基于物联网的智慧音乐系统的设计与实现 |
| 2012-06-13 17:00 作者：冯庆 王建勇 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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摘要：介绍一种基于物联网的音乐系统的设计与实现。系统采用ARM920TS3C2410嵌入式处理器和WinCEOS来实现中央控制模块，再根据ZigBee2007/PRO网络标准构建传感网络，并通过RFID射频识别技术对光线、声音、红外传感、温度等传感器进行信息读取，最后结合音乐心理学原理和用户行为日志进行音乐选择逻辑设计，而最终为用户选择最佳的音乐以改善用户心情，提高其生活质量以及工作学习效率。同时，该系统采用了语音识别技术来增强用户交互。
关键词：传感网络；RFID；传感器；语音识别技术；音乐心理学
中图分类号：G250.7文献标识码：A文章编号：1671—7597（2012）0420
【《硅谷》杂志2012年4月刊文】
0引言
计算模式每隔15年发生一次变革，这个被称为“十五年周期定律”的观点，一经IBM前首席执行官郭士纳提出，便被认为如同摩尔定律一样准确。纵观历史，1965年前后发生的变革以大型机为标志，到1980年的个人计算机的普及再到1995年发生的互联网革命，都是计算机发展历史上的重大变革。2010年“物联网”横空出世，就倍受到瞩目，成为业界一个炙手可热的话题，被广泛称作在信息产业中继计算机、互联网后的第3次浪潮
基于物联网的音乐系统的基本功能是：通过各种传感器收集环境中的光线、声音、红外、温度等信息，并将这些传感信息上传到中央控制系统，后者对信息进行分析处理，并结合音乐心理学的研究结果，从而选出恰当的音乐，通过wifi传到远端的无线音箱，从而播放出最适合用户心意的背景音乐，以达到改善用户心情提高工作效率的目的。同时用户之间也可以本系统提供的网站上分享自己的音乐数据，评论歌曲，查看歌曲信息等。
1项目背景及现状
1.1项目背景
21世纪是信息化的时代，各种通信技术和自动化控制技术的发展推动了人类文明的进步，居住环境逐步走向舒适化、安全化。最近几年，据IDG发布的统计数据表明未来智能家电将会增长5-10倍，目前，市场上已有的智能家居控制产品，种类五花八门，实现方法各异，但仅限于高端消费，尚没有被大多数家庭接受，而且在接口控制上没有统一的标准。开发出低价、简单、易操作的远程监控系统是各开发商和用户共同的追求。国内外的家电制造行业正处在由传统家电向智能家电过渡的时期，将通信技术与自动控制技术应用到家电类产品中，开发出智能家电系统是目前研究的热点。
1.2国内外研究现状
物联网的概念是在1999年提出的，过去在中国，物联网被称之为传感网。中科院早在1999年就启动了传感网的研究，并已取得了一些科研成果，建立了一些适用的传感网。1999年，在美国召开的移动计算和网络国际会议提出了，“传感网是下一个世纪人类面临的又一个发展机遇”。2003年，美国《技术评论》提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，正式提出了“物联网”的概念。报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。射频识别技术（RFID）、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将到更加广泛的应用。
2智能音乐系统模块设计
2.1系统体系结构
整个项目主要分为前端数据采集模块、中央控制系统设计模块、无线音响传输模块以及用户分享交流网站的设计模块。其中前端数据采集模块是将红外传感器、光敏传感器以及语音传感器所采集到的信息上传到中央控制系统；中央控制系统设计模块是识别出所采集到的传感信息，包括简单的语音识别、红外信息等。并通过一定的算法，选择出复合当时场景的歌曲；无线音响传输模块是通过在音响上配上Wi-Fi模块，用来接收中央控制系统传送的歌曲信息，从而将其播放出来；用户分享交流网站的设计模块用来供给用户下载自己喜爱的歌曲，与其它用户分享以及评论留言等。
系统的结构图如下图所示：
2.2数据采集模块的设计
数据采集模块主要分为红外采集、光感采集以及语音采集这3个模块。
红外传感器的主要功能是在门两侧安装一对红外传感器，其将采集到是否有人进入房间，并将这种信息传送到中央控制系统，后者进行进一步的处理。红外传感器是ht-m系列对射栅栏传感器，实现原理即是门两端的电压差值正常情况下维持在5V，如果人从门间穿过，则传感器放射的红外线受阻，两端的电压也回随之变化，此时需要将信息通过Wi-Fi发射出去。这时，电脑端安装的数据采集器会根据预先定义好的协议（比如本系统中，没有人进入时为0，有人进入时为1），将该模拟信号转换成数字信号，并传给中央控制系统，从而完成了红外信号的采集。[2]
光敏传感器内装有一个高精度的光电管，当向光电管两端施加一个反向的固定压时，任何光了对它的冲击都将导致其释放出电子，结果是，当光照强度越高，光电管的电流也就越大，电流通过一个电阻时，电阻两端的电压被转换成可被采集器的数模转换器接受的0-5V电压，然后采集以适当的形式把结果保存下来，简单的说，光敏传感器就是利用光敏电阻受光线强度影响而阻值发生变化的原理向机器人主机发送光线强度的模拟信号。我们也是通过数据采集器将光感传感器传输的信息按照预定义的协议（例如本系统中通过将电压值分为5个等级，分别用数字1-5来表示，进而表示出不同的光强度值）传给中央控制系统，后者将信息进行处理，从而完成对光感信息的采集。
语音信息采集子系统包括语音采集模块和语音编码模块。语音采集模块实现对原始语音信息的采集，并通过语音编码模块实现高保真的语音压缩，形成可传输的数据信息。数据信息则通过传感器节点的通信子系统以多跳形式汇聚给Sink节点，其中传输方式及路径选择将由分析决策系统控制。同时，在事件密集发生过程中，可通过本地存储模块对后续语音进程进行缓存，并由分析决策系统控制，实现分时分级多路径传输。在中央控制系统端，采用数据采集器，讲接收到的语音信号传递给电脑，后者利用简单语音识别算法进行对语音的简单识别。例如系统可以识别出“下一曲”、“上一曲”等，并能够进行相应的处理。
2.3中央控制系统的设计
系统的硬件主要包括ARM9处理器，SDRAM存储器，FLASH存储器，GPRS模块等。软件系统主要支持各种网络协议的Linux作为操作系统，C语言作为主要的开发语言，结合控制系统的实际功能需求完成通过网关接口CGI程序、控制器需要多个设备驱动程序。主要实现以下几个功能：对设备的初始化和释放，把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据，读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据，检测和处理设备出现的错误。在家中安装的光敏传感器、温度传感器、红外线传感器等，用来探查室内的环境变化以播放出相应的音乐，因为传感器的采集的信号形式不同，所以需要对的信号进行有效处理，再将其以中断的方式传入CPU，对此做出相应的处理，然后传出控制信号。
2.4无线音响传输模块设计
无线音响传输模块主要功能就是实现中央控制系统通过Wi-Fi将要播放的歌曲将数字信号转换成模拟信号，进行传输。同时在接收端，无线音响上装有一个Wi-Fi模块，进行接传输的模拟信号，并通过嵌入在音响上的AD转换器转换成数字信号，从而进行播放。
2.5用户分享交流平台的设计
用户分享交流的平台即与我们系统配套的一个网站，主要分为用户个人管理模块和歌曲分享评论模块。网页采用PHP编写，服务器端采用WAMP集成平台。在用户管理模块中，包含用户注册，登陆，查看自己收藏歌曲，自己分享歌曲，以及修改个人信息等功能。歌曲分享评论模块即包含系统预先设定的各种类别（本系统歌曲类别为安逸，催眠，火爆，激励，欢快，悲伤）的歌曲，并包含简单的查找功能，同时用户可以分享属于自己的歌曲，也可以对歌曲进行评论，方便了用户之间的分享与交流。
服务器端采用WAMP集成环境，数据库中主要包含用户（user）和歌曲（music）两个表。Web端与服务器端数据的交流是采用HTTP方式，直接通过网站URL进行交流。页面与页面之间的导航通过在网页的url地址后面加上“？+变量名=变量值”来进行传递，然后利用系统数组GET来进行提取。
3关键的实现技术
3.1语音的简单识别算法
语音识别技术是将人类的语音中的词汇内容转换为计算机可读的输入，然后由计算机做出一定的处理，由于该系统只需要识别用户说出的一些基本词汇，比如像上一曲、下一曲、更换背景音乐模式等，因此语音识别技术主要采取模板匹配方法。该方法主要有四个步骤：特征提取、模板训练、模板分类、判决。主要利用矢量量化技术，思想是将语音信号波形的每k样点作为一帧，构成k维空间中的一个矢量，然后对矢量进行量化。量化时，将k维无限空间划分为M个区域边界，然后将输入矢量与这些边界进行比较，并被量化为“距离”最小的区域边界的中心矢量值。因为如果一个码书是为某一特定的信源而优化设计的，那么由这一信息源产生的信号与该码书的平均量化失真就应小于其他信息的信号与该码书的平均量化失真，也就是说编码器本身存在区分能力。[3]
3.2射频识别技术
射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象来获取相关数据。相对于传统的磁卡及IC卡技术具有非接触、阅读速度快、无磨损等特点一套完整的RFID系统，主要由阅读器与电子标签及应用软件系统三个部份组成，阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。
4结束语
本系统的开发充分利用了开源操作系统Linux所提供的API，以及高效的编程语言C语言来开发，不仅适应了嵌入式系统的软硬件资源受限的特点，而且使得程序的运行速度有所提高。但是本系统的实现方面还有待完善，由于所学专业受限，试验中的硬件以及驱动程序都是购买或者定制的，我们实现的主要就是中央控制系统的算法，与传感器的通信协议设计，网站的设计等。目前该系统以能够成功的运行，并已经进行了简单的部署。今后的工作还将进一步深入，主要是能够利用手机来智能遥感音乐的播放，更加完善系统，完善数据库的设计，增加传感器的采，进行更加精准的播放最适合用户心意的歌曲。
参考文献：
[1]张志东、孙雨耕，基于无线传感器网络的语音通信系统设计与实现，2008，07.
[2]吴华、谢礼莹、徐泽宇，基于ARM9的红外热像仪设计与实现，2012，8.
[3]郭秋平、项杰，基于嵌入式系统的CVSD语音编码器的实现[J].计算机工程，2006，4.
[4]孙瑜、范平志，射频识别技术及其在室内定位中的应用，西南交通大学移动通信研究所，2010，8.
[5]RichardStevensW、StephenARago，UNIX环境高级编程[M].北京：人民邮电出版社，2006.（注：本文版权归作者本人和硅谷杂志所有，禁止他人未经授权转载） |
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