劉振軍，蔣朝根，代聰聰

(西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都610031)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，語(yǔ)音教室的出現(xiàn)，使得教學(xué)手段不再單一。但傳統(tǒng)的語(yǔ)音教學(xué)系統(tǒng)存在以下缺點(diǎn)：

（1）缺乏靈活性，比如各個(gè)學(xué)校的語(yǔ)音教室都是固定的，所有的設(shè)備都固定在特定的教室。

（2）成本高，每一個(gè)學(xué)生終端都是一臺(tái)PC機(jī)，需要大量的布線，專門的教室和課桌。這些都限制了語(yǔ)音教學(xué)在學(xué)校里不可能大規(guī)模使用，只能是少數(shù)幾個(gè)教室和少數(shù)的教學(xué)能夠使用到。

本文介紹一種基于嵌入式的無(wú)線語(yǔ)音教學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)的學(xué)生端采用ARM7開(kāi)發(fā)板，教師服務(wù)器端為筆記本電腦，通過(guò)無(wú)線路由器組建一個(gè)局域網(wǎng)，系統(tǒng)具備語(yǔ)音廣播，小組討論，提問(wèn)，師生單獨(dú)對(duì)話，多媒體播放，文件上傳下載，電子舉手等功能。該系統(tǒng)因?yàn)椴捎玫氖菬o(wú)線傳輸和無(wú)線控制，所以靈活性大，可以在任何室內(nèi)進(jìn)行教學(xué)，而不必固定在特定的語(yǔ)音教室。另外極大地降低了成本，具有很好的推廣性。

1 無(wú)線語(yǔ)音教學(xué)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

無(wú)線語(yǔ)音系統(tǒng)是的學(xué)生端基于嵌入式WinCE系統(tǒng)平臺(tái)，支持語(yǔ)音輸入、輸出處理,具有選擇和執(zhí)行菜單功能，并具有以下外部接口：無(wú)線網(wǎng)卡；電源接口；麥克風(fēng)/ 耳機(jī)語(yǔ)音輸入輸出設(shè)備；可觸控顯示屏（LCD）。教師服務(wù)器是WIN XP系統(tǒng)的普通PC機(jī)，利用Visual C + + 編寫的服務(wù)器程序來(lái)控制包括學(xué)生終端的整個(gè)系統(tǒng)。再通過(guò)無(wú)線路由器組建一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。并采用實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（RTP）、實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議（RTCP）和G.726協(xié)議來(lái)對(duì)傳統(tǒng)的語(yǔ)音系統(tǒng)進(jìn)行改造，使之成為方便易用、性能優(yōu)越和功能齊備的新一代的語(yǔ)音教學(xué)系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 無(wú)線語(yǔ)音教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

教師服務(wù)器和學(xué)生客戶端都是無(wú)線局域網(wǎng)的一員，他們通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和無(wú)線控制，這樣就可以不再受傳統(tǒng)教學(xué)系統(tǒng)地點(diǎn)上的束縛，可以隨時(shí)將整個(gè)教學(xué)系統(tǒng)移動(dòng)到需要的地點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)，具有極大的靈活性和通用性。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的各種教學(xué)系統(tǒng)的研究總結(jié)，并綜合考慮嵌入式技術(shù)的，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，在滿足日常教學(xué)的基本需求下，我們將本系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能模塊劃分為：課堂教學(xué)模塊，小組討論模塊，文件上傳下載模塊，多媒體播放模塊，單獨(dú)交流模塊等，如圖2。

圖2 系統(tǒng)功能框圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用客戶/ 服務(wù)器模式。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分為學(xué)生終端（客戶端）的實(shí)現(xiàn)和教師端（服務(wù)器）的實(shí)現(xiàn)。

3.1 學(xué)生終端的實(shí)現(xiàn)

學(xué)生終端采用ARM7開(kāi)發(fā)板（MINI2440），帶有各種接口和觸控顯示屏等，另外由于本系統(tǒng)是無(wú)線傳輸，所以需要無(wú)線網(wǎng)卡。學(xué)生終端的嵌入式操作系統(tǒng)采用WINCE系統(tǒng)，并需要在該操作系統(tǒng)下的無(wú)線網(wǎng)卡等驅(qū)動(dòng)程序。學(xué)生端的應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)和教師端的各個(gè)功能模塊是一一對(duì)應(yīng)的，主要包括課堂教學(xué)模塊，小組討論模塊，文件上傳下載模塊，多媒體播放模塊，單獨(dú)交流模塊。其中，語(yǔ)音傳輸最為關(guān)鍵，采用的協(xié)議是RTP，該協(xié)議負(fù)責(zé)對(duì)流媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行封包并實(shí)現(xiàn)媒體流的實(shí)時(shí)傳輸。

3.2 教師端的實(shí)現(xiàn)

教師端采用普通的帶有無(wú)線網(wǎng)卡的便攜PC機(jī)（比如筆記本電腦）。在Microsoft visual C++ 6.0開(kāi)發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行教師端程序開(kāi)發(fā)，主要包括課堂教學(xué)模塊，小組討論模塊，文件上傳下載模塊，多媒體播放模塊和單獨(dú)交流模塊等。

3.2.1 課堂教學(xué)

課堂教學(xué)模塊中要完成的主要功能是實(shí)現(xiàn)教師端語(yǔ)音流從話筒讀入，并采用一對(duì)多的方式實(shí)時(shí)發(fā)送給所有的學(xué)生端，關(guān)鍵技術(shù)是保證語(yǔ)音的清晰性（語(yǔ)音質(zhì)量）和實(shí)時(shí)性。

（1）為了保證語(yǔ)音質(zhì)量，系統(tǒng)采用G.726協(xié)議，G.726語(yǔ)音壓縮編碼是自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM），是在G.721和G.723的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，具有算法簡(jiǎn)單、語(yǔ)音質(zhì)量高等特點(diǎn)。

（2） 為了保證語(yǔ)音傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，采用的協(xié)議是RTP。但是，RTP是利用UDP進(jìn)行傳輸?shù)?，而且RTP本身不能對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)報(bào)提供可靠的保證，也不能提供流量控制和擁塞控制，這些都會(huì)對(duì)實(shí)時(shí)傳輸產(chǎn)生影響，需要用一種方法進(jìn)行控制，因此，需要采用與RTP協(xié)議配合使用的RTCP協(xié)議。每個(gè)RTP數(shù)據(jù)報(bào)都由頭部（Header）和負(fù)載（Payload）2個(gè)部分組成，其中頭部前12個(gè)byte的含義是固定的，而負(fù)載則可以是音頻或者視頻數(shù)據(jù)，如圖3。

圖3 RTP數(shù)據(jù)報(bào)的頭部格式

3.2.2 小組討論

小組討論模塊的主要功能是讓學(xué)生端自由加入各個(gè)小組，進(jìn)行一個(gè)小組的討論，并且所有學(xué)生端的發(fā)言都會(huì)被發(fā)送并顯示在教師端，再通過(guò)教師端將每個(gè)小組的留言都發(fā)送給對(duì)應(yīng)小組的所有學(xué)生端成員，這樣，這個(gè)小組成員的發(fā)言就能被本組的所有成員看到。實(shí)現(xiàn)過(guò)程中主要用到VC++網(wǎng)絡(luò)編程的相關(guān)知識(shí)。

3.2.3 文件上傳下載和多媒體播放

文件上傳下載模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)學(xué)生終端訪問(wèn)教師端的FTP服務(wù)器，可以在服務(wù)器上下載教師存放的課件，視頻等文件。同時(shí)學(xué)生也可以將自己的作業(yè)等文件上傳到教師服務(wù)器，當(dāng)然也可以將自己的學(xué)習(xí)心得上傳到服務(wù)器供所有學(xué)生分享。多媒體播放模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)將視頻和音頻實(shí)時(shí)發(fā)送到所有的學(xué)生端。

3.2.4 單獨(dú)交流模塊

單獨(dú)交流模塊其實(shí)是用于單個(gè)的學(xué)生和老師交流，其本質(zhì)也是語(yǔ)音傳輸，只是此時(shí)不再是一對(duì)多，而且傳輸?shù)姆较蚴请p向的，所以其相關(guān)技術(shù)也與課堂教學(xué)模塊一樣，不再贅述。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有語(yǔ)音教學(xué)系統(tǒng)的調(diào)查研究，總結(jié)其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種基于嵌入式技術(shù)的無(wú)線語(yǔ)音教學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使得語(yǔ)音教學(xué)不再局限于固定的場(chǎng)所，可以靈活選擇教學(xué)場(chǎng)所，另外該系統(tǒng)具有成本低、靈活性好、通用性好以及功能豐富等特點(diǎn)。

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