无线传感器网络的语音应用研究new

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1、http://www.paper.edu.cn1无线传感器网络的语音应用研究刘翔武汉理工大学信息工程学院，湖北武汉（430070）E-mail：Liuxiang8302@163.com摘要：本文研究如何在无线传感器网络中进行语音通信。研究了语音包的延迟，尤其是使用的MAC层和路由层协议对语音包的延迟造成的影响，同时分析了几种常用的语音编码算法的性能，从中选取了ADPCM算法作为无线传感器网络进行语音通信的语音编码算法。采用NS网络仿真器，对所采用的MAC层和路由层协议的延迟进行仿真，并使用MATLAB对ADPCM语音编码算法的效果进行了仿真。关键词：无线传感器网络，语音，延迟，

2、语音编码算法中图分类号：TP393文献标识码：A1.引言目前，传感器网络研究的一个重要方面是在能力严重受限的微型节点上如何实现简单的环境数据（如温度、湿度、光强）的采集、传输与处理。然而，随着监测环境的日益复杂多变，由这些传统传感器网络所获得的简单数据愈加不能满足人们对环境监测的全面需求，迫切需要将信息量丰富的图像、音频、视频等媒体引入到以传感器网络为基础的环境监测活动中来，实现细粒度、精准信息的环境监测。这就要求传感器网络支持实时语音或者低速率视频流传输，尤其是对于紧急情况处理和入侵监测预警这样的应用，要求相对高的带宽利用率，也对端对端的延迟以及节点间的协作提出了更高的要求。

3、近年来,多媒体传感器网络技术的研究已引起了科研人员的密切关注,一些学者开展了多媒体传感器网络面的探索性研究,在IEEE系列会议(如MASS,ICIP,WirelessCOM等)、ACM多媒体和传感器网络相关会议(ACMMultimedia,ACMMOBICOM,ACMWSNA等)发表了一些重要的研究成果.如文[1]研究无线音频传感器网络的分布式编码，文[2]分别研究了在视频传感器网络中如何进行资源分配，并对其性能进行分析，文[3]研究在灾难条件下利用无线传感器网络进行视频监控。本文主要研究无线传感器网络中进行语音通信，通过对MAC层、路由层协议以及语音编码算法的延迟性能比较，找

4、到适合于实时语音通信的协议和编码算法。2.应用背景语音在无线传感器网络中的典型应用之一是应用于煤矿的实时监控系统中。在煤矿生产中，由于各种原因，经常发生事故，大部分情况下，矿工是被困在离地面数十米深的矿井下，救援人员试图确定他们的位置并与他们取得联系。如果使用有线监控系统，在事故发生的时候，需要较多的设备重新建立与受影响区域的通信，且很可能无法成功。而如果使用无线传感器网络来实时监控矿工的位置，并与他们取得联系就方便得多了。如图1，当发生事故的时候，通过钻孔，放下一个无线传感器节点作为信标节点，利用无线传感器网络的自愈性能，重新建立与剩余网络之间的联系，开始与被困矿工的语音通讯

5、，甚至，被困矿工还可以留下语音邮件类型的消息，将它广播到其余的网络节点。在正常情况下，监控系统的主要任务是追踪矿工工作时所处的位置，并记录环境数据，防止意外情况的发生，在意外将要发生的时候，做出预警。1本课题得到教育部博士点基金(20050497006)和新世纪优秀人才支持计划(NCET-05-0657)的资助。-1-http://www.paper.edu.cn图1意外发生后重建传感器网络，进行救援3.无线传感器网络平台无线传感器网络要实现延迟限制的服务需要所有活动节点有严格的时间同步，并尽可能的减少碰撞。这样，才能够保证端对端传输的及时性、网络吞吐量和网络的生存期。构建了无

6、线传感器网络平台来实现在线的语音采样、ADPCM编码、包传输和转发。网络中的每个节点有一个AtmelATmega12816位哈佛结构微控制器和两个radio,一个IEEE802.15.4收发器用于多跳数据通讯和一个低功率AM接收器用于全局时间同步。每个节点每隔数秒接收一个AM传输器发出的短周期脉冲，AM时间同步脉冲广播到网络中所有的节点，提供全局时间参考。本平台使用2KB的RAM,32KB的ROM,以及使用CC1000芯片进行无线通讯。CC1000芯片采用频移键控技术，其接收灵敏度随着传输速率的增加而降低，76.8kbps时为-94dB,最高灵敏度可以达到-110dB,支持跳频

7、应用，支持低电流模式。802.15.4支持的数据包最大为128比特，最大数据传输率为250Kbps。为了支持语音采样，使用低功率基于MEMS的麦克风，它有－26dB的敏感度和8KHz的频率响应，有内置的放大回路，在3V时电流为0.1mA，ATmega128微控制器有一个10位的模数转换器，可以保证语音质量。由于在无线传感器网络平台上要进行语音处理、定位和更新传感器数据等多种应用，所以需要有实时操作系统来对这些应用进行管理，可以选择TinyOS实时操作系统来管理这些应用。4.网络协议语音包的延