基于嵌入式ARM处理器的多媒体IP网络语音控制系统
发布日期：2013-03-10
一、 项目概要
本项目“基于嵌入式ARM处理器的多媒体IP网络语音控制系统”利用自主研发的网络音频编解码、数据远程存储、无服务器自动运行等技术将音频信号以标准IP包形式在局域网和广域网上进行传送，是一套纯数字传输的双向音频扩声系统，彻底解决了传统广播系统存在音质不佳，维护管理复杂，缺乏互动性等问题。TOG 网络语音控制系统是基于互联网和局域网的纯数字化网络音频广播系统，区别于传统的模拟音频、调频、寻址和数控广播的广播系统。该系统克服了传统音频系统容易受到电压、功率、阻抗等因素影响，具有传输距离长，频率高，不易受到干扰，系统扩展性好等优点。能够完全取代基于模拟或数字的传统智能广播系统，真正实现基于互联网或局域网的IP 音频广播功能，支持广播、直播、点播等方式，部分产品支持全双工双向对讲、终端演讲等功能，并且支持大范围的普及应用。真正实现计算机网络、数字视频监控、公共广播的多网合一。
二、 前言、实施背景
上海童格电子科技有限公司是美国童格（香港）国际有限公司在中国大陆投资成立的高新技术企业，公司坐落于中国大陆的经济、金融、贸易中心上海，总部位于科研人才云集的国家级软件产业基地复旦软件园，公司是复旦软件园企业联盟副理事长单位。公司是一家集产品研发、生产、销售、服务于一体的专业会议、中央控制及音视频处理制造商。
上海童格电子科技有限公司自成立以来，公司在研发模拟、智能、数字音频系统上一直处于行业领先水平，平均每年都有新的科研产品推出，为业界的各大厂家们解决产品技术上的难题，更为工程公司在施工上解决了后顾之忧。
随着当今时代的网络技术的普及，数字化时代已对人类的发展产生了巨大的变化，我们亲身经历了数字技术的蓬勃发展，目睹了它以惊人的速度，渗透到社会与生活的方方面面。据《商务信息网》报道，数字化技术已全面的进入到广播影视领域，正对我们的行业带来实质性的变革，清楚地把握数字音频技术的发展动向，对正确推进广播影视领域的数字化进程将有极其重要的意义。
网络广播 （Broadcast on Network）
网络广播是指一个节点同时向相同域中的其它所有节点传输数据包的WBR过程。组播是一种特殊的广播，WBR其中一组请求收听的选定用户将收到广播。广播传输通常在局域网（WBR如以太网）中进行，但有时也发生在虚拟局域网（VLAN）中。WBRIPv6 支持单播（Unicast）、组播（Multicast）WBR以及任意播（Anycast）三种类型，IPv6 中没有关于广播（Broadcast）的具体划分，WBR而是作为组播的一个典型。
网络广播中涉及以下主要技术原理：
广播域（Broadcast Domain）：这是一个限定区域，WBR其中的所有设备都可以共享信息。换句话说，与网络相连，WBR且负责接收广播的所有设备都是同一广播域的一部分。WBR在一个共享以太网中，WBR工作站通过共享媒体将帧广播到其它所有节点。其它节点收听广播，WBR只接收寻址到它们的帧。因此，WBR共享以太网中的所有节点都属于同一广播域。WBR此外通过虚拟局域网技术可以创建一个虚拟广播域。
广播地址（Broadcast Address）：这是一个特殊地址，WBR当数据包可以寻址到该地址时，可以帮助所有设备打开和处理信息。WBR例如，MAC 地址，格式为 1xFFFFFFFF 是一种广播地址；IP 地址255.255.255.255是通用广播地址。WBR任何设备都将打开寻址到广播地址的信息，WBR并将它们传送到下一个工作站。
广播风暴（Broadcast Storm）：WBR当主机系统响应一个在网上不断循环的广播数据包或者试图响应一个WBR没有应答的系统时就会发生广播风暴。随着网络数据包数量的增加，WBR广播风暴可能会引起网络拥塞问题。为防止广播风暴的发生，WBR需要细心配置网络以阻止非法广播信息的进入。
生成广播信息的应用程序包括地址解析协议（ARP）。WBR通过该协议，WBR主机发送一个地址解析查询到局域网中的所有计算机上，以实现网络 IP 地址的分配。有些路由选择协议，如RIP，WBR主要用于支持网络设备“Advertise”网络服务。WBR此外还存在很多相关技术，如组播技术（一种特殊广播形式），WBR这部分内容细节请查看组播技术部分。
根据市场前景跟产业状况，童格电子公司高层做出战略性决定，在基于嵌入式ARM处理器的基础上研发多媒体IP网络语音控制系统，采用先进的音频采编技术，占用带宽极小，用于全双工对讲及实时语音的只128KBS。完成网络音频适配器管理、权限管理、课件管理、定时打铃、文件播放、资源库管理等功能，为分控端、中继服务器提供数据接口服务，为各语音网络音频适配器提供定时播放和实时点播媒体服务，响应各播控手机的播放请求。全数字化传输，以局域网或具有独立IP的互联网为主要传输媒介，支持专用百兆网传输，传输距离不受限制，可提供多达几十套甚至上百套节目源，并实现了多网合一。局域网内装有本系统的任意工作站电脑可根据权限大小对系统进行广播，向本系统添加或删除节目。 我们公司用最快的速度研制出IP网络语音控制产品，产品的人性化的图形菜单界面、人性化的操作，轻松简便，专一实用，提高了使用的效率。目前处于市场领先地位。
三、 成果内涵
1、产品开发的技术路线
⑴关键技术一： 远程网络控制
这套产品其中一个系列的远程终端，我们植入了远程网络控制应用技术。比如大型展览馆内大量投影仪和PC服务器的应用，现在只是人工开关，工作人员每天都要到每台投影仪的位置至少2 次，几十台就要上百次，还不包括误操作带来的麻烦。在引入了远程网络技术后，我们可以通过新研发的终端挂在网络上，使传统的投影仪和PC与终端相连。上百台的投影仪和PC只需要用软件就可以进行远程的开启、视频切换、PC远程唤醒，大大提高了工作效率。
⑵关键技术二：基于ARM处理器的音频编解码技术
当前流行的语音编码技术做深入了解的基础上，选择了基于ARM处理器的嵌入式系统作为实现编码算法的硬件平台，并给出整体软件设计方案，对编码技术的性能特点做了认真分析，在做出权衡之后选定LPC-10编码器，根据嵌入式系统自身固有的特点，以适应硬件平台的实现环境为目的，对编码算法提出局部的优化方案，实现应用目标，再通过仿真实验给出结果，并对测试数据进行分析评价。
⑶关键技术三：物联网概念的植入及应用
该系统中有一个系列的终端真正做到了把物与网相联，植入了物联的概念。比如：终端预留的接口有IR、IO、232串口、电源等接口。在远距离的教室，我们可以放一个终端，通过红外控制空调、DVD，用电源控制灯光、幕布、窗帘，用232控制投影仪、升降机、电控锁。真正实现工程化的物联网，便于使用方的日常检修、维护工作。也优化了传统的小型子系统。
2，产品的创新性
（1）技术创新
网络音频编解码技术
网络语音编码包括波形编码、参数编码和混合编码。语音信号的波形编码力图使重建的语音波形保持原有语音信号的波形状态，音质不错，但是所需要的编码速率一般是比较高，如PCM\ADPCM。参数编码对信号的提取和编码速率比较低，合成的音质比较差。混合编码是采用了合成-分析的方法，在中低编码速率的情况下可以获得高质量的语音编码。我们公司研发的产品就是采用了软硬件结合的方法，该语音编解码的实现利用了软件无线电的思想，将不同的编码器用DSP软硬件来实现，根据码格式进行组帧、调制、然后送入信道传输。
（2）应用创新
物联网概念的植入
该套系统初期的研发把物联网的概念植入其中，通过远程终端实现对电器的一些控制。使工业的产品有了更广一些的市场前景。我们是通过DSP芯片处理加上外部接口模块的有机结合，把外围着产品的一些控制数据通过终端实时发送，以期给使用方带来更快捷更方便的服务。以下是外部接口原理图。
3，产品的性能
（1）功能方面
纯数字广播系统，涵盖了传统广播系统的所有功能。并充分利用了广域网资源，可随时随地获取网络上的音频资源。由于每个终端有独立的IP地址，因而可以控制任意一个终端播放不同的节目。
（2）音质方面，
由于采用了网络传输技术，使音频信号无传输干扰及失真。采用了MP3压缩算法占用网络带宽低(8k-128k)又能保证音质保真度，经测试采用44.1khz 16bit采样128kbps速率压缩 通频带(线路输出) 20-16khz ，失真度 ≤ 3% 。
（3）安装方面
施工简单便捷，只要各厂房具备以下2个条件：1）有ADSL拨号上网; （2)有交流220V插座和标准以太网络接入RJ45插座。
四、 成果效益
随着本解决方案的推出，产品面世的时间大幅缩短。伴随网络的快速普及，采用基于嵌入式ARM处理器的多媒体IP网络语音控制系统将对整广播个行业有着极大的推动作用。这是一套纯数字传输的双向音频扩声系统，彻底解决了传统广播系统存在的音质不佳，维护管理复杂，缺乏互动性等问题。该系统设备使用简单，安装扩展方便，只需将音频终端接入计算机网络即可构成功能强大的数字化广播系统，每个接入点无需单独布线，真正实现计算机网络、数字视频监控、公共广播的多网合一。同时本解决方案提供更低的功效，节省人力、物力，安装方便快捷，可更大程度上解决工程维护。
自2006年起，公共广播行业进入快速增长期，即便到了金融危机时期，仍然保持了15%以上的增长势头。由于中国处于高速发展阶段，公共广播工程量每年达300亿以上，并且平均每年以30％上升。
今年是“十二五”规划实施第一年，新的产业发展政策和扶植措施都陆续出台，各地在未来五年的规划中，都不同程度的提到了建设数字化城市、智能化城市的愿景，尤其是智能化建筑、智能化工程是十二五的重点。公共广播行业有义务配合全国的智能化建设发展，贡献一份力量。在国家始终强调建设“和谐”“文明”城市的大背景下，突发应急公共广播的发展商机无限，对公共广播产业来说是一个巨大的发展契机。
五、持续改进
该产品于2011年6月获得计算机软件著作权登记书，2012年7月通过四川省电子产品监督检验所对该产品的性能检测。并经过中国科学院上海科技查新咨询中心对该产品进行查新调查，认为该项目具有新颖性和良好的市场应用价值，达到国内领先、国际先进水平。
核心技术已申请发明专利1项，实用新型专利1项，计算机软件著作权登记1件，还获得了CE、FCC、CCC等证书形成自主知识产权。
该成果会根据社会需求进行升级改造，对核心技术会继续申请国家发明专利、实用新型和外观设计专利等。
