VoIP在楼宇对讲系统应用中的设计

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　　这个方案有个缺陷就是基本上没有视频处理模块！以后我们会使用i.mx系列扩展一个比较完善的VOIP系统

　　1 引言

　　VoIP（Voice over Internet Protocol）技术利用IP网络传输语音数据，降低了语音和数据的通信成本，是语音通信领域中快速崛起的新兴技术本文介绍了一种基于IP的智能小区对讲系统，是国内首次将VoIP技术应用在智能小区领域。该系统由门口机、用户机和管理机构成，之间用以太网相连接。语音信号进行数字化、压缩处理后转换为IP数据包在IP网络上进行传输，是一个全双工的实时语音传输与处理系。文章分别介绍了该系统的硬件结构和软件实现方法。随着科学技术的发展，人们对居住环境的安全性、舒适性、方便性提出了更高的要求，智能化住宅小区建设在我国得到了很快的发展。在很多新建的中高档住宅小区中，宽带直接深入到各家各户，基于IP网络的各种应用开始起步。本文成功研制了基于IP的智能小区对讲系统，是国内首次将VoIP技术应用在智能小区对讲领域。与传统的基于模拟线路的对讲系统相比，本系统具有以下特点：

　　1) 功能扩容和技术升级非常方便：在统一的IP网络平台上可方便实现功能扩容如视频传输、消息发布、远程监控管理等多种扩展服务功能，无需架设新的线路，适应了当代信息技术迅猛发展的要求。

　　2) 布线方便：本系统直接应用在现有的宽带网络平台上，极大方便了居民和物业管理人员。

　　3) 开放兼容的互连标准：采用标准的TCP/IP协议，可实现与其他支持TCP/IP协议的产品互连，因此有更好的商业前景。

　　2 系统概述

　　整个系统由门口机、用户机和管理机构成。小区内每个住户都装有一个用户机。门口机装在楼栋下，主要负责相应门栋的门禁，客人来访时可以通过门口机呼叫用户机以验证身份，用户可远程打开门栋口的电锁。管理机位于小区的管理中心，可接受来自用户机和门口机的呼叫。管理机也可以主动呼叫用户机。门口机、用户机和管理机由以太网（Ethernet）连在一起。

　　用户机、门口机和管理机都具有全双工语音通话功能。语音信号是模拟信号，要用IP方式来传输该信号，必须先经过模数转换，为了减轻网络的负载，还要进行压缩处理；反过来先要进行解压缩，再转换成模拟信号还原成原来的声音。

　　3 硬件设计

　　每个网络节点（用户机、门口机和管理机）的语音模块具有相同的硬件结构。

　　要实现双向通话，每个节点包括了语音输入通道和语音输出通道。

　　为了简化硬件设计，我们选择了TI公司的一款型号为TLV320AIC10的转换芯片，该芯片具有模数、数模双向转换能力，并在芯片内部集成了信号的前置放大与滤波功能。TLV320AIC10的线性转换精度可以达到16位，可设置LV320AIC10的配置控制字，以实现对采样、增益等特性的动态配置[3]。

　　语音编码解码芯片我们选用DVSI公司的AMBE2000的芯片，该芯片采用AMBE语音编码算法，进行实时、全双工的音频压缩/解压缩，在较高的压缩率下仍能提供比较好的语音质量。AMBE2000还具有回声消除、静音检测和插入舒适噪声等功能。另外AMBE2000具有音频数据前向校错的功能（FEC，Forward Error Correction）、对语音数字通道中所出现的有限量错误能进行自动校正[2]。

　　以太网接入模块的核心器件是IP2K网络微处理器，IP2K内含全双工串化器解串器（Ser/Des）硬件功能，能直接与各种常用网络接口相连。IP2K内置了10Base-T以太网媒体访问控制层（MAC）和物理层（PHY）[4]。IP2K完成语音数据的打包、解包功能和其他IP网络接口协议。

　　从麦克风进来的语音信号是300Hz～3,300Hz的模拟信号，ADC采样频率为8khz，其输出的数据速率为8×16bit＝128Kbps。AMBE2000输出编码速率为2.4～9.6kb/s。

　　由于门口机具有话筒免提的特性，要求扬声器输出较大的音量，麦克风需较高的灵敏度，这样扬声器发出的声音很容易进入麦克风造成回声。为解决这一问题，本设计了启用了AMBE2000的回声消除功能，在很大程度上降低了回声。

　　4 软件设计

　　当两个网络节点之间要进行通话时，需要会话管理协议来建立、管理和结束会话（Session），以及语音传输协议来传输语音数据包。

　　4.1 会话管理协议

　　SIP协议（Session Initiation Protocol，会话发起协议），是用于多媒体通信的应用层控制（信令）协议，相比H.323协议而言，具有扩展容易，比较简单等特点[1] [5]。考虑到本系统嵌入式、结构简单的特性，我们部分地参照了SIP 协议。

　　呼叫前节点A处于空闲（Idle）状态。当节点A要呼叫节点B时，A向B发出Invite请求信令并进入Inviting状态。当B也处于Idle状态时，则返回Ack_Ringing应答信令表示正在响铃同时B进入Being_Invited状态。当B提起话筒后，B返回Ack_Invite_OK信令，A收到后返回Ack_Invite_Resure再次应答确认，表示会话建立成功，A和B进入Talking状态，开始传输语音数据。这样，经历了三次握手，以保证会话的可靠建立。

　　当A或B挂断时，挂断方发出Bye请求，另一方返回Ack_Bye_OK应答，A和B进入Idle状态。

　　注：当A向B发出Invite请求时B不处于Idle状态,B则返回ACK_Busy，A收到后提示对方正忙并返回到Idle状态。在A拨号后没接通电话就挂机，A发出Cancel信令，B返回Ack_Cancel_OK, A和B返回到Idle状态。

　　为保证会话建立的可靠性，设计中使用了定时器机制，充分考虑数据包丢失的情况。例如当A发出一个需要应答的请求信令一段时间后还没收到应答，则说明A发出的请求数据包或B返回的应答数据包丢失，A会再次发送请求信令，如果发送三次仍未收到应答，A端报告网络故障并自动进入某一状态。这样保证了状态机工作不会紊乱。

　　4.2 语音传输协议

　　会话建立后，开始进行语音数据的传输。实时传输协议（Realtime Transport Protocol，RT P）可提供实时数据的端到端传输，如音频、视频和非实时应用数据[1] [6]。

　　RTP协议建立在UDP协议之上。根据顺序编号和时间戳，舍弃因网络阻塞等原因导致先被发出却后到达的数据包。

　　AMBE2000编码器每隔20ms输出一帧长度为24个字长（48bytes）的数据，其中前12个字长的数据包含当前编码速率在内的状态信息，后12个字长包含了语音数据。IP2K将语音数据打包上传。同时解开收到的语音包，将语音数据连同控制信息送给AMBE2000进行解码处理。

　　4.3 根据ID查询对应IP

　　网络上每个节点都有不同的IP地址，同时为了便于操作管理，每个节点都有自己的ID号。例如要呼叫12楼02室拨1202这个ID号即可。这样一个ID对应着一个IP。这个ID-IP映射表存储在门口机的Flash里。每个用户机存储着门口机和管理机的IP地址。当门口机呼叫用户机时，门口机根据ID查询到对应的IP后向其发出呼叫请求。当管理机呼叫用户机时，被呼叫方的IP查询有两种方式，一种是向门口机查询对应ID的IP；另一种是通过广播的形式查询，网络上各用户机节点收到查询IP的信令后与自己的ID进行比较，若匹配返回给查询方。通过广播的方式，即使门口机发生故障，管理机仍可以正常呼叫用户机，提高了系统的健壮性。用户机呼叫管理机只需读出存储在本地的管理机IP即可。

　　5 结论

　　本文成功研制出了基于IP的智能小区对讲系统。该方案已完成全部软、硬件的实现以及网络的组建，并已通过初步测试，运行稳定可靠。