有害动物智能声防系统中音频控制子系统的两种方案

在农作物除害方面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。现提出一种农业有害动物智能声防系统，在其音频控制子系统的构建上采用两种设计方案。

嵌入式是一种专用的计算机系统，作为装置或设备的一部分。通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多数嵌入式系统都是是由单个程序实现整个控制逻辑。嵌入式技术执行专用功能并被内部计算机控制的设备或者系统。嵌入式系统不能使用通用型计算机，而且运行的是固化的软件，用术语表示就是固件（firmware），终端用户很难或者不可能改变固件。

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。

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MP3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。

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.

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从设备与计算机相连，用于烧写应用程序。AT89C51SND1还可通过I/O口与点阵式LCD相连，以输出相关信息。

2.2 方案1的软件设计

图3是音频控制子系统构建方案1的软件流程。上电后，音频控制子系统先完成各种外围设备（包括SD卡、DAC芯片以及LCD等）的检测和初始化，随后进入工作循环。首先对工作模式变量进行判断，若是触发模式，则返回重做判断；若为随机模式，则调用随机数生成子程序，随机生成一个等待时间并延时等待，然后从存储器中读取声防目标变量指定的音频文件并解码播放。在整个工作循环过程中，音频控制子系统开放串口中断。当串口接收到来自无线通信模块的信息时，即产生串口中断。

S3C2440芯片，并扩展了64 MB FLASH,用于存储引导程序和操作系统内核等，同时，还扩展了64 MB SDRAM作为程序的运行空间。S3C2440基于ARM920T内核，工作频率达400 MHz,集成有SD、USB Host、LCD、音频、视频等丰富的外设接口，并提供有130个I/O口，是一款高性能、低功耗微处理器芯片[3].无线通信模块通过RS-232串口与微处理器相连。由于S3C2440上的USB HOST接口只支持USB1.1协议，考虑到兼容性，该方案中仍选择SD卡作为存储器，并以SD方式对其进行读写。S3C2440集成有LCD和触摸屏控制器，可根据需要选择相应的人机交互设备，例如点阵式LCD.S3C2440通过I2S音频接口与具有A/D和D/A功能的低功耗音频处理芯片UDA1341相连，实现音频信号的采集和输出。该系统经以太网控制芯片DM9000A接入以太网，用于与微机相连进行开发调试。为提高系统硬件的电磁兼容性能及可扩展性，硬件设计上采用了核心板+扩展板的模块化结构。

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3.2 方案2的软件设计

方案2的软件结构分为3层，见图5.软件开发平台采用了嵌入式Linux操作系统。Linux是一种稳定、高效、免费的开源操作系统，不仅支持多种体系结构和大量硬件设备，而且其内核可据实际需求裁剪。

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