基于ZigBee的无线语音传输系统的设计
基于DSP和ZigBee无线智能语音控制系统设计_边红昌
基于DSP和ZigBee无线智能语音控制系统设计_边红昌Proceedings of the 26th Chinese Control ConferenceJuly 26-31, 2007, Zhangjiajie, Hunan, China基于DSP和ZigBee无线智能语音控制系统设计边红昌，程德福，祁玉林，张坤吉林大学-TI DSP联合实验室, 长春130026E-mail:***********************.cn摘要：介绍了以DSP为语音控制模块与以PIC单片机和无线传输芯片CC2420为核心构成的ZigBee无线传输模块建立的无线智能语音控制系统。
给出了系统硬件总体结构及各模块的具体设计方案，语音识别算法和系统软件的实现方法。
针对DSP对语音识别算法进行优化，且对ZigBee协议栈进行优化精简，最终实现了独立运行、识别率高及操作方便的家庭智能语音控制系统。
关键词：语音识别, DSP, ZigBee, 智能控制Design of Wireless Intelligent Speech Control SystemBased on DSP and ZigBeeBian Hongchang, Cheng Defu, Qi Yulin, Zhang KunJilin University-TI DSP Laboratory, Changchun 130026, P. R. ChinaE-mail:***********************.cnAbstract: Introduce a Wireless Intelligent Speech Control System based on DSP as Speech Control Model and PIC Micro-controller & wireless transmit chip CC2420 as the ZigBee Wireless Transmit Model. Hardware design, Speech Recognition Algorithm and Program design are given in this paper. Especially Speech Recognition Algorithm is optimized toward DSP and ZigBee Protocol Stack is reduced. Independent, high recognition rate and convenient operation family intelligent speech control system is realized in our system.Key Words: Speech Recognition, DSP, ZigBee, Intelligent Control1 引言(Introduction)随着智能设备微型化、人工智能化、多功能化等功能的发展，而通常的人机控制如按键、图形菜单等不再能满足用户的需求，因而本文提出了基于DSP 和ZigBee无线智能语音控制系统。
基于zigbee的无线语音传输系统的
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-hop relay）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CC2430 SoC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0 dBm，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Based on ZigBee wireless voice transmission systemdesignAbstract：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 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 ofIEEE802.15.4 / ZigBee proposed realize voice communication 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 hardware test platform to study the sprint wireless voice communications technology. V oice 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 devices 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 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 (1)1.1 选题的背景 (1)1.2 国内外的研究现状 (2)1.2.1 无线传感网络国内外应用现状 (2)1.2 .2 Zigbee技术国内外发展现状 (3)1.3 生产需求状况 (3)1.4 研究目的和意义 (4)1.5 本论文的研究内容 (4)第二章Zigbee协议栈结构和原理 (6)2.1 Zigbee协议栈概述 (6)2.2 ZigBee网络体系 (7)2.2.1 两种功能类型设备 (7)2.2.2 三种节点类型 (8)2.2.3 三种网络拓扑结构 (8)2.2.4 两种工作模式 (9)2.3 IEEE 802.15.4通信层 (9)2.3.1 载波信道和频率的描述 (10)2.3.2 物理层(PHY)数据包的格式 (10)2.4 介质接入控制子层MAC (11)2.4.1 MPDU 数据单元的处理 (11)2.4.2 MAC层数据的传输 (12)2.5 Zigbee网络层 (15)2.5.2 组网管理 (17)2.5.3 Zigbee路由算法 (18)第三章CC2430模块的硬件设计 (24)3.1 Zigbee芯片的描述 (24)3.2 CC2430 无线单片机介绍 (25)3.2.1 CC2430芯片的主要特点 (25)3.2.2 CC2430芯片的引脚功能 (28)3.2.3 CC2430 芯片的典型电路应用 (29)3.3 CC2430模块硬件设计与实现 (30)3.3.1 CC2430 模块的电路图 (30)3.3.2 硬件方面的设计 (30)3.4 软件设计 (34)3.4.1 IAR开发环境简介 (34)3.4.2 ADC参数配置 (35)3.4.3 使用TI-MAC协议栈进行语音传输 (36)总结 (39)致谢 (40)主要参考文献 (41)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。
基于zigbee协议的语音传输技术的实现论文
第２章ＩＥＥＥ８０２．１５．４与Ｚｉｇａｅｅ标准图２．２ＩＥＥＥ８０２．１５．４／ＺｉｇＢｅｅ三种拓扑结构在星状拓扑中，网络由一个ｚｉｇａ∞协调器控制。
ＺｉｇＢｅｅ协调器要负责初始化并维护网络以及网络中的所有其他设备，这些设备均作为终端设备直接与ｚｉｇａ∞协调器通信。
在Ｍｅｓｈ或簇树网络中，ｚｉｇａ∞协调器负责启动网络并设置某些关键参数，但是网络可以通过ＺｉｇＢｅｅ路由器进行扩展。
在簇树网络中，路由器采用分级路由策略传送数据和控制信息。
Ｍｅｓｈ网络允许完全的点对点通信。
２．１．３关键概念介绍２．１．３．１通信原语在分层的通信协议中，层与层之间是通过服务接入点ＳＡＰ相连接的。
每一层都可以通过本层与下一层的ＳＡＰ调用下层所提供的服务，同时通过与上层的ＳＡＰ为上层提供相应服务。
ＳＡＰ是层与层之间的唯一接口，而具体的服务是以通信原语的形式供上层调用的。
在调用下层服务时，只需要遵循统一的原语规范，并不需要去了解如何处理原语。
这样就做到了数据层与层之间的透明传输。
层与层之间的通信原语可分为以下四种，它们之间的关系如图２．３所示。
第３章ｚｉｇＢ钟语音传输模块硬件设计３．１０语音模块电路图３．３．２数字电路设计数字电路部分主要是由ＭＣｌ３２１３芯片和外围电路构成，出射频部分外主要是电源模块和调试模块，以及各输入输出引脚，设计原理图如图３．１１：图３．１１数字电路部分原理图在ＰＣＢ布线时尽量使得个引脚的电容靠近芯片，可以起到很好的滤波作用［２２１。
电源部分增加了３ｌ第３章ＺｉｇＢｃｅ语音传输模块硬件设计电场极化方向既包括Ｅ口分量，又包括Ｅ。
分量，因此该天线在周围空间辐射的电场方式同时具备水平极化和垂直极化特性，也就是全方向性，具有交叉极化的特点。
３．３．３．２微带倒Ｆ型天线仿真仿真软件使用ＣＳＴ公司的Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ５．０微波仿真套件。
按照设计要求对天线进行仿真和调整，达到设想的要求。
天线频率范围根据ＩＥＥＥＳ０２．１５．４协议要求为２．４ＧＨｚ－２．４５ＧＨｚ。
无线语音传输系统的设计与实现毕业论文设计
⽆线语⾳传输系统的设计与实现毕业论⽂设计毕业论⽂设计题⽬：⽆线语⾳传输系统的设计与实现系别：车辆⼯程电⼦电⽓系专业：电⼦信息⼯程题⽬类型：软件开发摘要随着嵌⼊式系统和⽆线⽹络发展，两者已能紧密结合在⼀起。
⽽且随着⽆线应⽤领域扩⼤，⼯作在ISM（⼯业、科学和医学）标准2.4GHz⾃由免费频段，已成为研究焦点。
例如Wi-Fi、BlueTooth、Zigbee等⽆线传输协议都是应⽤在2.4GHz频段上，并以其数据率⾼、节点分布⼴等特点⼴泛应⽤于科研、家庭、军事等各个领域。
本设计利⽤了SPCE061A的语⾳处理功能，把SPCE061A作为主控制器，借助于Nordic nRF2401⽆线收发芯⽚，实现简单的双向⽆线语⾳传输功能。
具体实现⽅法是：通过其中⼀套61 板和⽆线模块（A 套）实现录⾳功能并将压缩后的语⾳资源通过⽆线模块发射；然后另外⼀套61 板和⽆线模块（B 套）接收A 套发送的语⾳资源数据，并对数据进⾏解码播放。
两块板⼦均能实现语⾳的发送和接收。
本⽂以⽆线语⾳传输系统的设计为主线，包括⽆线收发芯⽚的介绍、⽆线收发模块的设计以及语⾳数据的处理等，分为6个部分。
其中，第1部分为背景情况和芯⽚介绍，第2部分主要介绍对总的设计⽅案的选定，第3部分主要介绍⽆线语⾳传输系统的总体设计，第4部分对⽆线语⾳传输系统的硬件设计进⾏了详细的介绍，第5部分描述了⽆线语⾳传输系统的软件设计，第6部分叙述系统软硬件的调试，对在调试过程中遇到的问题及其解决⽅法也作了讨论。
关键词：⽆线传输；nRF2401；SPCE061AAbstractWith embedded systems and wireless network developing, the two have been working closely together. Moreover, as the expansion of wireless applications, worked in the ISM (industrial, scientific and medical) standard 2.4 GHz band free, has become a focus of study. Such as Wi-Fi, BlueTooth, Zigbee and other wireless transmission protocols are used in 2.4 GHz band, and because its high data rate, nodes and other characteristics of widely distributed are used in scientific research, family, military and other fields.The design use the SPCE061A of voice processing functions, SPCE061A as the main controller, the help of NordicnRF2401 radio transceiver chip, to achieve a simple two-way wireless voice transmission functions. Specific method is: the adoption of a set of 61 panels and wireless module (A set) to achieve recording of the voice compression and resources through the wireless module launch and then another set of 61 panels and wireless module (B sets) A package sent to receive The voice data resources, data and decode broadcast. 2 voice of the board can send and receive.In this paper, wireless voice transmission system to the design of the main line, including wireless transceiver chips, wireless transceiver module design and voice data processing, divided into six parts. The first part of the background and chips, Part 2 introduces the general design plan selected, Part 3 introduces wireless voice transmission system design, Part 4 of the wireless voice transmission system hardware design Carried out a detailed, Section 5, describes the wireless voice transmission system software design, described in section 6 of the system hardware and software debugging, in the process of debugging the problems encountered and their solutions are discussed.Key words：Wireless transmission ；nRF2401；SPCE061A⽬录引⾔ (1)1 课题背景和芯⽚介绍 (2)1.1 课题背景 (2)1.2 芯⽚资料 (2)1.2.1 SPCE061A简介 (2)1.2.2 SPCE061A 性能简介 (3)1.2.3 SPCE061A应⽤领域 (3)2.1 NRF2401A ⽆线收发芯⽚ (4) 2.1.1芯⽚特性 (4)2.1.2 NRF2401 主要性能指标 (5) 2.1.3 NRF2401⼯作模式控制 (5) 2.1.4 激活状态的模式 (5)2.1.5 双超外差接收模式 (7)2.1.6 结构配置模式 (8)2.1.7 待机模式 (8)2.1.8 低功耗模式 (8)2.1.9 配置字描述 (8)2.1.10 天线输出 (9)2.1.11 应⽤领域 (9)2设计任务与总体设计分析 (9) 2.1设计要求 (10)2.1.1技术指标： (10)2.2 ⽅案论证 (10)2.2.1 ⽆线收发模块 (10)2.2.2主控制模块 (10)2.3 总体设计 (11)3 系统总体⽅案介绍 (11)3.1 硬件部分 (11)3.2 软件部分 (11)4 系统硬件设计 (12)4.1 硬件框图 (12)4.2 ⽆线收发模块电路 (12)4.2.1 NRF2401及其外围电路 (12) 4.2.2 指⽰电路 (13)4.2.3 接⼝电路 (13)4.361板结构 (14)4.3.1 SPCE061A最⼩系统 (15)4.3.2 电源电路 (15)4.3.3 ⾳频电路 (15)4.3.4 ICE接⼝电路 (16)4.4 电源电路 (16)4.4.1 整流电路 (17)4.4.2 滤波电路 (17)4.2.3 稳压电路 (17)5 系统软件设计 (18)5.1 软件总体设计 (18)5.2 ⼦程序设计 (20)5.2.1 初始化程序 (20)5.2.2 录⾳⼦程序 (23)5.2.3 放⾳⼦程序 (23)5 开发流程及开发环境 (24)5.1 开发流程 (24)5.2 开发环境 (25)6 调试 (25)6.1 调试⽅法 (25)6.2 硬件调试 (25)6.2.1 PCB设计应注意的问题 (25)6.2.1 NRF2401模块的制作 (26)6.2.2 61板的检测 (26)6.3 软件调试 (27)7 结论 (28)谢辞 (29)主要参考⽂献 (30)附录 (31)附录⼀：系统原理图 (31)附录⼆：系统PCB图 (32)附录三：系统源程序 (33)引⾔随着社会的发展和进步，⼈类活动越来越依赖于通信技术提供的服务，以⽆线通信技术以其快捷⽅便，可以移动等特性，受到⼈们的⾼度关注，得以快速发展。
基于ZigBee的语音通信
ZigBee是一种低功耗、低成本的新型短距离无线通信开放性技术标准。
它工作频段灵活，使用的频段分别为2．4 GHz、868 MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段；传输速率为250kbps，有效传输距离为10～75m。
通过在发射端加功率放大器还可以实现更远距离的通信。
ZigBee技术的低成本、低功耗特点，使其广泛地应用到库存管理、产品质量控制、工业过程控制、灾害地区监测、生物监测和监督、定位及消防安全等领域。
虽然实现语音通信不是ZigBee联盟最初的目标，但是，在许多领域(如消防抢险)中没有语音通信功能，将使其应用受到很大的局限。
本文正是考虑到这一点，并考虑到ZigBee理论通信速率为250 kps，实际速率也能满足语音通信要求的情况，充分利用本方案所选的MCU的性能特性，以及很少的外围器件，很好地实现了语音通信。
1 总体方案构架ZigBee语音通信系统的架构为：以嵌入式处理器和射频发射芯片为核心，辅以外围的放大与滤波电路实现语音通信。
总体框图如图1所示。
按功能分，主要包括以下几部分：语音前置放大器：主要实现对麦克风接收的语音电信号进行放大处理。
语音前置滤波器：完成对高频电磁波的滤出，消除部分干扰，减小语音的失真。
嵌入式处理器：发送语音时，完成对语音模拟电信号的采集，将其转变为数字信号，并打包成数据帧，加上必要的帧头，发送到射频收发器。
接收语音时，读取射频收发器缓存器的数据，并进行D／A变换，发送到语音接收电路。
射频收发器：完成数据的收／发，接收／发送该设备的数据，并将数据发送到嵌入式处理器。
语音后置滤波器：对经过D／A变换的语音信号滤波，得到所需的语音信号。
语音后置放大器：对经过滤波以后的语音信号放大，最后输出到耳机，实现最终的语音通信。
2 硬件电路实现2．1 器件选型嵌入式处理器选用ATmegal28L单片机。
ATmegal28L是Atmel公司推出的低功耗、高性能MCU。
其内核为AVR，具有先进的RISC架构，内部具有133条功能强大的指令系统，且大部分指令是单周期；具有2个8位定时器／计数器和2个具有比较／捕捉寄存器的16位定时器／计数器，2通道位数可编程PWM通道，8路10位A／D转换器，主／从SPI串行接口，可编程串行通信接口以及片内精确的模拟比较器等。
基于DSP和ZigBee的智能设备无线语音控制系统设计
内容提要本文设计并实现了基于DSP和ZigBee的智能设备无线语音控制系统。
系统分为两个模块：一模块是以DSP为核心独立运行的语音命令识别模块，另一模块以ZigBee无线收发协议为核心并利用PIC单片机和CC2420实现ZigBee协议栈及应用程序。
两模块间通过中断方式进行命令或数据发送，且相互独立。
因此系统具有良好的扩展性，针对特定的任务可以更改任一模块的功能设置。
语音控制模块针对DSP系统对语音识别算法进行优化，并集成FLASH 可以保存模板信息也可实现在线训练及保存。
在PIC单片机上完成对ZigBee 协议的实现及精简，ZigBee节点分为全功能设备主节点和精简功能从节点。
主节点需要频繁的检测从节点的加入或接收数据等功能，侧重于功能实现。
从节点主要实现非频繁的任务执行，在保证传输正确性的同时侧重于在程序上设置如休眠等功能以降低功耗。
最后对本系统进行了测试及演示说明，实现无线语音控制功能。
关键词：DSP；ZigBee；语音控制；CC2420；智能设备；无线传输；目录第一章 绪 论 (1)1.1 语音识别 (1)1.2 无线通信技术 (2)1.3 智能设备功能特点和发展趋势 (3)1.4 论文研究意义 (5)1.5 本文研究的主要内容 (6)第二章 语音识别理论 (7)2.1 语音信号时域处理 (7)2.2 语音信号频谱分析 (10)2.3 语音信号参数提取 (12)2.4 语音识别算法 (15)第三章 ZIGBEE无线传输技术 (18)3.1 无线通信技术 (18)3.2 Z IG B EE技术 (20)3.3 Z IG B EE协议栈 (20)3.4 Z IG B EE网络拓扑结构 (22)第四章 控制系统的硬件设计 (24)4.1 系统总体结构 (24)4.2 DSP语音识别模块 (25)4.3 Z IG B EE无线传输模块 (30)第五章 控制系统的软件设计 (35)5.1 DSP应用程序及优化 (35)5.2 Z IG B EE传输协议实现 (39)第六章 系统测试及分析 (46)6.1 语音识别及实时性测试 (46)6.2 Z IG B EE模块配置演示和性能测试 (48)第七章 结论 (54)7.1 工作总结 (54)7.2 需进一步开展的工作 (54)参考文献 (55)摘 要 (I)ABSTRACT (III)致 谢 (V)硕士期间发表的论文 (VI)第一章绪论智能设备或智能仪器是以处理器为主体，将计算机技术与测量控制技术及软件结合在一起，组成的“智能化测量控制系统”。
基于Zigbee的分布式家庭语音控制系统的设计
中图分类号：TN929
文献标识码：A
文章编号：1674-6236（2019）02-0016-04
Design of distributed home voice control system based on Zigbee
ZHANG Ling⁃jian1，HAO Wan⁃jun1，CHEN Jia⁃hua2，CHEN Zhen⁃ping1，SUN Hao⁃bo1 （1.School of Electronic and Information Engineering，Suzhou University of Science and Technology， Suzhou 215009，China；2.School of Civil Engineering，Suzhou University of Science and Technology，
随着物联网与通信技术的发展，人们对于家居 时采集室内环境参数，采用 LD3320 芯片对终端设备
智能化要求也越来越高。近年来，在环境监测、医疗 进行本地离线语音控制，结合 Andriod 手机平台，通
监护、智能家居等领域，Zigbee 无线传输技术以其近 过移动端语音远程监控室内状况，拓展了控制范围，
基金项目：国家自然科学基金（51404008）；江苏省大学生创新创业计划项目（201713985002Y）
作者简介：张灵健（1997—），男，江苏启东人。研究方向：无线传感器网络技术。 - 16 -
张灵健，等 基于 Zigbee 的分布式家庭语音控制系统的设计
图 1 分布式家庭语音控制系统结构图 语音控制器与 Android 移动端语音控制软件两部分 构成，移动端通过语音录入，获取语音信号并将其保 存为 txt 文本形式与匹配模板进行语音识别，识别时 采用动态时间规整算法（DTW）进行分析比对得到语 音控制命令，系统返回是否成功识别结果，并将指令 发送到如视频监控采集等一系列相应功能模块上， 实 时 显 示 室 内 状 态 变 化 ，并 可 对 终 端 设 备 进 行 语 音 控制。而本地语音控制器获取语音信息指令对其分 析识别后与 ZigBee 通信来控制终端。
基于ZigBee技术的无线语音通信系统设计与实现
摘要 ： 针对语 音传 输过 程 中的丢 包问题及 Ａ Ｅ ００ 片和 ＣＣ ４０ 片的工作 原理 与特 点 ， ＭＢ 一１０ 芯 ２３ 芯 设计 出了一种基 于Ａ Ｅ １０ 和 ＭＢ 一 ０ ０
ＣＣ ４０ 无 线 语 音 通 信 系统 。 系统 采 用 Ａ Ｅ 一 ０ ０与 ＣＳ １ ２ 一 进 行 语 音 信 号 的 处理 ； ２３ 的 ＭＢ １０ Ｐ０７ Ｓ 同时 ， 用 Ｃ ４ ０ 输数 字化 后 的语 采 Ｃ２ ３ 传
ｎ ｌ． ａｓＡＴ８９ ５ ｃ ｒ ｌｅ ｓ ａ ｐ ｅ ｆ ａａ ｃ Ｃ ２ ｏｎｔｏｌ ｒ ｉ ｄｏ ｔ ｄ ｏｒ ｄ ｔ ｏｍ ｍ ｕｎｃ ｔｏ ｉａｉ ｎ． Ｔｈ ｓｓ ｓｅ ｒ ａｉｅ ａ ｖｏｉｅ ｏ ｍ ｕｎ ｃ ｔｏｎ ｙ ｔ ｍ ｂ ｓ ｄ ｏｎ ｈｅ ｉ ｙ ｔｍ ｅ ｚ ｄ ｌ ｃ ｃ ｍ ｉａ ｉ ｓｓｅ ａ ｅ ｔ ＡＭ —
关键词 ： 无线语音通信 ； ｉＢ ｅ语 音编解码 Ｚｇｅ； 中图分类号 ： Ｐ ３ 文献标识码 ： 文章编号 ：０９ ３ ４ （０ １３— ６ ５ ０ Ｔ ９ Ａ １０ — ０ ４２ １ ）１ ７ ３ — ３
Ｔｈ ｓｇ ｎ ｍｐ ｅ ｎ ａ ｉ ｎ ｏ ｅＷ ｉ ｅｅ ｓＶｏｃ ｍ ｍｕ ｉ ａ ｉ ｎ Ｓ ｓｅ Ｂａ ｅ ｎ Ｚｉ Ｂｅ ｅＤｅ ｉ ｎ ａ ｄ Ｉ ｌ ｍｅ ｔ ｔｏ ｆ ｈ ｒ ｌ ｓ ｉｅ Ｃｏ ｔ ｎ ｃ ｔ ｙ ｔ ｍ ｓ ｄ ｏ ｇ ｅ ｏ
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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-hop relay）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CC2430 SoC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0 dBm，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Based on ZigBee wireless voice transmission systemdesignAbstract：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 has since organization and theself-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 communication 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 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 devices 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 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 (1)1.1 选题的背景 (1)1.2 国内外的研究现状 (2)1.2.1 无线传感网络国内外应用现状 (2)1.2 .2 Zigbee技术国内外发展现状 (3)1.3 生产需求状况 (3)1.4 研究目的和意义 (4)1.5 本论文的研究内容 (5)第二章Zigbee协议栈结构和原理 (6)2.1 Zigbee协议栈概述 (6)2.2 ZigBee网络体系 (7)2.2.1 两种功能类型设备 (7)2.2.2 三种节点类型 (8)2.2.3 三种网络拓扑结构 (8)2.2.4 两种工作模式 (9)2.3 IEEE 802.15.4通信层 (9)2.3.1 载波信道和频率的描述 (10)2.3.2 物理层(PHY)数据包的格式 (10)2.4 介质接入控制子层MAC (11)2.4.1 MPDU 数据单元的处理 (11)2.4.2 MAC层数据的传输 (12)2.5 Zigbee网络层 (15)2.5.2 组网管理 (17)2.5.3 Zigbee路由算法 (18)第三章CC2430模块的硬件设计 (24)3.1 Zigbee芯片的描述 (24)3.2 CC2430 无线单片机介绍 (25)3.2.1 CC2430芯片的主要特点 (25)3.2.2 CC2430芯片的引脚功能 (28)3.2.3 CC2430 芯片的典型电路应用 (29)3.3 CC2430模块硬件设计与实现 (30)3.3.1 CC2430 模块的电路图 (30)3.3.2 硬件方面的设计 (30)3.4 软件设计 (34)3.4.1 IAR开发环境简介 (34)3.4.2 ADC参数配置 (35)3.4.3 使用TI-MAC协议栈进行语音传输 (36)总结 (39)致谢 (40)主要参考文献 (41)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。