在農(nóng)作物除害方面直接利用有害動(dòng)物天敵的叫聲或其受到捕捉時(shí)發(fā)出的慘叫聲對(duì)農(nóng)作物有害動(dòng)物進(jìn)行驅(qū)趕（以下簡(jiǎn)稱聲防），能避免投放化學(xué)藥物對(duì)水土環(huán)境造成污染和可能對(duì)人畜的誤傷，且相對(duì)于超聲波驅(qū)趕、噴水恐嚇等其他驅(qū)趕手段更易于實(shí)現(xiàn)，驅(qū)趕效果更好。國內(nèi)現(xiàn)有的商品化聲防裝置普遍存在控制模式簡(jiǎn)單、聲防音質(zhì)不好、存儲(chǔ)器容量小、聲防音頻文件不便于升級(jí)擴(kuò)展等缺點(diǎn)。應(yīng)用嵌入式技術(shù)改進(jìn)和提高聲防裝置多方面性能已成為聲防技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)之一?，F(xiàn)提出一種農(nóng)業(yè)有害動(dòng)物智能聲防系統(tǒng)，在其音頻控制子系統(tǒng)的構(gòu)建上采用兩種設(shè)計(jì)方案。

嵌入式是一種專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，作為裝置或設(shè)備的一部分。通常，嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)控制程序存儲(chǔ)在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實(shí)上，所有帶有數(shù)字接口的設(shè)備，如手表、微波爐、錄像機(jī)、汽車等，都使用嵌入式系統(tǒng)，有些嵌入式系統(tǒng)還包含操作系統(tǒng)，但大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是是由單個(gè)程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)控制邏輯。嵌入式技術(shù)執(zhí)行專用功能并被內(nèi)部計(jì)算機(jī)控制的設(shè)備或者系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)不能使用通用型計(jì)算機(jī)，而且運(yùn)行的是固化的軟件，用術(shù)語表示就是固件（firmware），終端用戶很難或者不可能改變固件。

1 智能聲防系統(tǒng)原理

如圖1所示，智能聲防系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為3層，底層是帶有熱釋電傳感器的探測(cè)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)探測(cè)有害動(dòng)物在農(nóng)田中出沒的位置；中間層為執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)、播放聲防音頻文件；上層是總控制器，負(fù)責(zé)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。系統(tǒng)的各層之間以無線方式進(jìn)行通信?？偪刂破鞫〞r(shí)采集環(huán)境信息（如溫度、光照），結(jié)合農(nóng)田地理位置、作物種類等信息，并通過查詢內(nèi)部數(shù)據(jù)庫，以當(dāng)時(shí)最有可能出沒的2種有害動(dòng)物作為聲防目標(biāo)，然后定時(shí)發(fā)送給執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)。執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)有觸發(fā)、隨機(jī)2種工作模式。觸發(fā)模式下，探測(cè)節(jié)點(diǎn)探測(cè)到有害動(dòng)物后，向相距最近的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)發(fā)出命令。執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)根據(jù)最近更新的聲防目標(biāo)播放對(duì)應(yīng)的音頻文件。

執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)由無線通信模塊、音頻控制子系統(tǒng)、揚(yáng)聲器以及供電模塊等組成。除音頻控制子系統(tǒng)外，其他功能模塊均采用成熟產(chǎn)品。

執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的主要功能由音頻控制子系統(tǒng)完成，按實(shí)現(xiàn)功能考慮，其應(yīng)包括大容量高保真數(shù)字音頻信號(hào)存儲(chǔ)、解碼輸出及多種播放模式選控等。為達(dá)到高保真的音質(zhì)要求，聲防音頻信號(hào)的采樣率選為44 kHz,采樣位數(shù)確定為16 bit,其存儲(chǔ)格式采用能較好兼顧壓縮比和音質(zhì)的MP3格式；為方便聲防音頻文件的升級(jí)，存儲(chǔ)器選用了方便熱插拔的SD卡或U盤。

2 方案1的構(gòu)建及實(shí)現(xiàn)

2.1 方案1的硬件構(gòu)成及實(shí)現(xiàn)

音頻控制子系統(tǒng)的"單片機(jī)+硬件解碼"構(gòu)建與使用單獨(dú)的硬件解碼芯片配合其他控制芯片相比，SoC芯片在電路結(jié)構(gòu)和開發(fā)成本上均有較大優(yōu)勢(shì)。AT89C51SND1是MP3解碼應(yīng)用中使用最多的SoC芯片之一。它實(shí)質(zhì)上是一款集成了DSP硬件解碼器的C51單片機(jī)，提供有USB DEVICE、SPI等設(shè)備接口，且有54個(gè)I/O口供用戶使用?；贏T89C51SND1構(gòu)成音頻控制子系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)見圖2.

由圖2可見，AT89C51SND1通過RS-232串口與無線通信模塊相連，采用自定義協(xié)議與其進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)與探測(cè)節(jié)點(diǎn)、總控制器之間的無線通信。因AT89C51SND1沒有集成USB HOST接口，故選擇USB接口芯片CH375讀寫U盤。而實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，CH375不能識(shí)別有些廠家生產(chǎn)的U盤。故為確保存儲(chǔ)的可靠性，選用SD卡作存儲(chǔ)介質(zhì)。SD卡的讀寫分為SD和SPI方式，而AT89C51SND1只提供MMC接口，無法兼容SD方式，故采用SPI方式讀寫SD卡。AT89C51SND1上集成了音頻輸出接口，可將解碼后的音頻數(shù)據(jù)以PCM格式或I2S格式輸出到后級(jí)的低功耗音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片PCM1770.AT89C51SND1通過USB DEVICE接口作為USB從設(shè)備與計(jì)算機(jī)相連，用于燒寫應(yīng)用程序。AT89C51SND1還可通過I/O口與點(diǎn)陣式LCD相連，以輸出相關(guān)信息。

2.2 方案1的軟件設(shè)計(jì)

圖3是音頻控制子系統(tǒng)構(gòu)建方案1的軟件流程。上電后，音頻控制子系統(tǒng)先完成各種外圍設(shè)備（包括SD卡、DAC芯片以及LCD等）的檢測(cè)和初始化，隨后進(jìn)入工作循環(huán)。首先對(duì)工作模式變量進(jìn)行判斷，若是觸發(fā)模式，則返回重做判斷；若為隨機(jī)模式，則調(diào)用隨機(jī)數(shù)生成子程序，隨機(jī)生成一個(gè)等待時(shí)間并延時(shí)等待，然后從存儲(chǔ)器中讀取聲防目標(biāo)變量指定的音頻文件并解碼播放。在整個(gè)工作循環(huán)過程中，音頻控制子系統(tǒng)開放串口中斷。當(dāng)串口接收到來自無線通信模塊的信息時(shí)，即產(chǎn)生串口中斷。

音頻控制子系統(tǒng)構(gòu)建方案1的軟件，從功能上主要分為隨機(jī)數(shù)生成、SD卡驅(qū)動(dòng)、FAT文件管理、串口通信以及解碼控制等5部分。

隨機(jī)數(shù)生成子程序通過調(diào)用庫函數(shù)rand（），在間隔時(shí)間變量確定的范圍內(nèi)生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)并執(zhí)行延時(shí)。

SD卡驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)在SPI方式下以扇區(qū)（512 B）為單位對(duì)SD卡上數(shù)據(jù)的讀寫。

由于存儲(chǔ)器上一般使用FAT文件格式存放和管理文件，F(xiàn)AT文件管理子程序可實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器上文件目錄、數(shù)據(jù)存放位置的管理，以及在SD卡驅(qū)動(dòng)下讀取指定文件的數(shù)據(jù)。

串口通信子程序?qū)崿F(xiàn)串口初始化和以字節(jié)為單位的數(shù)據(jù)收發(fā)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)以幀為單位且?guī)в袛?shù)據(jù)校驗(yàn)的串口通信。

解碼控制子程序是音頻控制子系統(tǒng)軟件的重要部分，由于單片機(jī)上集成了MP3硬件解碼器，用戶無需關(guān)心解碼的具體過程，只要設(shè)置好解碼器參數(shù)并及時(shí)將數(shù)據(jù)送入解碼緩沖區(qū)即可。MP3音頻文件內(nèi)容分3部分，首、尾2部分用于記錄音頻文件名稱、制作者等信息；中間部分以幀為單位存放壓縮音頻數(shù)據(jù)，幀頭中包含有音頻文件的文件類型、采樣率、比特率、聲道數(shù)等信息。在播放指定的MP3音頻文件時(shí)，單片機(jī)先通過FAT文件管理子程序讀取指定文件一個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)，并以此設(shè)置好硬件解碼器相關(guān)參數(shù)；然后，將音頻數(shù)據(jù)依次寫入解碼器緩沖區(qū)，解碼器自動(dòng)對(duì)MP3數(shù)據(jù)解碼，并將解碼后的數(shù)據(jù)送入DAC.為實(shí)現(xiàn)連續(xù)播放，解碼控制子程序需要保證在解碼數(shù)據(jù)緩沖區(qū)空閑時(shí)及時(shí)寫入待解碼的數(shù)據(jù)。

3 方案2的構(gòu)建及實(shí)現(xiàn)

3.1 方案二的硬件結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

方案2為音頻控制子系統(tǒng)的"ARM微處理器+軟件解碼"構(gòu)建，該方案的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。ARM微處理器選用了三星公司生產(chǎn)的S3C2440芯片，并擴(kuò)展了64 MB FLASH,用于存儲(chǔ)引導(dǎo)程序和操作系統(tǒng)內(nèi)核等，同時(shí)，還擴(kuò)展了64 MB SDRAM作為程序的運(yùn)行空間。S3C2440基于ARM920T內(nèi)核，工作頻率達(dá)400 MHz,集成有SD、USB Host、LCD、音頻、視頻等豐富的外設(shè)接口，并提供有130個(gè)I/O口，是一款高性能、低功耗微處理器芯片[3].無線通信模塊通過RS-232串口與微處理器相連。由于S3C2440上的USB HOST接口只支持USB1.1協(xié)議，考慮到兼容性，該方案中仍選擇SD卡作為存儲(chǔ)器，并以SD方式對(duì)其進(jìn)行讀寫。S3C2440集成有LCD和觸摸屏控制器，可根據(jù)需要選擇相應(yīng)的人機(jī)交互設(shè)備，例如點(diǎn)陣式LCD.S3C2440通過I2S音頻接口與具有A/D和D/A功能的低功耗音頻處理芯片UDA1341相連，實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的采集和輸出。該系統(tǒng)經(jīng)以太網(wǎng)控制芯片DM9000A接入以太網(wǎng)，用于與微機(jī)相連進(jìn)行開發(fā)調(diào)試。為提高系統(tǒng)硬件的電磁兼容性能及可擴(kuò)展性，硬件設(shè)計(jì)上采用了核心板+擴(kuò)展板的模塊化結(jié)構(gòu)。

3.2 方案2的軟件設(shè)計(jì)

方案2的軟件結(jié)構(gòu)分為3層，見圖5.軟件開發(fā)平臺(tái)采用了嵌入式Linux操作系統(tǒng)。Linux是一種穩(wěn)定、高效、免費(fèi)的開源操作系統(tǒng)，不僅支持多種體系結(jié)構(gòu)和大量硬件設(shè)備，而且其內(nèi)核可據(jù)實(shí)際需求裁剪。

Linux環(huán)境下，應(yīng)用程序?qū)τ布O(shè)備的訪問，需依靠運(yùn)行在內(nèi)核中的驅(qū)動(dòng)程序作橋梁--軟件底層的驅(qū)動(dòng)層提供了系統(tǒng)中所有硬件設(shè)備的操作接口，包括RS-232串口驅(qū)動(dòng)、SD方式的SD卡驅(qū)動(dòng)、兼容UDA1341音頻芯片的OSS（Open Sound System）音頻驅(qū)動(dòng)及LCD驅(qū)動(dòng)等；且?guī)缀跛序?qū)動(dòng)程序均由Linux直接提供，無需研發(fā)者自己編寫。

軟件的中間層是應(yīng)用程序?qū)?，包括音頻解碼子程序、串口通信子程序、隨機(jī)數(shù)生成子程序等。在嵌入式Linux環(huán)境下，有更豐富的系統(tǒng)函數(shù)和開源軟件作支持，使應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)更容易。例如，其中的MP3解碼子程序采用音頻解碼庫libmad提供的高級(jí)API編寫。libmad是一個(gè)開源的高精度MPEG音頻解碼庫，它支持MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)中Layer I、Layer II和LayerIII（即MP3）格式的音頻解碼，且解碼過程使用定點(diǎn)計(jì)算，非常適合沒有浮點(diǎn)運(yùn)算支持的平臺(tái)（如ARM平臺(tái)）。使用libmad提供的高級(jí)API,很容易實(shí)現(xiàn)MP3數(shù)據(jù)的解碼，其過程只需打開對(duì)應(yīng)的音頻設(shè)備文件，并將SD卡上待解碼的音頻文件映射到內(nèi)存中，然后調(diào)用libmad的解碼函數(shù)即可。在方案1的實(shí)現(xiàn)上，研發(fā)者需自己編程實(shí)現(xiàn)的FAT文件格式處理、音頻參數(shù)提取和設(shè)置、解碼數(shù)據(jù)讀寫控制等功能，在本方案中均是由操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序以及l(fā)ibmad解碼庫中的庫函數(shù)自動(dòng)完成的。

4 兩種實(shí)現(xiàn)方案的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和對(duì)比

按上述兩方案構(gòu)建了實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物有害動(dòng)物智能化聲防系統(tǒng)用的音頻控制子系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，以兩種方案研發(fā)的音頻控制子系統(tǒng)均達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，能準(zhǔn)確、可靠地與無線通信模塊通信，在總控制器控制下實(shí)時(shí)調(diào)整各種工作參數(shù)。由于采用不同的硬件平臺(tái)而構(gòu)建，2種音頻控制子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案在功能、開發(fā)難度以及構(gòu)建成本等方面有所不同。

在功能方面，方案1能對(duì)比特率在192 kb/s及以下的MP3文件做流暢的解碼播放，但播放更高比特率的文件時(shí)，受AT89C51SND1處理速度以及現(xiàn)有程序的數(shù)據(jù)讀寫效率限制，不能保證寫入解碼緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的連續(xù)性，從而導(dǎo)致輸出聲音有間斷。而且由于硬件解碼的限制，不能對(duì)其他格式的音頻文件進(jìn)行解碼播放。方案2由于采用軟件解碼，且所選用微處理器S3C2440的主頻達(dá)400 MHz,理論上只要移植對(duì)應(yīng)的解碼子程序，便可對(duì)任何格式的音頻文件進(jìn)行解碼播放。對(duì)方案2的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，其確實(shí)能對(duì)任意比特率的MP3、WAV格式的音頻文件進(jìn)行解碼播放。而且方案2中，系統(tǒng)完全有能力在完成音頻解碼任務(wù)之同時(shí)，還處理更多復(fù)雜的任務(wù)，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。

在軟件開發(fā)過程中，方案1需要關(guān)注每個(gè)硬件設(shè)備的操作細(xì)節(jié)，其軟件的編程量較大。而方案2由于所選用的Linux操作系統(tǒng)直接提供硬件驅(qū)動(dòng)程序，且也有大量開源軟件資源可供應(yīng)用程序編程所利用，故其軟件的開發(fā)相對(duì)容易。但方案2需移植嵌入式操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺(tái)，包括建立BootLoader引導(dǎo)程序，配置、編譯并移植操作系統(tǒng)內(nèi)核和文件系統(tǒng)等，這與采用向單片機(jī)直接燒寫程序的方案1相比，開發(fā)難度稍大。

數(shù)字化、智能化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢(shì)。為確?？煽啃院托阅茏顑?yōu)，本文利用嵌入式技術(shù)、采用兩種技術(shù)方案研發(fā)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)作物有害動(dòng)物智能化聲防系統(tǒng)中起重要作用的音頻控制子系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，"單片機(jī)+硬件解碼"構(gòu)建方案能基本滿足功能需求，但其系統(tǒng)性能和升級(jí)擴(kuò)展能力受到硬件限制；而"ARM微處理器+軟件解碼"構(gòu)建方案能完全滿足功能需求，而且具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性和可移植性。