基于ZigBee的无线语音传输系统的设计.doc
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1、基于ZigBee无线语音传播系统设计摘要:ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本无线网络技术。其重要特性涉及:具备多跳传送(multi-hop relay)机制、网络扩展性能好、布设容易以及具备自组织与自修复能力。在无线传感网络应用中,声音也是一种传感量,传播采样声音数据正是声音传感应用基本规定,因此本论文针对IEEE802.15.4/ZigBee应用环境,提出实现语音通信研究课题。本课题设计了基于CC2430芯片Zigbee硬件模块,通过理解,在空旷环境下视距传播距离大概30米;在此基本上设计了基于IEEE802.15.4语音通信系统方案,开发了硬件实验平台,用以研究
2、短距离无线语音通信技术。语音通信方案充分运用CC2430 SoC性能特点,使用芯片内部ADC和APR9600完毕语音采样及回放,无需外部语音编解码器件且使用外围器件很少。系统可以较好地实现实时语音无线传播,发射功率不大于0 dBm,语音延时不大于25ms,传播距离达到15米,音质MOS测试分达到3分以上。该方案硬件简朴,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应用范畴。核心词:IEEE802.15.4; ZigBee; CC2430; APR9600; 无线语音通信Based on ZigBee wireless voice
3、transmission system designAbstract:ZigBee technology is a kind of short,low complexity,low power consumption,low rate,low cost wireless network technology. Its main features include:with multiple hops transmission (multi - hop relay) mechanism,extend the network performance is good,layout easily and
4、 has since organization and the self-repairing ability. In wireless sensor network applications,the audio is also a kind of sensor volume,transmission sampling voice data is the basic requirement of voice sensing,so this paper the application of IEEE802.15.4 / ZigBee proposed realize voice communica
5、tion environment,the research subject.This topic was designed based on the CC2430 chip Zigbee hardware modules,after understanding in open environment,the transmission distance stadia about 30 meters;On the basis of IEEE802.15.4 designed on the basis of voice communication system solutions,developed
6、 hardware test platform to study the sprint wireless voice communications technology. Voice communications plan make full use of CC2430 SoC performance characteristics,use chip APR9600 completed internal ADC and speech sampling and playback,without external voice codec pieces and use of peripheral d
7、evices seldom. System can well realize real-time speech wireless transmission,transmission power,less than 0 dBm 25ms speech delay,the transmission distance to less than 15 meters,timbre MOS test points to three points. The scheme hardware simple and low cost,low power consumption,and can be used to
8、 mine production,wireless sensor network,fire control,safety monitoring field,expand the scope of IEEE802.15.4 application.Keywords:IEEE802.15.4, ZigBee, CC2430, APR9600, wireless voice communication目录第一章 绪论11.1 选题背景11.2 国内外研究现状21.2.1 无线传感网络国内外应用现状21.2 .2 Zigbee技术国内外发呈现状31.3 生产需求状况31.4 研究目和意义41.5 本论
9、文研究内容5第二章 Zigbee合同栈构造和原理62.1 Zigbee合同栈概述62.2 ZigBee网络体系72.2.1 两种功能类型设备72.2.2 三种节点类型82.2.3 三种网络拓扑构造82.2.4 两种工作模式92.3 IEEE 802.15.4通信层92.3.1 载波信道和频率描述102.3.2 物理层(PHY)数据包格式102.4 介质接入控制子层MAC112.4.1 MPDU 数据单元解决112.4.2 MAC层数据传播122.5 Zigbee网络层152.5.2 组网管理172.5.3 Zigbee路由算法18第三章 CC2430模块硬件设计243.1 Zigbee芯片描述
10、243.2 CC2430 无线单片机简介253.2.1 CC2430芯片重要特点253.2.2 CC2430芯片引脚功能283.2.3 CC2430 芯片典型电路应用293.3 CC2430模块硬件设计与实现303.3.1 CC2430 模块电路图303.3.2 硬件方面设计303.4 软件设计343.4.1 IAR开发环境简介343.4.2 ADC参数配备353.4.3 使用TI-MAC合同栈进行语音传播36总结39道谢40重要参照文献41第一章 绪论1.1 选题背景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、低功耗社区域无线通信方式,在此基本上通过软件合同
11、栈发展出易布建大容量、不依赖既有通信网络和既有电力网络无线网络。Zigbee在工业控制、家庭智能化、无线传感器网络等领域有广泛应用前景。数据传播速率低。只有10kbs250kb/s,专注于低传播应用。在休眠状态下耗电量仅仅只有1W,通信距离短状况下工作状态耗电为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节点对功耗需求极其苛刻,传感器节点需要在危险(例如战场、核辐射)区域持续工作数年而不更换供电单元。由于ZigBee数据传播速率低,合同简朴,因此大大减少了成本,这也正是蓝牙系统所不具备。无线传感器网络中可以具备成千上万节点,如果不能严格地控制节点成本,那么网络规模必
12、将受到严重制约,从而将严重地制约WSN强大功能。 每个ZigBee网络最多可支持65000个节点。由于WSN能力很大限度上取决于节点多少,也就是说可容纳传感器节点越多,WSN功能越强大。因此ZigBee网络容量大特点非常符合WSN需要。有效覆盖范畴在1075m之间,但是可以扩展到数百米,详细根据实际发射功率大小和各种不同应用模式而定,基本上可以覆盖普通家庭或办公室环境。减少WSN节点能量消耗和平衡所有节点能量,有必要缩小节点RF模块覆盖范畴。使用频段分别为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国),均为免执照频段,具备16个扩频通信信道。相应,WSN采用2.4GHZ工作频段特性将
13、会更有助于WSN发展。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能,硬件自身支持CRC和AES128。这一安全特性能较好地适应军事需要无线传感器网络。总结Zigbee有如下长处:低功耗:由于ZigBee传播速率低,发射功率仅为1mW,并且采用了休眠模式,功耗低,因而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年左右使用时间,这是其他无线设备望尘莫及。 成本低:ZigBee模块初始成本在6美元左右,预计不久就能降到1.52.5美元,并且ZigBee合同是免专利费。低成本对于ZigBee也是一种核心因素。 时延短:通信时延和从休眠状态激活时延都非常短,典
14、型搜索设备时延30ms,休眠激活时延是15ms,活动设备信道接入时延为15ms。因而ZigBee技术合用于对时延规定苛刻无线控制(如工业控制场合等)应用。网络容量大:一种星型构造Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一种主设备,一种区域内可以同步存在最多100个ZigBee网络,并且网络构成灵活。可靠:采用了碰撞避免方略,同步为需要固定带宽通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据竞争和冲突。MAC层采用了完全确认数据传播模式,每个发送数据包都必要等待接受方确认信息。如果传播过程中浮现问题可以进行重发。 安全:ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,
15、采用了AES-128加密算法,各个应用可以灵活拟定其安全属性。ZigBee重要应用在距离短、功耗低且传播速率规定不高各种电子设备之间,典型传播数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反映时间数据。因而它应用目的重要是: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)、消费类电子设备遥控装置、PC外设无线连接等领域。1.2 国内外研究现状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无线传感网络项目有遥控战场传感器系统(Remote Battlefield Sensor System)、网络中心战(NCW)及机灵传
16、感器网络(SSW)、智能尘(smartdust)、Intel mote、Smart-Its项目、Sensor IT、行为习性监控(Habitat Monitoring)项目。Sensor IT项目摸索了如何将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:美日等国家运用该技术对各种领域进行了应用2:英特尔与加利福尼亚州大学伯克利分校合伙针对微尘技术进行研究,并于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11月24日宣布开发出了全球体积最小传感器网络终端,作为安装电池有源无线终端,可以搭载温度、亮度、红外线、加速度等各种传感器。设想应用
17、于大楼与家庭无线传感器以及安全管理方面。三菱电机9月29日宣布成功试制出了支持近距离无线通讯技术ZigBee无线传感器。在旧金山,科学家将200各种Mica2节点布置在金门大桥构成WSN,用以监测大桥从一端到另一端摆动幅度,从而及时发现大桥隐患。国内现状:国内无线传感网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动。中华人民共和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获得很大进展。1.2 .2 Zigbee技术国内外发呈现状 底由ZigBee联盟发布了1.0版本规范ZigBee合同
18、,11月发布了1.1版本规范。世界上有八家支持ZigBee联盟创始者公司,即Chipcon、Ember、Freeseale、Honeywell、Mitsubishi、Motorola、PhiliPs、Samsung。ZigBee联盟公司涉及有IC供应商、无线IP提供商、OEM厂商、测试设备制造商、最后产品制造商等,提供ZigBee合用产品和方案。到4月,已有Chipcon、Freescale、CompXs、Ember四家公司通过了ZigBee联盟对其产品所作测试和兼容性验证。飞思卡尔推出全球首个符合ZigBee原则平台,制造商当前可以将ZigBee技术用于传感和监控应用。中华人民共和国市场,华
19、为、海尔等中华人民共和国OEM公司也加入了ZigBee联盟,许多院所展开了对ZigBee研究。ZigBee在中华人民共和国应用也更加广泛。例如以海尔U-HomeWireless Network为代表,涉及通过Internet、电话、手机或进行家庭监控、无线网关控制等。同步许多公司也在进行ZigBee有关产品开发工作,有代表性公司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技术发展,Chipcon与Ember、Freescale、Honeywell、Mistubishi、Motorola、Philips和Samsung等公司共同成立了Zi
20、gBee Alliance,当前该联盟已经包括130多家会员。该联盟主席Robert F.Haile曾于11月亲自拜访中华人民共和国,以免专利费方式吸引中华人民共和国本地公司加入。这一预言正在从ZigBee联盟及其成员近期一系列活动和进展中得到验证。在原则林立短距离无线通信领域,ZigBee迅速发展可以说是有些令人始料不及,从底原则确立,究竟有关芯片及终端设备总共卖出1500亿美元,应当说比被业界“炒”了近年蓝牙、Wi-Fi进展都要快。ZigBee技术在ZigBee联盟和IEEE802.15.4推动下,结合其她无线技术,可以实现无所不在网络。它不但在工业、农业、军事、环境、医疗等老式领域有具备
21、巨大运用价值,在将来其应用可以涉及到人类寻常生活和社会生产活动所有领域。随着21世纪社会经济和当代科技迅速发展,人们对可以随时随处提供信息服务无线通信需求越来越迫切。 短距离无线通信技术作为成为无线通信技术领域一种重要分支,在诸多无线数据传播中应用已经越来越广泛。Zigbee浮现,弥补了短距离数据通讯低成本解决方案空白,促成了它应用辽阔前景.据调查,时,zigbee芯片销量只达到约1000万元美元,而就已经达到约6000万美元,预测可达到3万美元,复合增长63%。通过这些数据,咱们可以看出zigbee需求量是比较庞大。 1.4 研究目和意义ZigBee技术作为一种短距离、低复杂度、低功耗、低速
22、率、低成本无线网络技术,它根据IEEE 802.15.4原则,在数千个微小传感器之间通过互相协调来实现通信,其重要特性涉及:具备多跳传送(multi-hop relay)机制、网络扩展性能好、布设容易以及具备自组织与自修复能力。由于ZigBee技术具备功耗低、成本低、网络容量大、时延短、安全可靠、工作频段灵活等许多长处,诸多研究机构将其作为无线传感器网络通讯原则。老式上ZigBee重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,其传播数据为非实时数据。无线语音通信则属于即时数据传播,虽然实现无线语音通信不是ZigBee原则最初目的,
23、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、消防急救),ZigBee具备其她通信技术难以代替优势,如能运用ZigBee网络进行双向语音传播则具备非常大实用价值;同步,在无线传感网络应用中,声音也是一种传感量,传播采样声音数据正是声音传感应用基本规定。因此本论文针对IEEE802.15.4/ZigBee应用环境,提出实现语音通信研究课题。1.5 本论文研究内容重要研究内容涉及如下几点:依照IEEE802.15.4原则及ZigBee,开发低成本ZigBee无线模块为了实现语音正常传播,咱们通过芯片APR9600进行接受和解决研
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