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有害动物智能声防系统中音频控制子系统的研制
发布时间:2018-07-24 阅读：次 [打印文章] [关闭窗口]- 农作物除受到气象灾害和常规病虫害影响外，田鼠、麻雀、野兔、野鸡、野猪等动物的危害也十分巨大。直接利用有害动物天敌的叫声或其受到捕捉时发出的惨叫声对农作物有害动物进行驱赶（以下简称声防），能避免投放化学药物对水土环境造成污染和可能对人畜的误伤，且相对于超声波驱赶、喷水恐吓等其他驱赶手段更易于实现，驱赶效果更好。国内现有的商品化声防装置普遍存在控制模式简单、声防音质不好、存储器容量小、声防音频文件不便于升级扩展等缺点。应用嵌入式技术改进和提高声防装置多方面性能已成为声防技术发展的趋势之一。笔者所在课题组提出一种农业有害动物智能声防系统，并为确保该系统设计的可靠性和性能最优，在其音频控制子系统的构建上采用两种设计方案，实现了带大容量可热插拔存储器、高保真音频输出和多模式播放的音频控制，并且对基于不同硬件平台的嵌入式解决方案的性能、实现难度及成本等进行了对比。
1 智能声防系统原理
如图1所示，智能声防系统的结构分为3层，底层是带有热释电传感器的探测节点，负责探测有害动物在农田中出没的位置；中间层为执行器节点，负责存储、播放声防音频文件；上层是总控制器，负责监控整个系统的运行。系统一体成型电感的各层之间以无线方式进行通信。总控制器定时采集环境信息（如温度、光照），结合农田地理位置、作物种类等信息，并通过电感单位查询内部数据库，以当时最有可能出没的2种有害动物作为声防目标，然后定时发送给执行器节点。执行器节点有触发、随机2种工作模式。触发模式下，探测节点探测到有害动物后，向相距最近的执行器节点发出命令。执行器节点根据最近更新的声防目标播放对应的音频文件。随机模式下，执行器节点根据定时更新的声防目标自动播放声防音频文件。每次播放前，都会在工作参数确定的时间范围内随机产生一个间隔时间，并按其进行延时，以使声防系统中不同执行器节点在执行声防时具有随机性，从而降低有害动物对声防系统的适应性。
执行器节点由无线通信模块、音频控制子系统、扬声器以及供电模块等组成。除音频控制子系统外，其他功能模块均采用成熟产品。
执行器节点的主要功能由音频控制子系统完成，按实现功能考虑，其应包括大容量高保真数字音频信号存储、解码输出及多种播放模式选控等。为达到高保真的音质要求，声防音频信号的采样率选为44 kHz，采样位数确定为16 bit，其存储格式采用能较好兼顾压缩比和音质的MP电感厂家3格式；为方便声防音频文件的升级，存储器选用了方便热插拔的SD卡或U盘。
现有的音频解码方案有硬件解码和软件解码2工字电感器类。常用的硬件解码芯片有ST公司的ST016、SANYO公司的LC82310G等，使用时常配以单片机实现控制功能。为方便开发，已有厂商研制出将硬件解码器和单片机以及其他外围器件集成在一起的SoC芯片，如ATMEL公司的AT89C51SND1。
软件解码方案主要基于DSP平台和ARM平台构建，其中ARM平台可搭配嵌入式操作系统，能较好地管理和支持底层硬件设备，且有大量开源解码软件可供选择，软件移植比DSP平台相对容易。
2 方案1的构建及实现
2.1 方案1的硬件构成及实现
音频控制子系统的“单片机+硬件解码”构建与使用单独的硬件解码芯片配合其他控制芯片相比，SoC芯片在电路结构和开发成本上均有较大优势。AT89C51SND1是MP3解码应用中使用最多的SoC芯片之一。它实质上是一款集成了DSP硬件解码器的C51单片机，提供有USB DEVICE、SPI等设备接口，且有54个I/O口供用户使用。基于AT89C51SND1构成音频控制子系统的硬件结构见图2。
由图2可见，AT89C51SND1通过RS-232串口与无线通信模块相连，采用自定义协议与其进行通信，以实现执行器节点与探测节点、总控制器之间的无线通信。因AT89C51SND1没有集成USB HOST接口，故选择USB接口芯片CH375读写U盘。而实际测试中发现，CH375不能识别有些厂家生产的U盘。故为确保存储的可靠性，选用SD卡作存储介质。SD卡的读写分为SD和SPI方式，而AT89C51SND1只提供MMC接口，无法兼容SD方式，故采用SPI方式读写SD卡。AT89C51SND1上集成了音频输出接口，可将解码后的音频数据以PCM格式或I2S格式输出到后级的低功耗音频数模转换芯片PCM1770。AT89C51SND1通过USB DEVICE接口作为USB
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