有害動物智能聲防系統(tǒng)中音頻控制子系統(tǒng)的兩種方案

在農(nóng)作物除害方面直接利用有害動物天敵的叫聲或其受到捕捉時發(fā)出的慘叫聲對農(nóng)作物有害動物進行驅(qū)趕（以下簡稱聲防），能避免投放化學藥物對水土環(huán)境造成污染和可能對人畜的誤傷，且相對于超聲波驅(qū)趕、噴水恐嚇等其他驅(qū)趕手段更易于實現(xiàn)，驅(qū)趕效果更好。國內(nèi)現(xiàn)有的商品化聲防裝置普遍存在控制模式簡單、聲防音質(zhì)不好、存儲器容量小、聲防音頻文件不便于升級擴展等缺點。應(yīng)用嵌入式技術(shù)改進和提高聲防裝置多方面性能已成為聲防技術(shù)發(fā)展的趨勢之一。現(xiàn)提出一種農(nóng)業(yè)有害動物智能聲防系統(tǒng)，在其音頻控制子系統(tǒng)的構(gòu)建上采用兩種設(shè)計方案。

嵌入式是一種專用的計算機系統(tǒng)，作為裝置或設(shè)備的一部分。通常，嵌入式系統(tǒng)是一個控制程序存儲在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實上，所有帶有數(shù)字接口的設(shè)備，如手表、微波爐、錄像機、汽車等，都使用嵌入式系統(tǒng)，有些嵌入式系統(tǒng)還包含操作系統(tǒng)，但大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是是由單個程序?qū)崿F(xiàn)整個控制邏輯。嵌入式技術(shù)執(zhí)行專用功能并被內(nèi)部計算機控制的設(shè)備或者系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)不能使用通用型計算機，而且運行的是固化的軟件，用術(shù)語表示就是固件（firmware），終端用戶很難或者不可能改變固件。

1 智能聲防系統(tǒng)原理

如圖1所示，智能聲防系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為3層，底層是帶有熱釋電傳感器的探測節(jié)點，負責探測有害動物在農(nóng)田中出沒的位置；中間層為執(zhí)行器節(jié)點，負責存儲、播放聲防音頻文件；上層是總控制器，負責監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行。系統(tǒng)的各層之間以無線方式進行通信?？偪刂破鞫〞r采集環(huán)境信息（如溫度、光照），結(jié)合農(nóng)田地理位置、作物種類等信息，并通過查詢內(nèi)部數(shù)據(jù)庫，以當時最有可能出沒的2種有害動物作為聲防目標，然后定時發(fā)送給執(zhí)行器節(jié)點。執(zhí)行器節(jié)點有觸發(fā)、隨機2種工作模式。觸發(fā)模式下，探測節(jié)點探測到有害動物后，向相距最近的執(zhí)行器節(jié)點發(fā)出命令。執(zhí)行器節(jié)點根據(jù)最近更新的聲防目標播放對應(yīng)的音頻文件。

揚聲器以及供電模塊等組成。除音頻控制子系統(tǒng)外，其他功能模塊均采用成熟產(chǎn)品。

執(zhí)行器節(jié)點的主要功能由音頻控制子系統(tǒng)完成，按實現(xiàn)功能考慮，其應(yīng)包括大容量高保真數(shù)字音頻信號存儲、解碼輸出及多種播放模式選控等。為達到高保真的音質(zhì)要求，聲防音頻信號的采樣率選為44 kHz,采樣位數(shù)確定為16 bit,其存儲格式采用能較好兼顧壓縮比和音質(zhì)的MP3格式；為方便聲防音頻文件的升級，存儲器選用了方便熱插拔的SD卡或U盤。

2 方案1的構(gòu)建及實現(xiàn)

2.1 方案1的硬件構(gòu)成及實現(xiàn)

音頻控制子系統(tǒng)的"單片機+硬件解碼"構(gòu)建與使用單獨的硬件解碼芯片配合其他控制芯片相比，SoC芯片在電路結(jié)構(gòu)和開發(fā)成本上均有較大優(yōu)勢。AT89C51SND1是MP3解碼應(yīng)用中使用最多的SoC芯片之一。它實質(zhì)上是一款集成了DSP硬件解碼器的C51單片機，提供有USB DEVICE、SPI等設(shè)備接口，且有54個I/O口供用戶使用?；贏T89C51SND1構(gòu)成音頻控制子系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)見圖2.

RS-232串口與無線通信模塊相連，采用自定義協(xié)議與其進行通信，以實現(xiàn)執(zhí)行器節(jié)點與探測節(jié)點、總控制器之間的無線通信。因AT89C51SND1沒有集成USB HOST接口，故選擇USB接口芯片CH375讀寫U盤。而實際測試中發(fā)現(xiàn)，CH375不能識別有些廠家生產(chǎn)的U盤。故為確保存儲的可靠性，選用SD卡作存儲介質(zhì)。SD卡的讀寫分為SD和SPI方式，而AT89C51SND1只提供MMC接口，無法兼容SD方式，故采用SPI方式讀寫SD卡。AT89C51SND1上集成了音頻輸出接口，可將解碼后的音頻數(shù)據(jù)以PCM格式或I2S格式輸出到后級的低功耗音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片PCM1770.AT89C51SND1通過USB DEVICE接口作為USB從設(shè)備與計算機相連，用于燒寫應(yīng)用程序。AT89C51SND1還可通過I/O口與點陣式LCD相連，以輸出相關(guān)信息。

2.2 方案1的軟件設(shè)計

圖3是音頻控制子系統(tǒng)構(gòu)建方案1的軟件流程。上電后，音頻控制子系統(tǒng)先完成各種外圍設(shè)備（包括SD卡、DAC芯片以及LCD等）的檢測和初始化，隨后進入工作循環(huán)。首先對工作模式變量進行判斷，若是觸發(fā)模式，則返回重做判斷；若為隨機模式，則調(diào)用隨機數(shù)生成子程序，隨機生成一個等待時間并延時等待，然后從存儲器中讀取聲防目標變量指定的音頻文件并解碼播放。在整個工作循環(huán)過程中，音頻控制子系統(tǒng)開放串口中斷。當串口接收到來自無線通信模塊的信息時，即產(chǎn)生串口中斷。

S3C2440芯片，并擴展了64 MB FLASH,用于存儲引導(dǎo)程序和操作系統(tǒng)內(nèi)核等，同時，還擴展了64 MB SDRAM作為程序的運行空間。S3C2440基于ARM920T內(nèi)核，工作頻率達400 MHz,集成有SD、USB Host、LCD、音頻、視頻等豐富的外設(shè)接口，并提供有130個I/O口，是一款高性能、低功耗微處理器芯片[3].無線通信模塊通過RS-232串口與微處理器相連。由于S3C2440上的USB HOST接口只支持USB1.1協(xié)議，考慮到兼容性，該方案中仍選擇SD卡作為存儲器，并以SD方式對其進行讀寫。S3C2440集成有LCD和觸摸屏控制器，可根據(jù)需要選擇相應(yīng)的人機交互設(shè)備，例如點陣式LCD.S3C2440通過I2S音頻接口與具有A/D和D/A功能的低功耗音頻處理芯片UDA1341相連，實現(xiàn)音頻信號的采集和輸出。該系統(tǒng)經(jīng)以太網(wǎng)控制芯片DM9000A接入以太網(wǎng)，用于與微機相連進行開發(fā)調(diào)試。為提高系統(tǒng)硬件的電磁兼容性能及可擴展性，硬件設(shè)計上采用了核心板+擴展板的模塊化結(jié)構(gòu)。

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3.2 方案2的軟件設(shè)計

方案2的軟件結(jié)構(gòu)分為3層，見圖5.軟件開發(fā)平臺采用了嵌入式Linux操作系統(tǒng)。Linux是一種穩(wěn)定、高效、免費的開源操作系統(tǒng)，不僅支持多種體系結(jié)構(gòu)和大量硬件設(shè)備，而且其內(nèi)核可據(jù)實際需求裁剪。

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