金林珠，庫(kù)流亨

（1.武漢科技大學(xué) 湖北 武漢 430081；2.華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所 北京 100083）

網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用正改變著人們的通信和交流方式，VoIP（Voice over Internet Protocol）實(shí)現(xiàn)了將模擬聲音訊號(hào)數(shù)字化，并以數(shù)據(jù)封包的形式在IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)傳遞的功能[1]。隨著WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋范圍的逐漸擴(kuò)大以及支持WiFi的智能手機(jī)、平板電腦等手持終端設(shè)備的大量增加，利用現(xiàn)有的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行語(yǔ)音通信將會(huì)成為更加廉價(jià)和便利的方式。早期實(shí)現(xiàn)的無(wú)線寬帶接入商業(yè)模式在校園內(nèi)已得到試用，但校園網(wǎng)內(nèi)用戶終端與外網(wǎng)之間較大的數(shù)據(jù)傳輸延遲，經(jīng)常導(dǎo)致連通率降低，話音質(zhì)量差，頻繁掉線等問(wèn)題。雖然目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的部分WiFi手機(jī)已實(shí)現(xiàn)了上述應(yīng)用，但功能比較單一，使用不便，且需要增加額外開(kāi)支。

基于上述背景和問(wèn)題，本文提出了一種基于Android平臺(tái)的VoFi語(yǔ)音設(shè)計(jì)系統(tǒng)，有效結(jié)合VoIP和WiFi技術(shù)[2]，實(shí)現(xiàn)Android終端用戶在局域網(wǎng)內(nèi)免費(fèi)、廣域網(wǎng)內(nèi)廉價(jià)的語(yǔ)音通信。并且此設(shè)計(jì)的擴(kuò)展應(yīng)用在智能家居和電話會(huì)議上都體現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步突破了傳統(tǒng)電話的局限性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)及模塊功能描述

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)概述

整個(gè)系統(tǒng)基于C/S模式，采用“瘦客戶端，胖服務(wù)器”的設(shè)計(jì)理念來(lái)實(shí)現(xiàn)，在局域網(wǎng)內(nèi)采用TCP這種可靠的連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，同時(shí)在服務(wù)器端建立功能豐富的狀態(tài)機(jī)來(lái)響應(yīng)終端的各種不同信令。

整個(gè)系統(tǒng)是結(jié)合cloud來(lái)形成一個(gè)龐大的信息交流平臺(tái)，構(gòu)成完善的網(wǎng)絡(luò)信息共享機(jī)制，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the network system

1.2 服務(wù)器

服務(wù)器的主要功能：服務(wù)器主要承擔(dān)終端設(shè)備管理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，響應(yīng)處理終端請(qǐng)求，同時(shí)負(fù)責(zé)檢查數(shù)據(jù)鏈接，調(diào)用對(duì)應(yīng)的VoIP接口，與VoIP軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，其主要功能如圖2所示。

圖2 服務(wù)器端功能圖Fig.2 Function diagram of the server

1.3 客戶終端

客戶終端的主要功能：建立與服務(wù)器的連接并得到可呼叫設(shè)備列表；向服務(wù)器發(fā)送發(fā)起登陸、呼叫、狀態(tài)變更、設(shè)置優(yōu)先級(jí)、好友管理等請(qǐng)求；監(jiān)聽(tīng)并執(zhí)行服務(wù)器發(fā)送的反饋或命令；處理接收的音頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)解碼實(shí)時(shí)播放給用戶；同時(shí)對(duì)用戶語(yǔ)音信息進(jìn)行采樣和編碼等處理后發(fā)送出去。

2 系統(tǒng)的工作原理

整個(gè)系統(tǒng)中將數(shù)據(jù)分為信令和音頻數(shù)據(jù)兩大類(lèi)。信令采用XML格式傳輸，語(yǔ)音采用特定的編碼格式傳輸。服務(wù)器和移動(dòng)終端采用兩個(gè)不同的TCP端口分別監(jiān)聽(tīng)信令和數(shù)據(jù)，并對(duì)各自的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的狀態(tài)處理。

其中常見(jiàn)的信令包括：NEWCALL、HOLD、RESUME、FORWARD、FINISH。它們分別對(duì)應(yīng)于常用的VoIP軟件Skype中的發(fā)起新電話，電話保持，回復(fù)通話，來(lái)電轉(zhuǎn)移和結(jié)束通話功能命令。

語(yǔ)音連接分為兩種，一種是被動(dòng)接聽(tīng)，另一種是主動(dòng)撥打。主動(dòng)撥打時(shí)，需要進(jìn)行完善的信令確認(rèn)，保證操作的連續(xù)性和可靠性，對(duì)于被動(dòng)接聽(tīng)只需要進(jìn)行電話的應(yīng)答和語(yǔ)音的采樣和播放。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程

1）初始化

首先用戶終端應(yīng)用程序打開(kāi)WiFi，進(jìn)入登陸界面，然后設(shè)置服務(wù)器的IP地址，終端設(shè)備首先根據(jù)該IP地址登錄服務(wù)器。服務(wù)器接收到終端設(shè)備的連接請(qǐng)求后，獲取與其建立連接的終端設(shè)備的信息，如IP地址、MAC地址、設(shè)備狀態(tài)等，將MAC地址進(jìn)行哈希映射后得到各終端的ID用來(lái)標(biāo)識(shí)各個(gè)終端設(shè)備，并把這些信息存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中。終端設(shè)備和服務(wù)器建立連接后，將從服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中得到所有可建立連接的終端ID，此時(shí)用戶才可以向設(shè)備列表中的任一設(shè)備發(fā)起呼叫。

2）終端發(fā)起的呼叫

終端向服務(wù)器發(fā)送NEWCALL命令以及呼叫對(duì)方地址ID，服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)到指令，執(zhí)行相關(guān)操作：

如果被呼叫方為本局域網(wǎng)內(nèi)在線登錄到服務(wù)器的用戶，則由服務(wù)器來(lái)建立與被叫之間的數(shù)據(jù)鏈路，打開(kāi)網(wǎng)絡(luò)通信信道，然后將主叫端和被叫端的語(yǔ)音數(shù)據(jù)分別向目的終端按一定的節(jié)奏進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)處理各種不同的異常情況。

如果被呼叫方為遠(yuǎn)程互聯(lián)網(wǎng)上的用戶，且好友在線，則先由服務(wù)器端通過(guò)好友列表信息來(lái)建立與被叫方之間的數(shù)據(jù)連接和通信信道，然后調(diào)用VoIP接口，將語(yǔ)音數(shù)據(jù)通過(guò)VoIP軟件進(jìn)行相互傳輸。

3）VoIP軟件發(fā)起的遠(yuǎn)程呼叫

首先由遠(yuǎn)程VoIP軟件向服務(wù)器端的VoIP軟件代理模塊發(fā)起呼叫，服務(wù)器從本地的VoIP軟件中通過(guò)HOOK技術(shù)[3]獲取到語(yǔ)音數(shù)據(jù)流。

然后服務(wù)器通過(guò)聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)弱、優(yōu)先級(jí)設(shè)置等因素綜合選取最優(yōu)的在線可用移動(dòng)終端設(shè)備作為該次通話的目的設(shè)備。

最后由服務(wù)器向該WiFi局域網(wǎng)內(nèi)的本地移動(dòng)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)實(shí)時(shí)傳輸由本地移動(dòng)終端設(shè)備采集的語(yǔ)音信息到遠(yuǎn)端的VoIP軟件，形成一次連貫流暢的通話。

4）擴(kuò)展應(yīng)用

由于智能家居環(huán)境中的各種電器和設(shè)備是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)相互之間的協(xié)調(diào)與合作，組成的是一個(gè)分布式內(nèi)網(wǎng)系統(tǒng)。那么在VoIP軟件發(fā)起的遠(yuǎn)程呼叫中，每個(gè)家庭可視為獨(dú)立的被呼叫單元，服務(wù)器則控制所有的智能設(shè)備，在閑置狀態(tài)時(shí)，各個(gè)在線設(shè)備可設(shè)為待機(jī)狀態(tài)，一旦服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)到遠(yuǎn)程呼入，首先根據(jù)各個(gè)設(shè)備的電力、功耗、信號(hào)等參數(shù)優(yōu)先選擇最佳適合接聽(tīng)的終端設(shè)備，然后喚起該設(shè)備進(jìn)行應(yīng)答，此時(shí)其他智能設(shè)備仍處于待機(jī)狀態(tài)，由此可以達(dá)到節(jié)能作用。如果在公司企業(yè)，此系統(tǒng)亦可應(yīng)用在電話會(huì)議中，會(huì)議發(fā)起者向服務(wù)器發(fā)起呼叫申請(qǐng)，服務(wù)器根據(jù)請(qǐng)求控制各個(gè)部門(mén)的終端設(shè)備，同時(shí)喚起多終端設(shè)備進(jìn)行應(yīng)答，由此可以提高整個(gè)公司的效率。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境

1）開(kāi)發(fā)服務(wù)器端程序：Eclipse+Visual Studio 2010；

Visual Studio 2010主要用來(lái)構(gòu)建HOOK Lib與對(duì)應(yīng)的VoIP軟件進(jìn)行Windows下的信息交互，同時(shí)在Eclipse中進(jìn)行JNI調(diào)用，彼此相互支持和協(xié)作，由此完成信息的無(wú)縫銜接和傳遞。

2）開(kāi)發(fā)終端應(yīng)用程序：Eclipse+JDK+ADT插件+Android SDK；

Eclipse是開(kāi)發(fā)Android應(yīng)用程序的首選集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。安裝Android開(kāi)發(fā)環(huán)境，首先需要安裝java開(kāi)發(fā)工具包（JDK），然后安裝集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Eclipse和ADT插件，最后安裝整個(gè)系統(tǒng)。對(duì)于客戶端的程序，本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了完整的測(cè)試與美工優(yōu)化，形成良好的人機(jī)交互界面。

4.2 關(guān)鍵代碼實(shí)現(xiàn)

4.2.1 客戶端UI設(shè)計(jì)

AndroidManifest.xml：每個(gè)Android程序必須在根目錄下包含一個(gè)AndroidManifest.xml文件。AndroidManifest.xml是XML格式的Android應(yīng)用程序聲明文件，包含了系統(tǒng)運(yùn)行Android程序前所必須掌握的重要信息，包括應(yīng)用程序名、圖標(biāo)、包名、模塊組成等。res/main.xml：與用戶界面相關(guān)的布局文件，描述所要顯示的用戶界面。4.2.2 客戶端工作原理及流程

客戶端主要通過(guò)android系統(tǒng)自帶的音頻系統(tǒng)框架[5]來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，首先通過(guò)MIC按照一定的采樣頻率來(lái)進(jìn)行音頻數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)使用單獨(dú)的線程來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的編碼，以及將數(shù)據(jù)裝入隊(duì)列，最后通過(guò)socket[6]發(fā)送到指定的server端口；同時(shí)監(jiān)聽(tīng)本地的數(shù)據(jù)端口，然后將收到的數(shù)據(jù)壓入隊(duì)列，并使用單獨(dú)的線程進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析和播放，由此實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的語(yǔ)音通信，具體的工作流程圖如下圖3所示。

圖3 客戶端語(yǔ)音模塊工作流程圖Fig.3 Flow chart of the client voice module

1）聲音數(shù)據(jù)的采樣和編碼

AudioRecord類(lèi)在Java應(yīng)用程序中負(fù)責(zé)管理音頻資源，記錄音頻輸入設(shè)備中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，AudioRecord對(duì)象用來(lái)完成讀取數(shù)據(jù)操作，并通以下幾個(gè)方法從AudioRecord對(duì)象中讀取數(shù)據(jù)：read（byte[]，int，int），read（short[]，int，int）和read（ByteBuffer，int）。

在創(chuàng)建AudioRecord對(duì)象時(shí)，AudioRecord首先初始化，然后與音頻緩沖區(qū)建立連接。緩沖新的音頻數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)指定的緩沖區(qū)大小決定AudioRecord能夠記錄的最長(zhǎng)數(shù)據(jù)。從硬件設(shè)備讀取的數(shù)據(jù)時(shí)，必須保證讀取量小于整個(gè)記錄緩沖區(qū)。

4.3 Server端設(shè)計(jì)

服務(wù)器端進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互時(shí)，一方面主要進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)聽(tīng)，另一方面對(duì)數(shù)據(jù)端口進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，一旦收到特定的信令交由狀態(tài)機(jī)進(jìn)行處理，同時(shí)使用多線程管理數(shù)據(jù)和各種信令，并且使用JNI[7]與特定的HOOK Lib進(jìn)行交互，完成與VoIP的軟件的信息傳輸。其中對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)、并行運(yùn)算，采用較多的調(diào)度算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的并行處理，提高整個(gè)系統(tǒng)的吞吐能力和實(shí)時(shí)性。

5 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

為了盡量的簡(jiǎn)化操作，同時(shí)為了保持友好的操作界面，采用了定制尺寸的圖標(biāo)Logo在HTC G10上進(jìn)行了實(shí)時(shí)的運(yùn)行和測(cè)試，測(cè)試效果如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)測(cè)試效果圖Fig.4 Effect chart of the test system

6 結(jié) 論

WiFi的頻段在世界范圍內(nèi)無(wú)需任何電信運(yùn)營(yíng)執(zhí)照，因此WLAN無(wú)線設(shè)備提供了一個(gè)世界范圍內(nèi)可以使用的，費(fèi)用及其低廉且數(shù)據(jù)帶寬極高的無(wú)線空中接口。而VoIP電話則作為互聯(lián)網(wǎng)的一種應(yīng)用，進(jìn)一步降低了網(wǎng)絡(luò)電話的運(yùn)營(yíng)成本。本研究基于Android開(kāi)源操作系統(tǒng)平臺(tái)，將WiFi和VoIP有效結(jié)合，采用C/S設(shè)計(jì)模式，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了WiFi網(wǎng)絡(luò)終端之間的免費(fèi)語(yǔ)音通信，同時(shí)應(yīng)答終端不再局限于手機(jī)，服務(wù)器可以根據(jù)性能參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化選擇合適的在線移動(dòng)終端設(shè)備，在智能家居應(yīng)用中，體現(xiàn)了節(jié)能、低成本等特點(diǎn)。在公司企業(yè)中，亦可實(shí)現(xiàn)電話會(huì)議這種快捷的溝通方式，提高公司效益。該技術(shù)在家庭、學(xué)?；蛘叽笮推髽I(yè)中都有著廣泛的應(yīng)用前景。

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