有害動物智能聲防系統中音頻控制子系統的研制

作者：時間：2010-05-13 來源：網絡

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農作物除受到氣象災害和常規病蟲害影響外，田鼠、麻雀、野兔、野雞、野豬等動物的危害也十分巨大。直接利用有害動物天敵的叫聲或其受到捕捉時發出的慘叫聲對農作物有害動物進行驅趕（以下簡稱聲防），能避免投放化學藥物對水土環境造成污染和可能對人畜的誤傷，且相對于超聲波驅趕、噴水恐嚇等其他驅趕手段更易于實現，驅趕效果更好。國內現有的商品化聲防裝置普遍存在控制模式簡單、聲防音質不好、存儲器容量小、聲防音頻文件不便于升級擴展等缺點。應用嵌入式技術改進和提高聲防裝置多方面性能已成為聲防技術發展的趨勢之一。筆者所在課題組提出一種農業有害動物智能聲防系統，并為確保該系統設計的可靠性和性能最優，在其音頻控制子系統的構建上采用兩種設計方案，實現了帶大容量可熱插拔存儲器、高保真音頻輸出和多模式播放的音頻控制，并且對基于不同硬件平臺的嵌入式解決方案的性能、實現難度及成本等進行了對比。
1 智能聲防系統原理
如圖1所示，智能聲防系統的結構分為3層，底層是帶有熱釋電傳感器的探測節點，負責探測有害動物在農田中出沒的位置；中間層為執行器節點，負責存儲、播放聲防音頻文件；上層是總控制器，負責監控整個系統的運行。系統的各層之間以無線方式進行通信。總控制器定時采集環境信息（如溫度、光照），結合農田地理位置、作物種類等信息，并通過查詢內部數據庫，以當時最有可能出沒的2種有害動物作為聲防目標，然后定時發送給執行器節點。執行器節點有觸發、隨機2種工作模式。觸發模式下，探測節點探測到有害動物后，向相距最近的執行器節點發出命令。執行器節點根據最近更新的聲防目標播放對應的音頻文件。隨機模式下，執行器節點根據定時更新的聲防目標自動播放聲防音頻文件。每次播放前，都會在工作參數確定的時間范圍內隨機產生一個間隔時間，并按其進行延時，以使聲防系統中不同執行器節點在執行聲防時具有隨機性，從而降低有害動物對聲防系統的適應性。

本文引用地址：http://www.j9360.com/article/163084.htm

執行器節點由無線通信模塊、音頻控制子系統、揚聲器以及供電模塊等組成。除音頻控制子系統外，其他功能模塊均采用成熟產品。
執行器節點的主要功能由音頻控制子系統完成，按實現功能考慮，其應包括大容量高保真數字音頻信號存儲、解碼輸出及多種播放模式選控等。為達到高保真的音質要求，聲防音頻信號的采樣率選為44 kHz，采樣位數確定為16 bit，其存儲格式采用能較好兼顧壓縮比和音質的MP3格式；為方便聲防音頻文件的升級，存儲器選用了方便熱插拔的SD卡或U盤。
現有的音頻解碼方案有硬件解碼和軟件解碼2類。常用的硬件解碼芯片有ST公司的ST016、SANYO公司的LC82310G等，使用時常配以單片機實現控制功能。為方便開發，已有廠商研制出將硬件解碼器和單片機以及其他外圍器件集成在一起的SoC芯片，如ATMEL公司的AT89C51SND1。
軟件解碼方案主要基于DSP平臺和ARM平臺構建，其中ARM平臺可搭配嵌入式操作系統，能較好地管理和支持底層硬件設備，且有大量開源解碼軟件可供選擇，軟件移植比DSP平臺相對容易。
2 方案1的構建及實現
2.1 方案1的硬件構成及實現
音頻控制子系統的“單片機+硬件解碼”構建與使用單獨的硬件解碼芯片配合其他控制芯片相比，SoC芯片在電路結構和開發成本上均有較大優勢。AT89C51SND1是MP3解碼應用中使用最多的SoC芯片之一。它實質上是一款集成了DSP硬件解碼器的C51單片機，提供有USB DEVICE、SPI等設備接口，且有54個I/O口供用戶使用。基于AT89C51SND1構成音頻控制子系統的硬件結構見圖2。