一種基于ARM Linux的無線音視頻對講系統(tǒng)設計方案

隨著數(shù)字化和網絡化時代的到來，尤其是寬帶無線網絡的發(fā)展，為音視頻這樣大數(shù)據(jù)量傳輸業(yè)務在無線網絡上的應用提供了契機。同時由于音視頻獨特的感官特性，使其相關的應用需求也變得越來越迫切。無線多媒體是多媒體和移動通信這兩個領域的技術相互融合的產物，成為當今通信領域的一個熱點。鑒于Linux內核的開源性，采用其作為操作系統(tǒng)，從而使整個系統(tǒng)具有更好的實時性和穩(wěn)定性。整個系統(tǒng)以ARM11為核心處理器、采用新一代視頻編解碼標準H.264進行編譯碼，并通過無線網絡傳輸音視頻。它充分利用S3C6410微處理器內部集成的多媒體編解碼器（Multi-Formatvideo Codec，MFC），有效提高了系統(tǒng)的性價比。整個系統(tǒng)為無線多媒體音視頻的傳輸提供了一個好的解決方案，可廣泛應用在遠程監(jiān)控、視頻電話等各種領域，具有較好的實用價值和推廣應用前景。

1.系統(tǒng)總體方案設計

通信雙方系統(tǒng)中音頻和視頻采集模塊負責采集模擬信號，并將采集到的音視頻數(shù)據(jù)送到音視頻管理模塊，經過壓縮處理，再加上數(shù)據(jù)包頭一起由WiFi發(fā)送到對方；對方接收到數(shù)據(jù)后，經過相關處理，判斷音視頻幀類型，再送往解壓縮處理模塊，恢復出音視頻數(shù)據(jù)。通信雙方設備均包含嵌入式音視頻管理模塊和無線收發(fā)模塊。無線WiFi收發(fā)模塊運行在2.4 GHz頻段，符合IEEE 802.11b無線局域網協(xié)議標準。

2.系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件設計以ARM11為核心微處理器，主頻為532 MHz，能夠滿足實時處理的要求，其內部集成有256 MB SDRAM、2 GB FLASH、音頻錄、放音接口、Camera視頻接口、無線WiFi接口、LCD接口、SD卡接口等，同時以開源的Linux 2.6.28為內核，yaffs2為根文件系統(tǒng)，Qtopia 4.4.3作為用戶界面，為開發(fā)調試和系統(tǒng)設計提供了良好的平臺。

2.1音視頻采集模塊

音頻采用處理器內部集成的IIS（Inter-IC SoundBus）音頻接口和WM9714音頻芯片。IIS是飛利浦公司為數(shù)字音頻設備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸而定制的一種總線標準。在飛利浦公司的IIS標準中，既規(guī)定了硬件接口系統(tǒng)，也規(guī)范了音頻數(shù)據(jù)的格式?；诖擞布敖涌谝?guī)范，實現(xiàn)了集成音頻輸出、Linein輸入和Mic輸入功能。

視頻采集使用的是OV9650CMOS攝像頭模塊，分辨率高達130萬像素，可直接與OK6410開發(fā)板的Camera接口相接。適用于高端消費類電子產品、工業(yè)控制、車載導航、多媒體終端、行業(yè)PDA、嵌入式教育培訓、個人學習等。其結構較簡單，提供硬件驅動程序，便于使用和調試。

2.2無線傳輸模塊

本系統(tǒng)的無線傳輸模塊采用工作在2.4 GHz公共頻段的WiFi模塊來實現(xiàn)，它遵循IEEE 802.11b/g網絡標準，可用于在后期開發(fā)中將終端接入Internet，其最高數(shù)據(jù)率為54 Mb/s，支持WinCE、Linux系統(tǒng)。室內通信距離可達100 m，室外開闊地可達300 m.只需要對ARM-Linux操作系統(tǒng)進行簡單的配置就可以由以太網連接模式轉化為雙機通信AD-HOC模式，在系統(tǒng)啟動之后，設計了基于Qt的窗口設計，方便切換連接模式。

選用WiFi具有很好的可擴展性，可以通過無線路由器的WiFi連接到廣域網，具有很好的應用前景。同時大多數(shù)手機等終端設備具有WiFi功能，后期還可以將軟件升級至Andriod系統(tǒng)，方便開發(fā)和移植。它減少了音視頻實時傳輸?shù)拈_發(fā)成本和周期，也給現(xiàn)代移動通信提供了一種新的音視頻通信方式。

WiFi的驅動配置好后，應用層和以太網接口模式編程完全相同。由于此設計音視頻數(shù)據(jù)量較大，不宜采用UDP，因為當數(shù)據(jù)量過大或傳輸信號不好時，UDP會嚴重丟包，所以最終選擇面向連接的TCP傳輸協(xié)議，保證了系統(tǒng)音視頻有效傳輸。由于TCP是應答時式傳輸數(shù)據(jù)，在局域網內，無需考慮TCP丟包問題，為實現(xiàn)系統(tǒng)功能提供了可靠的保障。

3.軟件設計

軟件分為用戶界面設計和數(shù)據(jù)處理、傳輸?shù)饶K的設計。

3.1基于多線程的軟件總體設計

系統(tǒng)軟件架構如圖1所示，它是音視頻單向采集、壓縮、傳輸、接收、解壓縮、處理回放音視頻流控制過程，各個模塊采用線程處理，由信號量處理線程間優(yōu)先級構成循環(huán)的線程，有效地處理了音視頻數(shù)據(jù)流。系統(tǒng)各功能模塊化，便于修改和移植，代碼簡短精悍。

圖1軟件架構

3.2回音消除

系統(tǒng)開始時出現(xiàn)回音和延時問題，延時是由于采集傳輸過程中造成的，所以只能盡量縮短延時，而無法做到即時播放，這也是此系統(tǒng)的缺陷之一?；匾羰怯捎谘訒r造成的，文中最后采用開源的Speex算法消除了回音。具體做法：將該算法編譯成庫文件，加入到Linux內核，即可以使用Speex的API函數(shù)，實現(xiàn)音頻的回音消除。

3.3嵌入式音視頻的同步

本文的基本思想是以視頻流為主媒體流，音頻流為從媒體流，視頻的播放速率保持不變，根據(jù)本地系統(tǒng)時鐘確定實際時間，通過調整音頻播放速度來達到音視頻同步。

首先選擇一個本地系統(tǒng)時鐘參考（LSCR），然后將LSCR發(fā)送到視頻解碼器和音頻解碼器，由這兩個解碼器根據(jù)各幀的PTS值對照本地系統(tǒng)時鐘，參考產生各幀準確的顯示或回放的時間。也就是說，生成輸出數(shù)據(jù)流時依據(jù)本地參考時鐘上的時間給每個數(shù)據(jù)塊都打上時間戳（一般包括開始時間和結束時間）。在播放時，讀取數(shù)據(jù)塊上的時間戳，同時根據(jù)本地系統(tǒng)時鐘參考上的時間來安排播放。

整個系統(tǒng)的音視頻同步數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

圖2音視頻同步數(shù)據(jù)流程

4.音視頻通道管理

為了節(jié)約內存資源，便于通道的管理，本設計采用分通道的線程池管理，音、視頻分別由自己的通道完成任務。

音視頻采集使用同一個線程處理，采用select系統(tǒng)調用，每執(zhí)行到此線程，就判斷音視頻設備是否就緒，若就緒即采集音頻或視頻到音視頻緩沖區(qū)，再交給音視頻采集壓縮線程，最后再交給發(fā)送線程打包后采用TCP發(fā)送。需要說明的是本設計線程之間均采用信號量完成線程間基于TCP的音視頻軟件架構的同步管理。發(fā)送完以后進入接收線程等待對方發(fā)音視頻數(shù)據(jù)。在接受端由接收線程接收到數(shù)據(jù)以后，判斷數(shù)據(jù)的包頭，再交由解壓縮處理線程處理，然后播放音視頻，再等待對方發(fā)數(shù)據(jù)到本機。

由于處理器的高速處理和高效率視頻硬件H.264解壓縮，使得整個系統(tǒng)實時性基本達到要求。嵌入式音視頻管理模塊實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的統(tǒng)籌控制和實時處理，為音視頻數(shù)據(jù)管理提供可靠的保證。

5.結語

目前基于嵌入式無線終端的視頻監(jiān)控產品由于無需布線、傳輸距離遠、環(huán)境適應能力強，性能穩(wěn)定及通信便利等優(yōu)勢而倍受青睞，在安全監(jiān)察、巡查通信、施工聯(lián)絡、人員調配等場合發(fā)揮著不可替代的作用。本系統(tǒng)是基于嵌入式Linux的無線音視頻通信手持式終端，其體積較小、攜帶方便，采用鋰電池經過開關電源芯片降壓的方式給整個系統(tǒng)供電，其效率較傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓大大提高。在戶外可視化娛樂、施工現(xiàn)場監(jiān)控、大型安保聯(lián)絡等場合均可使用，具有廣泛的應用前景。