CN101500323A - 基于ZigBee协议的短距离无线语音通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ZigBee协议的短距离无线语音通信方法，包括以下步骤：信号发送：语音处理单元一采集语音模拟信号并经A/D转换后，传至微处理单元一依次进行压缩、时间排序、存储并打包成适合ZigBee网络传输的数据包；信号传输：射频收发单元一将需发送数据包经调制后，通过ZigBee网络传至接收端；信号接收：射频收发单元二接收数据包并进行解调后，送至微处理单元二相应依次进行解包、存储、再时间排序和解压后，传至语音处理单元二进行D/A转换和滤波并还原成语音模拟信号。本发明组网灵活、移动轻便、使用范围小、成本低且功耗低，能实现短距离集群网内一点对多点广播以及点对点呼叫的低功耗移动语音通信功能。

Description

基于ZigBee协议的短距离无线语音通信方法

技术领域

本发明涉及无线语音通信技术领域，尤其是涉及一种基于ZigBee协议的短距离无线语音通信方法。

背景技术

无线语音通信技术已经有很多年的发展历史了，从450MHz的对讲机到家用2.4GHz数字无绳电话再到手机，无线语音通信无处不在，近年来WiFi无线语音通信(VoIP)、模拟语音通信、微波语音通迅、卫星语音通信等通信技术发展迅速，并且各有特点。以下就上述几种主要无线通信技术的特点作以简要说明：

首先，就对讲机而言，其具有频率低、功率大、半双工通信等特点，因而在一对一和一对多的定向专项通信中，具有建立通信迅速的特点。

数字无绳电话工作频率为2.4GHz，为家庭子母机电话设计的短距离通信方式，需要一个主机和一个子机，通信时一对一建立话路通道，功耗较小但不是微功耗通信设备，使用范围仅限于家庭内部使用，话音清晰、占用带宽宽。

手机使用最频繁，其工作范围最大(可以移动漫游)、工作原理复杂、建立联络困难，但使用已有的网络进行通信不能点对点建立连接，需要向运营商付费。

WiFi语音通信需要有VoIP的支持，是一种无线Internet网上的一种无线通信方式，功耗大、工作原理复杂，并且话音质量由于受到网络状况的不同也存在相应差异。

而模拟语音通信和微波通信方式，则具有语音音质好、功耗大且加密差的特点。

卫星通信方式由于需要卫星支持，因而需要付费、运营成本高，但是其工作状态不受网络和天气的影响。

综上所述，以上几种语音通信方式，各有优点且各自有其对应的应用场景；同时，上述各无线通信方式也都存在着成本高、功耗大、组网不灵活、加密差等缺点。

现有的以微处理器和射频收发器为核心，并辅以外围滤波、放大电路等实现的语音通信系统，在环境比较恶劣，温度、噪声和电磁等因素随时变化的情况下，具有实时性差、灵敏度小、延迟大等缺陷。另外，现有语音通信技术功耗都比较大，其通话功耗大多都超过0.5W。

无线网络中的各网络节点要进行相互的数据交流，就要有相应的无线网络协议(包括MAC层、路由、网络层、应用层等)，传统的无线协议很难适应低花费、低能量、高容错性等要求，这种情况下，ZigBee协议应运而生。ZigBee的基础是IEEE 802.15，但IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此ZigBee联盟扩展了IEEE，对其网络层协议和API进行了标准化。ZigBee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗的无线网络技术，其主要用于近距离无线连接，有自己的协议标准，在数千个微小的装置之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。ZigBee网络在2.4GHz频段有16个信道，能够提供250Kbps的传输速率，目前被视为替代有线监测和控制领域最有前景的技术之一。

综上，ZigBee是一个由多到65000个无线数传模块组成的无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个ZigBee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；另外整个ZigBee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。通常，符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用ZigBee技术做无线传输：需要数据采集或监控的网点多；要求传输的数据量不大，而要求设备成本低；要求数据传输可性高，安全性高；设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；电池供电；地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖；现有移动网络的覆盖盲区；使用现存移动网络进行低数据量传输的系统。

但是ZigBee技术是为小容量数据业务设计的无线通信技术，ZigBee技术为包传输方式不能进行语音通信，并且现有ZigBee技术的带宽小、延时大且网络数据稳定性差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于ZigBee协议的短距离无线语音通信方法，其所用设备结构简单、组网灵活、移动轻便、使用范围小、成本低且功耗低，能实现短距离集群网内一点对多点广播以及点对点呼叫的低功耗移动语音通信功能。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于ZigBee协议的短距离无线语音通信方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、信号发送：发射端的语音处理单元一采集语音模拟信号且相应将所采集信号经A/D转换后，传至微处理单元一依次进行压缩、时间排序和存储并打包成适合ZigBee网络传输的数据包，再送至射频收发单元一；

步骤二、信号传输：射频收发单元一将需发送的数据包经RF调制后，通过ZigBee路由进行发送且通过ZigBee网络传至接收端；

步骤三、信号接收：接收端的射频收发单元二经ZigBee路由接收自发射端传来的数据包并相应进行解调后，再送至接收端的微处理单元二；微处理单元二将接收的数据包相应依次进行解包、存储、再时间排序和解压后，传至语音处理单元二进行D/A转换和滤波并还原成语音模拟信号。

步骤一中所述的语音处理单元一将其所采集信号经A/D转换后，转换成位宽为13位的数字语音信号一；微处理单元一接收到所述位宽为13位的数字语音信号一后，先通过a律编码转换成位宽为8位的数字语音信号一，再依次进行压缩、时间排序、存储和打包；所述位宽为8位的数字语音信号一的分辨率为13位；

步骤三中所述的微处理单元二先将所接收的数据包依次进行解包、存储、再时间排序和解压后，转换成位宽为8位的数字语音信号二；再由微处理单元二通过u律压扩，将所述位宽为8位的数字语音信号二还原为位宽为13位的数字语音信号二；之后，微处理单元二将所述位宽为13位的数字语音信号二传至语音处理单元二。

步骤一中所述微处理单元一的压缩方式为G.729语音编码压缩方式；步骤三中所述微处理单元二的解压方式相应为G.729语音解压方式。

步骤一中所述的语音处理单元一、微处理单元一和射频收发单元一依次连接组成一个手持通信终端的信号发射回路；

步骤二和步骤三中所述的射频收发单元二、微处理单元二和语音处理单元二依次连接组成一个手持通信终端的信号接收回路。

所述一个手持通信终端的信号发射回路和信号接收回路共用同一个语音处理单元、同一个微处理单元和同一个射频收发单元，所述语音处理单元、微处理单元和射频收发单元依次相接。

步骤一中所述的语音处理单元一和步骤三中所述的语音处理单元二均为voice codec芯片TLV320AIC12；步骤一中所述的微处理单元一和步骤二中所述的微处理单元二均为芯片MSP430。

步骤二中所述的射频收发单元一和射频收发单元二均为基于ZigBee协议的CC2420芯片。

所述微处理单元一和微处理单元二为芯片MSP430F247TPM。

步骤二中所述的ZigBee网络为MAC层采用CSMA/CA接入算法的ZigBee网络。

本发明与现有技术相比具有以下优点：1、设计构思新颖，信号发射端和接收端之间的中间网络数据传输通过ZigBee协议完成。同时，本发明充分利用了ZigBee技术的低速率、低功耗、低成本、自配置和灵活的网络拓扑结构等显著特点，采用了有16个速率为250Kbps信道的2.4GHz免执照频段。在工作模式下，由于ZigBee技术的传输速率低，传输数据量小，设备的搜索、休眠激活以及信道接入等时延都很短，使得ZigBee节点非常省电。另外，ZigBee的MAC层采用了CSMA/CA接入算法，支持确认的数据传输模式，从而可以建立起可靠的数据通信模式。2、组网灵活、使用操作简便，基于本发明的短距离无线语音通信终端设备支持的数据传输率高达250Kbps，可以实现多点对多点的快速组网。通信时，每人携带一个终端设备，它就是ZigBee网络中的一个节点；通信过程中，选择其中一个节点作为后方的主控节点，主控节点与一般节点一对一或一对多进行语音通信，单个一般节点之间不能进行通信，只能与主控节点进行一对一通信。因而通过ZigBee网络，主控中心就可以实时了解每个人员的特征信息，从而对他们发出合理的指令。一般相近两个ZigBee节点间的通信距离在10-100m以内，但通过相邻节点的接续通信传输，建立起ZigBee网络设备的多跳通信链路，还可使实际通信距离大幅度增加。3、本发明在MCU(即微处理器)和RF收发器(即射频收发单元)的基础上，加入集成有运算放大器、功率放大器和滤波器的音频编解码器(即语音处理单元，具体为一种低功耗voice codec芯片)，其目的在于在小范围集群系统中提供一种灵活、实时、可靠的语音通信解决方案，通过ZigBee网络，可以得到清晰流畅的语音信号。4、本发明真正解决了现有小范围自组网系统的语音通信难题，本发明所用无线语音通信设备的功耗<150MW且成本<8＄，因而能够实现无运营成本的短距离无线语音通信，则完全可以实现广播呼叫和点对点呼叫语音通信功能；同时利用ZigBee网络可以路由的特点，可以实现通信距离的扩展，因而满足小集群系统的语音通信的要求。综上所述，本发明有效解决了ZigBee网络的语音承载问题，特别是小带宽下的语音承载问题，本发明不仅功耗低，而且带宽大、延时小且网络数据稳定性强。综上所述，本发明所用设备结构简单、组网灵活、移动轻便、使用范围小、成本低且功耗低，能实现短距离集群网内一点对多点广播以及点对点呼叫的低功耗移动语音通信功能。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明所用手持发射终端信号发射回路的电路框图。

图2为本发明所用手持接收终端信号接收回路的电路框图。

图3为本发明所用手持接收终端的电路框图。

图4为本发明的流程框图。

附图标记说明：

1-语音处理单元；     1-1一语音处理单元一；   1-2—语音处理单元二；

2—语音处理单元二；  2-1—微处理单元一；     2-2—微处理单元二；

3—射频收发单元；    3-1—射频收发单元一；   3-2—射频收发单元二；

4—电源单元；        5—电平转换单元。

具体实施方式

如图1、图2及图4所示，本发明所述的基于ZigBee协议的短距离无线语音通信方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、信号发送：发射端的语音处理单元1-1采集语音模拟信号且相应将所采集信号经A/D转换后，传至微处理单元一2-1依次进行压缩、时间排序和存储并打包成适合ZigBee网络传输的数据包，再送至射频收发单元一3-1。所述语音处理单元一1-1、微处理单元一2-1和射频收发单元一3-1依次连接组成一个手持通信终端的信号发射回路。

本实施例中，所述语音处理单元一1-1将其所采集信号经A/D转换后，转换成位宽为13位的数字语音信号一。所述微处理单元一2-1接收到所述位宽为13位的数字语音信号一后，先通过a律编码转换成位宽为8位的数字语音信号一，再依次进行压缩、时间排序、存储和打包；所述位宽为8位的数字语音信号一的分辨率为13位。

所述语音处理单元一1-1为voice codec(音频编码解码)芯片TLV320AIC12，微处理单元一2-1为芯片MSP430，射频收发单元一3-1为基于ZigBee协议的CC2420芯片。本实施例中，微处理单元一2-1为芯片MSP430F247TPM。另外，所述微处理单元一2-1的压缩方式为G.729语音编码压缩方式。

步骤二、信号传输：射频收发单元一3-1将需发送的数据包经RF调制后，通过ZigBee路由进行发送且通过ZigBee网络传至接收端。并且，所述ZigBee网络为MAC层采用CSMA/CA接入算法的ZigBee网络。

步骤三、信号接收：接收端的射频收发单元二3-2经ZigBee路由接收自发射端传来的数据包并相应进行解调后，再送至接收端的微处理单元二2-2；微处理单元二2-2将接收的数据包相应依次进行解包、存储、再时间排序和解压后，传至语音处理单元二1-2进行D/A转换和滤波并还原成语音模拟信号。所述射频收发单元二3-2、微处理单元二2-2和语音处理单元二1-2依次连接组成一个手持通信终端的信号接收回路。

所述微处理单元二2-2先将所接收的数据包依次进行解包、存储、再时间排序和解压后，转换成位宽为8位的数字语音信号二；再由微处理单元二2-2通过u律压扩，将所述位宽为8位的数字语音信号二还原为位宽为13位的数字语音信号二；之后，微处理单元二2-2将所述位宽为13位的数字语音信号二传至语音处理单元二1-2。

所述射频收发单元二3-2为基于ZigBee协议的CC2420芯片，微处理单元二2-2为芯片MSP430，语音处理单元二1-2为voice codec(音频编码解码)芯片TLV320AIC12。本实施例中，微处理单元二2-2为芯片MSP430F247TPM。另外，所述微处理单元二2-2的解压方式相应为G.729语音解压方式。

如图3所示，所述一个手持通信终端的信号发射回路和信号接收回路共用同一个语音处理单元1、同一个微处理单元2和同一个射频收发单元3，所述语音处理单元1、微处理单元2和射频收发单元3依次相接。其中，语音处理单元1完成A/D转换、D/A转换以及滤波功能；微处理单元2完成数据压缩、排序、存储、打包以及解包、再排序和解压功能；射频收发单元3完成信号发射、接收以及调制、解调功能；电平转换单元5完成RS232串口数据转ZigBee信号的功能；电源单元4提供所述手持通信终端各用电单元所需要的电源。所述电平转换单元5与微处理单元2相接。并且，本实施例中，所述语音处理单元1为voice codec芯片TLV320AIC12，微处理单元2为芯片MSP430F247TPM，射频收发单元3基于ZigBee协议的CC2420芯片。实际使用时非常方便，使用者只需采用一个手持通信终端即可如手机一样，实现基于ZigBee协议的短距离无线双向语音通信。所述射频收发单元3为RF(Radio Frequency)收发器。

本发明所用手持通信终端的工作过程是：首先，信号发送方(即发射端)通过语音处理单元一1-1即送话器对需发送的语音模拟信号进行采样和量化，同时把将量化后的数据送到微处理器单元2-1进行处理。所述微处理单元一2-1接收到语音处理单元一1-1发送的位宽为13位的数字语音信号一后，先通过a律编码转换成位宽为8位的数字语音信号一，再依次进行压缩、时间排序、存储和打包；并且所述位宽为8位的数字语音信号一的分辨率为13位，因而充分利用了人对语音信号在小音量敏感、大音量不敏感的特点。微处理单元一2-1在对语音信号进行压缩之前，语音数据以64Kbps速率进行传输，通过微处理单元一2-1以G.729语音编码压缩方式对所传输的语音数据进行编码压缩后，变成传输速率为8Kbps的语音信号。但是，由于经压缩后的语音算法无法在ZigBee网络中进行传输，因为ZigBee网络的传输延时具有不确定性，其不是时隙传输，而是包传输；因而微处理单元一2-1在数据传输之前，必须根据实际数据包的大小进行合理打包；打包之前，需将每一包中的数据格式进行改进，具体是进行时间排序，使包中含有时间顺序信息。之后，微处理单元一2-1再将处理得到的数据包传至射频收发单元一3-1，所述射频收发单元一3-1支持数据传输率高达250Kbps，因而可以实现多点对多点的快速组网。

信号接收方(即接收端)通过射频收发单元二3-2接收自发射端所发送的信号即数据包并进行相应解调后，送至微处理单元二2-2进行处理；微处理单元二2-2收到包数据后，先把数据包暂时存储在缓冲区内，一般缓冲区内部可以容纳很多包的数据，再进行解包，然后根据包顺序号，重新排列数据，这样就可以完成网络中传输实时数据的需要了，因而本发明是通过牺牲缓冲区和一小段延时时间来完成语音数据的实时传输的。同时，由于收到的数据是压缩后的语音数据格式，需要用以G.729解压方式进行解压，完成语音数据恢复，解压过程是由MCU软件完成的。综上，微处理单元二2-2将所接收的数据包依次进行解包、存储、再时间排序和解压后，转换成位宽为8位的数字语音信号二；再由微处理单元二2-2通过u律压扩，将所述位宽为8位的数字语音信号二还原为位宽为13位的数字语音信号二；之后，微处理单元二将所述位宽为13位的数字语音信号二传至语音处理单元二1-2，供语音处理单元二1-2使用。所述语音处理单元二1-2将所传入数据通过D/A转换和滤波后，还原成语音模拟信号并通过受话器送到用户那里，这样就完成了ZigBee语音的整个传输过程。

综上所述，由于语音信号是连续的电信号，在发射端模拟语音信号先经过A/D采样以及量化，转变成数字量。另外，由于语音信号数据具有顺序性、实时性、数据量大的特点，因而其无法在ZigBee网络中进行传输，因而在传输之前，必须先进行压缩和排序，再进行存储和打包(符合ZigBee协议的数据包)，然后通过RF调制和ZigBee路由在ZigBee网络中进行传输。相应地，当接收端接收数据时，先进行解调、再进行解包和存储以及再排序和解压，最后再通过D/A转换和滤波电路还原成声音。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于ZigBee协议的短距离无线语音通信方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、信号发送：发射端的语音处理单元(1-1)采集语音模拟信号且相应将所采集信号经A/D转换后，传至微处理单元一(2-1)依次进行压缩、时间排序和存储并打包成适合ZigBee网络传输的数据包，再送至射频收发单元一(3-1)；

步骤二、信号传输：射频收发单元一(3-1)将需发送的数据包经RF调制后，通过ZigBee路由进行发送且通过ZigBee网络传至接收端；

步骤三、信号接收：接收端的射频收发单元二(3-2)经ZigBee路由接收自发射端传来的数据包并相应进行解调后，再送至接收端的微处理单元二(2-2)；微处理单元二(2-2)将接收的数据包相应依次进行解包、存储、再时间排序和解压后，传至语音处理单元二(1-2)进行D/A转换和滤波并还原成语音模拟信号。

2.按照权利要求1所述的基于ZigBee协议的短距离无线语音通信方法，其特征在于：步骤一中所述的语音处理单元一(1-1)将其所采集信号经A/D转换后，转换成位宽为13位的数字语音信号一；微处理单元一(2-1)接收到所述位宽为13位的数字语音信号一后，先通过a律编码转换成位宽为8位的数字语音信号一，再依次进行压缩、时间排序、存储和打包；所述位宽为8位的数字语音信号一的分辨率为13位；

步骤三中所述的微处理单元二(2-2)先将所接收的数据包依次进行解包、存储、再时间排序和解压后，转换成位宽为8位的数字语音信号二；再由微处理单元二(2-2)通过u律压扩，将所述位宽为8位的数字语音信号二还原为位宽为13位的数字语音信号二；之后，微处理单元二(2-2)将所述位宽为13位的数字语音信号二传至语音处理单元二(1-2)。

3.按照权利要求2所述的基于ZigBee协议的短距离无线语音通信方法，其特征在于：步骤一中所述微处理单元一(2-1)的压缩方式为G.729语音编码压缩方式；步骤三中所述微处理单元二(2-2)的解压方式相应为G.729语音解压方式。

4.按照权利要求1、2或3所述的基于ZigBee协议的短距离无线语音通信方法，其特征在于：步骤一中所述的语音处理单元一(1-1)、微处理单元一(2-1)和射频收发单元一(3-1)依次连接组成一个手持通信终端的信号发射回路；

步骤二和步骤三中所述的射频收发单元二(3-2)、微处理单元二(2-2)和语音处理单元二(1-2)依次连接组成一个手持通信终端的信号接收回路。

5.按照权利要求4所述的基于ZigBee协议的短距离无线语音通信方法，其特征在于：所述一个手持通信终端的信号发射回路和信号接收回路共用同一个语音处理单元(1)、同一个微处理单元(2)和同一个射频收发单元(3)，所述语音处理单元(1)、微处理单元(2)和射频收发单元(3)依次相接。

6.按照权利要求1、2或3所述的基于ZigBee协议的短距离无线语音通信方法，其特征在于：步骤一中所述的语音处理单元一(1-1)和步骤三中所述的语音处理单元二(1-2)均为voice codec芯片TLV320AIC12；步骤一中所述的微处理单元一(2-1)和步骤二中所述的微处理单元二(2-2)均为芯片MSP430。

7.按照权利要求1、2或3所述的基于ZigBee协议的短距离无线语音通信方法，其特征在于：步骤二中所述的ZigBee网络为MAC层采用CSMA/CA接入算法的ZigBee网络。

8.按照权利要求6所述的基于ZigBee协议的短距离无线语音通信方法，其特征在于：步骤二中所述的射频收发单元一(3-1)和射频收发单元二(3-2)均为基于ZigBee协议的CC2420芯片。

9.按照权利要求8所述的基于ZigBee协议的短距离无线语音通信方法，其特征在于：所述微处理单元一(2-1)和微处理单元二(2-2)为芯片MSP430F247TPM。

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