短。伴隨網(wǎng)絡(luò)的快速普及，采用基于嵌入式ARM處理器的多媒體IP網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音控制系統(tǒng)將對(duì)整廣播個(gè)行業(yè)有著極大的推動(dòng)作用。這是一套純數(shù)字傳輸?shù)碾p向音頻擴(kuò)聲系統(tǒng)，徹底解決了傳統(tǒng)廣播系統(tǒng)存在的音質(zhì)不佳，維護(hù)管理復(fù)雜，缺乏互動(dòng)性等問(wèn)題。該系統(tǒng)設(shè)備使用簡(jiǎn)單，安裝擴(kuò)展方便，只需將音頻終端接入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)即可構(gòu)成功能強(qiáng)大的數(shù)字化廣播系統(tǒng)，每個(gè)接入點(diǎn)無(wú)需單獨(dú)布線(xiàn)，真正實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字視頻監(jiān)控、公共廣播的多網(wǎng)合一。同時(shí)本解決方案提供更低的功效，節(jié)省人力、物力，安裝方便快捷，可更大程度上解決工程維護(hù)。
　  自2006年起，公共廣播行業(yè)進(jìn)入快速增長(zhǎng)期，即便到了金融危機(jī)時(shí)期，仍然保持了15%以上的增長(zhǎng)勢(shì)頭。由于中國(guó)處于高速發(fā)展階段，公共廣播工程量每年達(dá)300億以上，并且平均每年以30％上升。
　  今年是“十二五”規(guī)劃實(shí)施第一年，新的產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策和扶植措施都陸續(xù)出臺(tái)，各地在未來(lái)五年的規(guī)劃中，都不同程度的提到了建設(shè)數(shù)字化城市、智能化城市的愿景，尤其是智能化建筑、智能化工程是十二五的重點(diǎn)。公共廣播行業(yè)有義務(wù)配合全國(guó)的智能化建設(shè)發(fā)展，貢獻(xiàn)一份力量。在國(guó)家始終強(qiáng)調(diào)建設(shè)“和諧”“文明”城市的大背景下，突發(fā)應(yīng)急公共廣播的發(fā)展商機(jī)無(wú)限，對(duì)公共廣播產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的發(fā)展契機(jī)。
　  
　  五、持續(xù)改進(jìn)
　  該產(chǎn)品于2011年6月獲得計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記書(shū)，2012年7月通過(guò)四川省電子產(chǎn)品監(jiān)督檢驗(yàn)所對(duì)該產(chǎn)品的性能檢測(cè)。并經(jīng)過(guò)中國(guó)科學(xué)院上海科技查新咨詢(xún)中心對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行查新調(diào)查，認(rèn)為該項(xiàng)目具有新穎性和良好的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值，達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平。
　  核心技術(shù)已申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利1項(xiàng)，實(shí)用新型專(zhuān)利1項(xiàng)，計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記1件，還獲得了CE、FCC、CCC等證書(shū)形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
　  該成果會(huì)根據(jù)社會(huì)需求進(jìn)行升級(jí)改造，對(duì)核心技術(shù)會(huì)繼續(xù)申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利、實(shí)用新型和外觀設(shè)計(jì)專(zhuān)利等。