王燕，戴楊，張雁

一種基于OpenWrt改進(jìn)的聲音采集設(shè)備和林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方案

王燕，戴楊，張雁

（西南林業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，昆明 650224）

為了對(duì)高原濕地鳥類進(jìn)行詳盡和有效的研究，基于物聯(lián)網(wǎng)的概念，實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)一套高原濕地鳥鳴聲采集系統(tǒng)的硬件和基于OpenWrt的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)中主要包括以下幾個(gè)功能：環(huán)境聲音采集、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸、遠(yuǎn)程控制。為林業(yè)裝備的開發(fā)及應(yīng)用提供一種新的思路，和更經(jīng)濟(jì)、快捷、實(shí)用的方法。

聲音采集設(shè)備；OpenWrt；林業(yè)裝備研究；高原濕地鳥類研究

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器技術(shù)近些年飛速發(fā)展，它們的出現(xiàn)給林業(yè)的發(fā)展以及林業(yè)裝備的改進(jìn)指出了全新的應(yīng)用領(lǐng)域-各類野外的林業(yè)裝備的無(wú)線連接、智能控制，使林業(yè)的裝備更具有智能化，使林業(yè)的經(jīng)營(yíng)者、決策者更加方便的低成本地獲得林業(yè)數(shù)據(jù)，使人與自然的交流和溝通更加順暢和方便。

在人們的經(jīng)濟(jì)生活和智能化日漸豐富的今天，基于物聯(lián)網(wǎng)的林業(yè)裝備也漸漸發(fā)展起來(lái)。但許多裝備的成本較高，價(jià)格昂貴，不能適應(yīng)林業(yè)的專業(yè)需要，并且技術(shù)門檻令林業(yè)人員望而怯步。本文提出一種基于OpenWrt的嵌入式Linux操作系統(tǒng)的智能林業(yè)聲音采集裝置，它可以大大降低開發(fā)成本，提高開發(fā)效率，并可對(duì)現(xiàn)有的林業(yè)裝備進(jìn)行類似思路的智能化改造升級(jí)，以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)或“云”的功能。

本設(shè)計(jì)可以作為林業(yè)裝備的基礎(chǔ)物聯(lián)網(wǎng)的智能平臺(tái)，可以對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行合理的自定義擴(kuò)展，通過(guò)對(duì)嵌入式Linux進(jìn)行開發(fā)不同模塊的驅(qū)動(dòng)或內(nèi)核的驅(qū)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)各種智能的功能，使智能林業(yè)的實(shí)現(xiàn)成為可能。

1 OpenWrt介紹

OpenWrt是一個(gè)用于嵌入式設(shè)備的嵌入式GNU/Linux發(fā)行版，具有強(qiáng)大的擴(kuò)展性。它具備高度模塊化、高度自動(dòng)化，擁有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)組件和擴(kuò)展性，常常被用于工控設(shè)備、電話、小型機(jī)器人、智能家居、路由器以及VoIP設(shè)備中。它對(duì)無(wú)線路由器的支持友好，同時(shí)，它還提供了100多個(gè)已編譯好的軟件，而且數(shù)量還在不斷增加。

2 聲音采集模塊

設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)合是鳥類或候鳥的棲息地，如高原濕地自然保護(hù)區(qū)、公園內(nèi)等；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為：現(xiàn)有系統(tǒng)采用專用MP3音頻芯片，在單片機(jī)的控制下采集兩個(gè)聲道的音頻數(shù)據(jù)，使用芯片自帶的硬件壓縮系統(tǒng)對(duì)音頻進(jìn)行壓縮，并保存入TF卡內(nèi)。

表1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備硬件主要參數(shù)

主要構(gòu)成為：麥克風(fēng)、聲音信息采集電路、聲音調(diào)理電路、聲音壓縮編碼芯片、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備、主控芯片、時(shí)間控制模塊、電源。如下表。

表2 數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)各模塊簡(jiǎn)介

3 改進(jìn)的思路

在不影響原有聲音采集模塊功能的情況下，進(jìn)行快速并低成本的升級(jí)，進(jìn)行改造升級(jí)后可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)等功能。需要改造的部分：

需要加裝無(wú)線通信系統(tǒng)，與聲音采集設(shè)備中的語(yǔ)音處理芯片共享TF存儲(chǔ)卡，能讀取該TF卡的數(shù)據(jù)，并支持通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)。同時(shí)，還能接收服務(wù)器發(fā)送的控制指令，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

需要加裝太陽(yáng)能采集與控制系統(tǒng)，為該采集系統(tǒng)進(jìn)行供電。并配合休眠機(jī)制，盡可能的節(jié)能，保證系統(tǒng)在無(wú)人值守的狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

需要解決系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接入的問(wèn)題。目前最好的解決方案是通過(guò)現(xiàn)有的公網(wǎng)通訊設(shè)施，建立VPN通道。將所有的子網(wǎng)歸集于同一個(gè)VPN內(nèi)。可以降低使用難度，并且提高數(shù)據(jù)傳輸安全性。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 操作過(guò)程

準(zhǔn)備工作：

（1）添加Wi-Fi模塊：該模塊采用高通AR9331芯片，是一個(gè)高度集成的WLAN解決方案。

（2）把原聲音采集模塊MINIUSB接口電路用小刀割斷數(shù)據(jù)線路部分，改成只供電。

（3）以前設(shè)計(jì)的普通串口線（只起供電作用）去掉即可，加上高速USB數(shù)據(jù)傳輸線（可供電并可實(shí)現(xiàn)從聲音采集模塊到Wi-Fi模塊的數(shù)據(jù)傳輸），實(shí)現(xiàn)USB音頻數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)墓δ堋?/p>

（4）添加路由器1臺(tái)，連接到外網(wǎng)無(wú)線訪問(wèn)Inter?net；使電腦連接Wi-Fi模塊，使它也可訪問(wèn)Internet。

（5）添加編程器一個(gè)，用于給Wi-Fi模塊的Flash移植編譯后的OpenWrt鏡像，所使用的系統(tǒng)是Open?Wrt-ar71xx-generic-tl-wr703n-v1-squashfs-factory.bin。使用的Flash芯片為winbond華邦W25Q64 64M SOP8芯片，對(duì)它編譯的過(guò)程和Wi-Fi模塊的改造也是重點(diǎn)，詳情請(qǐng)參考文獻(xiàn)1，不再贅述。

（6）Wi-Fi模塊的USB口連接采集模塊的USB輸出線。

到此，組成了Wi-Fi無(wú)線控制的聲音采集硬件系統(tǒng)。

圖2 使用的Wi-Fi模塊

配置OpenWrt是重點(diǎn)，現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：

（1）設(shè)置管理員登錄與ssh登錄：

通過(guò)無(wú)線連接到Wi-Fi模塊后，設(shè)置管理員登錄（admin/123456），設(shè)置 ssh登錄（root/123456）

（2）使Wi-Fi模塊加載聲音采集模塊

使Wi-Fi模塊掛載mp3采集模塊。把聲音采集設(shè)備的mininsb口插入Wi-Fi模塊，在OpenWrt里面來(lái)操作。戶外采集前只需設(shè)置一次即可。系統(tǒng)-掛載點(diǎn)菜單下，查看檢查設(shè)置是否加載成功并啟用。

圖3 Wi-Fi模塊與聲音采集設(shè)備互接

（3）設(shè)置Wi-Fi模塊與客戶端的FTP登錄

這一步的作用是FTP登錄到OpenWrt下加載的mp3音頻采集設(shè)備的存儲(chǔ)卡中，實(shí)現(xiàn)mp3音頻文件的增刪改查功能。

第一步：復(fù)制掛載設(shè)備的目錄：/mnt/sda1到FTP服務(wù)中

第二步：設(shè)虛擬用戶，root/123456,并設(shè)置剛才的主目錄，設(shè)置完畢后啟用虛擬用戶。

第三步：FlashFXP中設(shè)置登錄信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的對(duì)文件的增刪改查。

圖4 設(shè)置FTP信息

（4）實(shí)現(xiàn)外網(wǎng)訪問(wèn)

現(xiàn)在的配置只是在內(nèi)網(wǎng)中可實(shí)現(xiàn)，還不能訪問(wèn)In?ternet.要訪問(wèn)Internet，需要有一臺(tái)連接外網(wǎng)的路由器（最好是大功率企業(yè)級(jí)網(wǎng)橋），并已打開Wi-Fi，可用Wi-Fi上外網(wǎng)。

第一步：斷掉Wi-Fi模塊的無(wú)線連接，插入網(wǎng)線，因?yàn)閃i-Fi的192.168.1.1與外網(wǎng)路由器的192.168.1.1起沖突。

第二步：OpenWrt-網(wǎng)絡(luò)-無(wú)線-搜索-外網(wǎng)wifi ssid/外網(wǎng)密碼-加入外網(wǎng)即可。

圖5 OpenWrt網(wǎng)絡(luò)配置1

網(wǎng)絡(luò)-防火墻-P2P封鎖設(shè)置阻止的服務(wù)，如Bit?Torrent,eMule等。網(wǎng)絡(luò)-接口-LAN-修改為靜態(tài)地址，啟用DHCP服務(wù)器。

圖6 OpenWrt網(wǎng)絡(luò)配置2

WWAN口設(shè)置為DHCP客戶端協(xié)議，并且WWAN接口設(shè)置如下：

圖7 OpenWrt網(wǎng)絡(luò)配置3

圖8 OpenWrt網(wǎng)絡(luò)配置4

圖9 OpenWrt網(wǎng)絡(luò)配置5

圖10 OpenWrt網(wǎng)絡(luò)配置6

圖11 OpenWrt網(wǎng)絡(luò)配置7

到此，系統(tǒng)已經(jīng)可以通過(guò)OpenWrt快速的搭建，成為一個(gè)遠(yuǎn)程訪問(wèn)或控制的平臺(tái)。在因特網(wǎng)上通過(guò)FTP遠(yuǎn)程獲取采集設(shè)備中的.wav格式的錄音文件，或?qū)崿F(xiàn)音頻記錄的增刪改查，并保證原有采集設(shè)備仍然正常運(yùn)行，自動(dòng)采集野外聲音的工作。還可以通過(guò)開發(fā)嵌入式Linux的模塊或內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，來(lái)控制不同外設(shè)，如控制聲音采集設(shè)備的開始錄音、結(jié)束錄音、錄音時(shí)長(zhǎng)的預(yù)定義或自由控制等。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)、提出了一種用于野外采集鳥類聲音或環(huán)境音的林業(yè)裝備物聯(lián)網(wǎng)解決方案，并已經(jīng)實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證了該方案的實(shí)用性和可靠性。該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，可移植程度高，可以作為林業(yè)裝備的一種快速有效且低成本的改良方案，并為老舊的林業(yè)裝備實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能和基于云的升級(jí)提供了一種快速、簡(jiǎn)便、可行并且低成本的方式，降低節(jié)數(shù)據(jù)獲取的難度和成本。

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An Application Scheme Based on OpenWrt Improved Sound Acquisition Equipment for Forestry Internet of Things

WANG Yan，DAI Yang，ZHANG Yan
（School of Computer Science,South West Forestry University，Kunming,Yunnan 650224）

For effective research of bird kind in plateau wetland,introduces a hardware used for recording of bird chirps and a remote control system based on OpenWrt.The system mainly contains several functions:collecting environment sound,data transmitting use wireless,and remote control.It illustrates a novel way for forestry equipment's development and application scheme,and also be an economic,agile,applicable method.

Sound Acquisition Equipment;OpenWrt;Forestry Equipment;Research of Birds in Plateau Wetland

國(guó)家自然科學(xué)基金（No.61462078）

1007-1423（2017）24-0053-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.24.013

王燕（1980-），女，山東濟(jì)南人，碩士研究生，專業(yè)：虛擬地理環(huán)境，研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)、機(jī)器學(xué)習(xí)

2017-05-26

2017-08-10