孫志剛，高萌萌，王亞寧，張 敏，王國濤,2

(1.黑龍江大學 電子工程學院，哈爾濱 150080； 2.哈爾濱工業(yè)大學 電器與電子可靠性研究所，哈爾濱 150001；3.蘇州科技大學 地理科學與測繪工程學院，江蘇 蘇州 215009)

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，經(jīng)濟社會對畜牧肉類的需求也持續(xù)增長。在肉類產(chǎn)業(yè)和結(jié)構(gòu)方面，肉雞占有較大比重。中國作為全球第二大禽肉生產(chǎn)國，2020年肉雞年產(chǎn)量為1 485萬噸，較2019年產(chǎn)出的1 375萬噸大幅增長8%。相比世界上其他的肉雞主產(chǎn)國，我國是肉雞生產(chǎn)增長數(shù)量和增長率最大的國家。雖然我國的肉雞養(yǎng)殖生產(chǎn)規(guī)模較大，但是自動化水平還需要不斷提升。目前，國內(nèi)肉雞養(yǎng)殖場主要依靠人工觀察來對肉雞的生活環(huán)境和健康狀況進行評判，養(yǎng)殖人員經(jīng)驗水平的不同、觀察時間的偏差不可避免地引起誤判和漏檢等情況。所以，僅僅依靠人工觀察的方法進行檢測，人工成本高且檢測效率較低。因此，實現(xiàn)肉雞養(yǎng)殖場自動化檢測是非常有意義的。隨著檢測理論和技術(shù)的發(fā)展，高精度傳感器和集成通信模塊的出現(xiàn)，再加上其高效率、低成本的優(yōu)點，使得在肉雞養(yǎng)殖場內(nèi)搭建小型監(jiān)測系統(tǒng)對肉雞生活環(huán)境和健康情況實現(xiàn)自動監(jiān)控成為了可能。

在區(qū)域范圍內(nèi)對動植物的生長或環(huán)境狀況進行參數(shù)采集或狀態(tài)監(jiān)測，可以采用單片機來設(shè)計微控制系統(tǒng)，通過控制多種類型的精密傳感器獲得所需的監(jiān)測信息，并借助于WiFi、4G、ZigBee、藍牙、NB-IoT等無線傳輸技術(shù)進一步將監(jiān)測信息發(fā)送至管理平臺，管理人員在平臺端對數(shù)據(jù)進一步分析或存儲。國內(nèi)外很多學者對此進行了深入研究，如文獻[3]采用STM32微控制器和多個功能傳感器來獲取牛舍當前的溫度、濕度、光照、有害氣體濃度等環(huán)境參數(shù)，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將上述參數(shù)及時傳輸?shù)竭h程PC機服務(wù)器上，實現(xiàn)了對牛舍環(huán)境的遠程無線實時監(jiān)測。文獻[4]根據(jù)豬用自動飲水碗的結(jié)構(gòu)和飲水時的場景，設(shè)計了集水流量傳感器、RFID閱讀器和ZigBee模塊于一體的無線監(jiān)控節(jié)點，并開發(fā)了在豬只飲水的同時自動進行體溫測量的監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以滿足集中式養(yǎng)豬場的精細化管理要求。文獻[5]設(shè)計了基于IPSO優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的有害氣體精確監(jiān)測系統(tǒng)，通過選用無線ZigBee模塊、傳感器模塊和STM32模塊，搭建了蛋雞舍各點數(shù)據(jù)采集硬件平臺，并利用GPRS遠程通信模塊將平臺采集到的數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器，同時開發(fā)手機APP軟件實現(xiàn)對有害氣體的實時監(jiān)測。文獻[6]采用Arduino uno為微控制器，控制DHT22傳感器采集養(yǎng)雞籠內(nèi)的溫濕度信息，并協(xié)調(diào)DS3231 RTC模塊和電機伺服器實現(xiàn)籠內(nèi)自動化定時喂食和實時控溫。文獻[7]開發(fā)了一套用于生豬生長的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)將收集生豬的體重和飼料攝入量等數(shù)據(jù)，通過無線通信模塊實時傳輸?shù)竭h程服務(wù)器，服務(wù)器端由計算機處理數(shù)據(jù)來生成各種報告，并自動繪制生豬的生長性能曲線。文獻[8]設(shè)計了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該技術(shù)可以監(jiān)控家禽飼養(yǎng)籠中的溫濕度條件。系統(tǒng)由3個傳感器節(jié)點和一個星形拓撲的協(xié)調(diào)器節(jié)點組成。I.A.Ashari等人設(shè)計了一個在線監(jiān)控系統(tǒng)來實時檢測農(nóng)場環(huán)境中氨氣的濃度狀況，通過建立一個無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將實時監(jiān)測的氨氣濃度信息應用Internet連接傳輸?shù)絎eb服務(wù)器，并提出了一種反距離權(quán)重插值法來精確計算氨氣的濃度。

本研究在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套基于無線傳輸技術(shù)的肉雞養(yǎng)殖場音頻采集系統(tǒng)，系統(tǒng)包括采集終端、無線通信模塊和遠程服務(wù)器三部分。其中，采集終端用于放置在肉雞養(yǎng)殖場內(nèi)，定時或?qū)崟r對養(yǎng)殖場內(nèi)的肉雞聲音信號(音頻信號)進行采集，并添加濾波算法，從而達到采集高質(zhì)量音頻信號的目的。據(jù)養(yǎng)殖場內(nèi)是否事先覆蓋局域網(wǎng)，無線通信模塊具體包含GSM/GPRS通信模塊和WiFi通信模塊，用于建立采集終端與遠程服務(wù)器之間的Socket通信連接，將采集的音頻信號由采集終端發(fā)送至遠程服務(wù)器。遠程服務(wù)器接收到信號后，在外存儲器中對其進行存儲，以便管理人員后續(xù)對該信號進一步處理。此外，該系統(tǒng)在無線通信模塊工作異常、網(wǎng)絡(luò)異常等遠程傳輸異常情況下，提供本地存儲的功能，采集終端采集的音頻信號會直接存儲在SD卡存儲模塊內(nèi)，管理人員通過移動拷貝的方式存儲到遠程服務(wù)器的外存儲器中，進行集中統(tǒng)一管理。該研究是筆者參與的某市廳級項目中一部分，項目最終是從本系統(tǒng)采集的一段音頻信號中識別出肉雞咳嗽聲與鳴叫聲的具體個數(shù)和差值比例，進而得出該采集終端所在區(qū)域范圍內(nèi)肉雞的健康狀態(tài)，實現(xiàn)對大規(guī)模肉雞養(yǎng)殖場內(nèi)肉雞健康狀態(tài)的有效監(jiān)測。本研究的成果是該項目有效開展的基礎(chǔ)，因而具有極重要的實際意義。同時，該系統(tǒng)可移植性、拓展性強，可以推廣應用于其他畜牧類動物養(yǎng)殖廠的監(jiān)測，具有較高的應用價值。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本研究提出的基于無線傳輸技術(shù)的肉雞養(yǎng)殖場音頻采集系統(tǒng)，主要由采集終端、無線通信模塊和遠程服務(wù)器三部分組成，涵蓋物聯(lián)網(wǎng)層面的感知層、傳輸層與應用層。無線通信模塊作為采集終端與遠程服務(wù)器之間的通信媒介，負責將采集終端采集的音頻信號高效準確的發(fā)送至遠程服務(wù)器。無線通信模塊包括可選擇的GSM/GPRS通信模塊與WiFi通信模塊，可根據(jù)養(yǎng)殖場內(nèi)是否事先覆蓋局域網(wǎng)進行選擇，由此搭建的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1、圖2所示。

如圖1所示，如果肉雞養(yǎng)殖場內(nèi)未事先覆蓋局域網(wǎng)，則選擇GSM/GPRS通信模塊建立采集終端與遠程服務(wù)器之間的Socket通信連接，GSM/GPRS通信模塊在硬件層面通過GPIO口與采集終端的微控制器相連接，在軟件程序中通過TCP/IP的套接字完成采集終端與遠程服務(wù)器之間的Socket通信連接。采集終端定時或?qū)崟r采集的一段音頻信號會編碼成一串字符流信息，微控制器對數(shù)字式的字符流信息進行濾波處理，并將處理后的字符流信息通過串口發(fā)送至GSM/GPRS通信模塊。GSM/GPRS通信模塊根據(jù)遠程服務(wù)器的IP地址和端口號，將該串字符流信息經(jīng)最近的通信基站接入移動網(wǎng)絡(luò)，最終發(fā)送到指定的遠程服務(wù)器，運行在遠程服務(wù)器上的上位機軟件會將字符流信息反向解碼為音頻信號的文件格式存儲到外存儲器中，用于后續(xù)的分析處理。同時，采集終端可以外接SD卡存儲模塊，在GSM/GPRS通信模塊工作異?；蚓W(wǎng)絡(luò)連接異常的情況下，系統(tǒng)提供音頻信號的本地存儲功能，此時采集終端定時或?qū)崟r采集的一段音頻信號先會編碼成一串字符流信息，經(jīng)過濾波處理后再由微控制器解碼為音頻信號的文件存儲在SD卡存儲模塊中，管理人員通過定期插拔的方式循環(huán)更換SD卡存儲模塊，防止內(nèi)存溢出或存儲覆蓋，拔出的SD卡可以通過外接存儲器的方式連入遠程服務(wù)器，將前期存儲的音頻信號及時拷貝到遠程服務(wù)器的外存儲器中，該過程作為遠程傳輸異常情況下的一種補救措施。

圖1 基于GSM/GPRS通信模塊的系統(tǒng)架構(gòu)圖

如圖2所示，如果肉雞養(yǎng)殖場內(nèi)已事先覆蓋局域網(wǎng)，則選擇WiFi通信模塊建立采集終端與遠程服務(wù)器之間的連接。兩者在硬件層面的連接方法一致，在軟件程序中也建立了Socket通信連接。采集終端定時或?qū)崟r采集的一段音頻信號，同樣會被編碼成一串字符流信息和進行濾波處理，并通過串口發(fā)送至WiFi通信模塊。WiFi通信模塊根據(jù)遠程服務(wù)器的IP地址和端口號，將上述字符流信息發(fā)送到遠程服務(wù)器。該情況下，外接的SD卡存儲模塊會在WiFi模塊工作異?；蚓钟蚓W(wǎng)路異常的情況下，實現(xiàn)本地存儲音頻文件，通過定期移動拷貝的方式轉(zhuǎn)存到遠程服務(wù)器的外存儲器中。

圖2 基于WiFi通信模塊的系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計部分主要包括采集終端與無線通信模塊，它們在硬件層面上是通過串口連接在一起的，其整體的硬件設(shè)計效果影響采集系統(tǒng)的可靠和高效運行。采集終端的硬件設(shè)計包括微控制器、音頻采集模塊、按鍵模塊、SD卡存儲模塊、液晶屏和其他功能模塊。音頻采集模塊通過GPIO引腳與微控制器相連接，用于完成養(yǎng)殖場內(nèi)的音頻采集；按鍵模塊通過GPIO引腳與微控制器相連接，實現(xiàn)設(shè)置定時或?qū)崟r音頻采集的時長和頻率；SD卡存儲模塊通過卡槽接口與微控制器相連接，在遠程傳輸異常的情況下及時存儲音頻信號；液晶屏通過GPIO引腳與微控制器相連接，提供界面顯示，方便工作人員設(shè)置定時或?qū)崟r音頻采集信息；其他功能模塊包括電源模塊、晶振回路、串口模塊等，屬于微控制器的外圍電路，整體形成基本的最小控制系統(tǒng)，本研究對此不進行贅述。無線通信模塊的硬件設(shè)計包括可選擇的GSM/GPRS通信模塊和WiFi通信模塊，它們都是通過串口及GPIO引腳與微控制器相連接，用于建立采集終端與遠程服務(wù)器之間的Socket通信連接，并將采集終端定時或?qū)崟r采集的音頻信號進行及時發(fā)送。其中，采集終端與無線通信模塊組成的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 微控制器電路設(shè)計

微控制器選用STM32F103RCT6型號的芯片，其與電源模塊、晶振回路、串口模塊等其他功能模塊形成微控制器(系統(tǒng))，電路原理見圖4。芯片的微控制器實際工作時的頻率可達72 MHz，并且具有256 k字節(jié)的系統(tǒng)可編程Flash存儲器，以及48 k字節(jié)的RAM空間，具備SPI、CAN、IC、UART等通信方式的外設(shè)功能，最高配備9個通信接口。在本研究中，微控制器需要實現(xiàn)的功能包括：定時或?qū)崟r控制音頻采集模塊完成音頻信號的采集、對音頻信號進行濾波處理、將處理后的高信噪比的音頻信號通過串口發(fā)送至無線通信模塊、控制無線通信模塊與遠程服務(wù)器建立Socket通信連接、配備按鍵模塊設(shè)置定時或?qū)崟r音頻采集的時長和頻率、本地音頻信號的存儲等。本研究選用的微控制器完全滿足上述功能實現(xiàn)的性能要求。

圖4 微控制器電路原理圖

2.2 音頻采集模塊電路設(shè)計

圖5 音頻采集模塊電路原理圖

音頻采集模塊選用VS1053B型號的芯片，其與咪頭、穩(wěn)壓芯片、電源接口等基本的外設(shè)形成音頻采集模塊。在本研究中，該模塊通過SPI通信接口與微控制器相連接，支持MP3、WAV、OGG、WMA等音頻格式的編解碼。音頻采集模塊的DAC分辨率為18位，總諧波失真(THD)為0.07%，信噪比為94 dB，滿足本研究中對肉雞養(yǎng)殖場的高保真音頻采集需求。音頻采集模塊的電路原理見圖5。本研究中，音頻采集模塊與微控制器通過7個GPIO引腳進行連接，如圖中紅線標注所示，分別是：RST、XCS、XDCS、SI、SO、SCK和DREQ。其中，RST是音頻采集模塊的復位控制線，低電平有效。DREQ是數(shù)據(jù)請求線，用于通知微控制器音頻采集模塊是否準備好可以開始接收數(shù)據(jù)。SI(圖中MOSI)、SO(圖中MISO)SCK則是音頻采集模塊的SPI通信接口，它們在XCS和XDCS的控制下執(zhí)行不同的數(shù)據(jù)通信。最終，音頻采集模塊定時或?qū)崟r采集的音頻信號通過SPI通信接口傳輸至微控制器進行后續(xù)的濾波處理。

2.3 GSM/GPRS通信模塊電路設(shè)計

GSM/GPRS通信模塊選用SIM800C型號的模塊，模塊板載5 V至24 V的直流電源輸入接口、Micro SIM卡座、RS232串口、天線等外設(shè)，其電路原理見圖6。此外，該模塊工作在4個頻段，分別是：850 MHz、900 MHz、1 800 MHz、1 900 MHz，可以在低功耗狀態(tài)下實現(xiàn)語音、SMS、MMS、藍牙數(shù)據(jù)信息的傳輸。在本研究中，微控制器控制GSM/GPRS模塊經(jīng)最近的基站與遠程服務(wù)器建立Socket通信連接，從而建立兩者之間的數(shù)據(jù)通信鏈路，這樣，音頻采集模塊通過串口發(fā)送至微控制器的字符流形式的音頻信號，再次通過串口發(fā)送至GSM/GPRS通信模塊的內(nèi)部緩存中，最終通過SEND_BUFF接口函數(shù)發(fā)送至遠程服務(wù)器。

圖6 GSM/GPRS通信模塊電路原理圖

2.4 WiFi通信模塊電路設(shè)計

WiFi通信模塊選用ESP8266型號的芯片，其電路原理見圖7。該模塊通過串口與微控制器進行數(shù)據(jù)通信，模塊內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與WiFi之間的轉(zhuǎn)換。具體的，該模塊支持串口轉(zhuǎn)WiFi STA、串口轉(zhuǎn)WiFi AP、串口轉(zhuǎn)WiFi STA+AP 3種模式，可以快速構(gòu)建串口-WiFi的數(shù)據(jù)傳輸方案。此外，該模塊符合多個無線傳輸標準，工作在2.4 GHz頻率范圍，完全滿足本研究對音頻信號傳輸需求。在本研究中，WiFi通信模塊與遠程服務(wù)器接入同一局域網(wǎng)，并工作于STA模式，從而建立兩者之間的Socket通信連接，借助串口-WiFi的數(shù)據(jù)傳輸方案將字符流形式的音頻信號發(fā)送至遠程服務(wù)器。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括采集終端、無線通信模塊以及遠程服務(wù)器三部分。

3.1 采集終端軟件設(shè)計

采集終端軟件設(shè)計部分包括音頻采集流程和譜減法濾波兩部分。在音頻采集流程部分，本研究主要介紹系統(tǒng)上電后采集終端的默認工作流程，介紹其在定時、實時、本地音頻存儲模式下的工作流程。在譜減法濾波部分，本研究主要介紹通過帶通與譜減法濾波的方式對字符流形式的音頻信號進行降噪處理，達到去除背景噪聲、提高信噪比的目的。

3.1.1 音頻采集工作流程

圖7 WiFi通信模塊電路原理圖

采集終端音頻采集工作流程見圖8。系統(tǒng)上電工作后，默認處于定時音頻采集狀態(tài)，即定時工作模式，微控制器會讀取RAM中存儲的上次掉電前設(shè)置的定時工作信息，如：每整點進行一次2分鐘的音頻采集、以1小時為時間間隔進行一次1分鐘30秒的音頻采集等，并控制無線傳輸模塊與遠程服務(wù)器建立Socket通信連接，同時加載本地SD卡存儲模塊。微控制器讀取設(shè)置的定時工作信息后，實時判斷是否到達設(shè)置的時間節(jié)點，若到達時間節(jié)點，則控制音頻采集模塊按照時長要求完成一次音頻采集，最終通過串口發(fā)送至遠程服務(wù)器。若未到達時間節(jié)點，則繼續(xù)進行判斷。需要說明的是，在無線通信模塊與遠程服務(wù)器建立Socket通信連接后，微控制器可以實時獲取當前的網(wǎng)絡(luò)時間，其中，GSM/GPRS通信模塊可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)獲取時間，WiFi通信模塊可以通過接入局域網(wǎng)獲取時間，由此微控制器完成是否到達時間節(jié)點及采集時長的判斷。特別需要指出的是，系統(tǒng)初始化上電工作時，即第一次上電工作，此時不存在上次掉電前設(shè)置的定時工作信息，系統(tǒng)會提示工作人員現(xiàn)場通過按鍵設(shè)置定時工作信息，微控制器同步保存該信息后，據(jù)此進行正常工作。

圖8 音頻采集終端工作流程圖

在系統(tǒng)正常工作過程中，工作人員可以隨時通過按鍵更改定時工作信息，如重新調(diào)整為在某個時間節(jié)點進行一次規(guī)定時長的音頻采集，或設(shè)置以多長的時間為間隔進行一次規(guī)定時長的音頻采集等。設(shè)置完后，微控制器將最新的定時工作信息更新存儲到RAM中，并按照該設(shè)置進行正常工作。

此外，在系統(tǒng)正常工作過程中，工作人員可以通過按鍵使系統(tǒng)工作于實時音頻采集狀態(tài)，即實時工作模式。在工作人員按下按鍵開啟中斷事件時，微控制器控制采集終端開始音頻采集，當工作人員再次按下按鍵關(guān)閉中斷事件時，控制采集終端停止音頻采集，最終將采集的這段音頻信號進行遠程發(fā)送或存儲到SD卡存儲模塊中。之后，系統(tǒng)重新切換至定時工作模式，直至工作人員再次按下按鍵開啟中斷，系統(tǒng)切換至實時工作模式。

在無線通信模塊工作異常、網(wǎng)絡(luò)異常等遠程傳輸異常的情況下，采集終端工作于本地音頻存儲模式。微控制器及時捕捉到無線通信模塊的網(wǎng)絡(luò)異常信息，暫停音頻采集，等待工作人員進行設(shè)置。工作人員通過按鍵設(shè)置新的定時工作信息，微控制器根據(jù)新設(shè)置開始正常工作，最終將采集的音頻信號保存至SD卡存儲模塊中。需要說明的是，因為此時不能獲取網(wǎng)絡(luò)時間，工作人員設(shè)置的定時工作信息只能是以多長的時間為間隔進行一次規(guī)定時長的音頻采集，對于設(shè)置的時間間隔和采集時長，微控制器需要開啟本地計時器與定時器進行實時判斷，該情況下工作人員的定時工作設(shè)置不更新到微控制器的RAM中。在本地音頻存儲模式下，工作人員依然可以隨時通過按鍵更改設(shè)置定時工作信息，設(shè)置完后，微控制器將根據(jù)最新的定時工作信息進行正常工作，重新設(shè)置的定時工作信息同樣不會更新到微控制器的RAM中。同樣的，在遠程傳輸異常的情況下，工作人員通過按鍵還可以切換系統(tǒng)工作于實時工作模式，同樣通過開啟或關(guān)閉中斷進行，并將采集的音頻信號保存至SD卡存儲模塊中。在遠程傳輸恢復正常后，系統(tǒng)會主動切換回此前的定時工作模式。

3.1.2 濾波算法處理

對采集終端采集的一段原始(未經(jīng)濾波處理)音頻信號進行分析，借助于GoldWave音頻剪輯軟件，可以從該段音頻信號中得到單個鳴叫聲和咳嗽聲的音頻片段。利用MATLAB對得到的音頻片段進行頻譜分析，由此繪制的頻譜分別見圖9。

圖9 肉雞鳴叫聲與咳嗽聲的原始頻譜圖

圖中可以看出，采集的原始音頻信號中含有一定的背景噪聲，需要對其進行濾波處理以得到高信噪比的音頻信號。從圖中同樣可以發(fā)現(xiàn)，肉雞鳴叫聲與咳嗽聲的頻率主要集中在1 200 Hz至3 000 Hz的范圍內(nèi)。因此，在微控制器的軟件程序中，首先添加了帶通濾波器的算法設(shè)計，頻帶范圍設(shè)置為1 000 Hz至3 200 Hz，有效保留了有效肉雞聲音信號，并實現(xiàn)了對音頻信號的初步濾波，其次，利用了譜減法濾波算法，對經(jīng)過初步濾波后的音頻信號進一步進行深度信號濾波處理，得到具有較高信噪比的音頻信號。

譜減法是最直觀和最常用的去噪聲思想，即利用帶噪信號的頻譜減去噪聲的頻譜，進而得到干凈信號的頻譜。設(shè)聲音信號為

x

(

n

)，經(jīng)過加窗分幀處理后，得到

i

幀幀長為

N

的聲音信號

x

(

m

)。聲音信號

x

(

m

)經(jīng)過離散傅里葉變換處理(DFT,discrete fourier transform)后為

x

(

k

)，其計算公式為：

(1)

對

x

(

k

)的每個分量的幅值和相角進行計算，可得幅值為|

x

(

k

)|，相角為：

(2)

根據(jù)前導無話段時長

IS

和對應的幀數(shù)

NIS

，可以求得該噪聲段的平均能量為：

(3)

譜減算法為：

(4)

其中：

a

和

b

是兩個常數(shù)，

a

為過減因子，

b

為增益補償因子。

圖10 基本譜減法的原理圖

這樣，經(jīng)過“帶通+譜減法”的組合信號濾波處理后的音頻信號，一方面由無線通信模塊從微控制器發(fā)送至遠程服務(wù)器進行本地保存，另一方面直接存儲在SD卡存儲模塊中。需要說明的是，此時采集的音頻信號具有較高的信噪比，利于音頻信號的后續(xù)處理。

3.2 無線通信模塊軟件設(shè)計

無線通信模塊作為采集終端與遠程服務(wù)器之間的通信媒介，主要完成將微控制器通過串口發(fā)送的字符流格式的音頻信號發(fā)送至遠程服務(wù)器，本質(zhì)上屬于數(shù)據(jù)通信。在本研究中，無線通信模塊包括GSM/GPRS通信模塊和WiFi通信模塊，并采用面向有連接(TCP/IP)的Socket通信作為兩者的通信方式。Socket通常翻譯為“套接字”，實際是一個句柄，存在于內(nèi)存中的一個標識符，作為網(wǎng)絡(luò)通信的一個符號。為了能區(qū)分不同的網(wǎng)絡(luò)應用服務(wù)，TCP/IP協(xié)議引入了端口號，把IP地址和端口號組合成通信的端點，即套接字，一對端點就表示相互通信的應用程序之間的網(wǎng)絡(luò)連接。在本研究中，采集終端作為客戶端，它的套接字稱為ClientSocket，遠程服務(wù)器作為服務(wù)器端，它的套接字稱為ServerSocket。根據(jù)連接啟動的方式以及套接字要連接的目標，套接字之間的連接過程包含以下3個步驟：服務(wù)器監(jiān)聽，客戶端請求，連接確認。

在本研究中，系統(tǒng)上電工作后，由采集終端板載的直流電源給無線通信模塊供電，并在微控制器的軟件程序中實現(xiàn)無線通信模塊與遠程服務(wù)器之間通信連接的建立和后續(xù)音頻文件的傳輸。其具體的工作過程如下：首先，根據(jù)遠程服務(wù)器端的IP地址和端口號，發(fā)送連接請求，在遠程服務(wù)器同意后，建立兩者之間的通信連接。其次，在建立通信連接之后，無線通信模塊會及時的將通過串口發(fā)送過來的經(jīng)過濾波處理的字符流形式的音頻信號發(fā)送至遠程服務(wù)器。具體的，GSM/GPRS模塊經(jīng)最近的基站通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，WiFi模塊通過接入同一局域網(wǎng)進行傳輸。最后，若采集終端或遠程服務(wù)器向?qū)Ψ桨l(fā)送斷開連接的指令，無線通信模塊及時結(jié)束通信連接。在此過程中，若遠程傳輸突然出現(xiàn)異常情況，則無線通信模塊及時反饋網(wǎng)絡(luò)異常的信息至采集終端，采集終端的微控制器及時捕捉該信息，暫停音頻采集，等待工作人員進行設(shè)置。需要說明的是，若無線通信模塊上電工作之初就出現(xiàn)遠程傳輸異常的情況，即無線通信模塊發(fā)送連接請求后未得到回復，則無線通信模塊同樣及時反饋網(wǎng)絡(luò)異常的信息至采集終端。上述流程見圖11。

圖11 無線通信模塊工作流程圖

3.3 遠程服務(wù)器軟件設(shè)計

在本研究中，遠程服務(wù)器為具有網(wǎng)絡(luò)連接功能的計算機，管理人員可以根據(jù)實際需求定點設(shè)置或移動設(shè)置，當計算機連接上網(wǎng)絡(luò)之后，采集終端可以通過無線通信模塊發(fā)送連接請求至計算機設(shè)備，計算機設(shè)備在同意連接請求后，開始音頻信號的傳輸。當GSM/GPRS通信模塊作為無線通信模塊時，計算機設(shè)備在任意地點建立兩者的通信連接；當WiFi通信模塊作為無線通信模塊時，計算機設(shè)備需在同一局域網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)建立兩者的通信連接。上述過程在硬件層面上保證了遠程服務(wù)器與無線通信模塊接入全球通信系統(tǒng)或同一局域網(wǎng)。類似于在采集終端的微控制器的程序中實現(xiàn)控制無線通信模塊完成軟件層面的Socket通信，遠程服務(wù)器也需要設(shè)計上位機軟件配套完成Socket通信的全過程。在本研究中，上位機軟件采用C#語言編程，在Visual Studio 2010環(huán)境下進行開發(fā)，考慮到本研究設(shè)計的重點在于整個音頻采集系統(tǒng)，所以此處對上位機軟件的具體設(shè)計過程不做過多介紹，但對其運行后與采集終端進行通信連接和音頻傳輸?shù)墓ぷ髁鞒踢M行描述。其工作流程見圖12。

圖12 遠程服務(wù)器工作流程圖

首先，遠程服務(wù)器在連接上網(wǎng)絡(luò)之后，運行上位機軟件啟動網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽并等待采集終端的通信連接請求，在接收到請求之后建立通信連接。其次，對無線通信模塊發(fā)送的音頻信號進行判斷，判斷其是否為數(shù)字式格式，當判斷為真時，對其進行接收并存儲到外存儲器中。最后，在接收到斷開連接的指令時，需要說明該指令包括采集終端下發(fā)和自身下發(fā)，則結(jié)束通信連接。在此過程中，若出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異常情況時，同樣結(jié)束通信連接。

4 系統(tǒng)測試與分析

4.1 功能測試過程

本研究的音頻采集系統(tǒng)完成后，在黑龍江省牡丹江市林口縣匯興養(yǎng)殖場進行了現(xiàn)場測試。由于該養(yǎng)殖場地處偏遠，未能覆蓋局域網(wǎng)，因此選用GSM/GPRS模塊作為通信模塊。遠程服務(wù)器設(shè)置為黑龍江大學電磁兼容實驗室內(nèi)的一臺計算機，該計算機已接入以太網(wǎng)，并已運行上位機軟件進入了等待連接請求的狀態(tài)。圖13為林口縣匯興養(yǎng)殖場現(xiàn)場測試圖。

圖13 林口縣某肉雞養(yǎng)殖場現(xiàn)場測試圖

圖14為運行在遠程服務(wù)器上的上位機軟件。需要說明的，圖中“音頻網(wǎng)絡(luò)通信”部分是與本研究相關(guān)的遠程傳輸部分，其他部分為本研究依托項目的其他功能模塊。從圖中可以看出，遠程服務(wù)器的IP地址為：192.168.0.10，端口號為：8899，并且已經(jīng)處于監(jiān)聽狀態(tài)，等待采集終端的連接請求。

圖14 遠程服務(wù)器的上位機軟件測試圖

采集終端正常工作后，對其進行初始化設(shè)置，每次采集時長為2分鐘的音頻信號，且采集頻率為每整點采集一次，筆者測試時的時間為11時41分，當時間為12時整時，采集終端對音頻進行采集，并在12時02分結(jié)束音頻采集。如圖15所示，上位機軟件接收到通過GSM/GPRS通信模塊發(fā)送的音頻信號，并將其存儲在外存儲器中。

圖15 接收音頻信號并存儲到外存儲器中

隨后，筆者按下按鍵將采集終端切換至實時工作模式，并隨機采集了一段時長17秒的音頻信號，最終同樣發(fā)送至遠程服務(wù)器并存儲到外存儲器中。現(xiàn)場測試過程中，筆者將GSM/GPRS模塊的SIM卡拔出，人為造成無線傳輸中斷的狀態(tài)，此時采集終端及時調(diào)整工作狀態(tài)，等待筆者進行新的定時工作信息的設(shè)置，筆者將其設(shè)置為每5分鐘采集一次時長10秒的音頻信號，則其在設(shè)置完成后的15分鐘內(nèi)，共采集了3端音頻信號，并存儲在了SD卡存儲模塊中，筆者按下按鍵將采集終端切換至實時工作模式，同樣成功地采集一段時長8秒的音頻信號存儲在SD卡存儲模塊中，遠程服務(wù)器讀取的SD卡存儲模塊內(nèi)的部分音頻信號見圖16。

圖16 SD卡存儲模塊中的音頻信號

接著重新插入SIM卡，并且將采集終端重新啟動。此時無線傳輸恢復正常工作狀態(tài)，即可以正常讀取斷電前設(shè)置的工作信息：采集頻率為每整點采集一次且采集時長為2分鐘的音頻信號，可以進行正常工作，則表明測試達到了預期的效果。最后，隨機選擇一段音頻信號，并借助于GoldWave音頻剪輯軟件，從原始信號中剪輯出單獨的鳴叫聲和咳嗽聲片段，利用MATLAB進行頻譜分析后得到的頻譜如圖17所示。

圖17 濾波處理后的鳴叫聲與咳嗽聲頻譜圖

與圖19相比，可以看出，經(jīng)過譜減法濾波后的音頻信號中的噪聲被有效抑制，音頻信號的信噪比明顯提升，且集中在1 200 Hz至3 000 Hz。至此，本系統(tǒng)的所有功能測試結(jié)束。

4.2 測試分析

上述測試表明，本研究設(shè)計的基于無線傳輸技術(shù)的肉雞養(yǎng)殖場音頻采集系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場測試，較好地實現(xiàn)了預期效果。系統(tǒng)在接通電源后，采集終端會根據(jù)設(shè)置的工作信息，在指定時間點進行指定時長的音頻采集；當按下按鍵觸發(fā)中斷時，采集終端會切換至實時工作模式，根據(jù)中斷開啟的時長進行音頻采集。采集終端的微控制器會將采集到的音頻信號編碼為一段字符流，利用帶通濾波和譜減法對其進行濾波處理，最后利用無線通信模塊完成采集終端與遠程服務(wù)器之間的字符流傳輸，由上位機軟件將字符流解碼為音頻信號，并將其存儲在外存儲器中。若遠程傳輸發(fā)生異常，采集終端會根據(jù)重新獲得的工作信息進行正常工作，并在觸發(fā)中斷時切換至實時工作模式進行工作。在此種情況下，在采集到音頻信號并對其進行濾波處理后，由微控制器解碼為音頻信號，并將其存儲在SD卡中，后續(xù)通過移動拷貝的方式存儲至外存儲器中。通過對濾波前后音頻信號的頻譜分析可得，濾波后的音頻信號的整體信噪比有所提升。

5 結(jié)束語

對肉雞咳嗽聲與鳴叫聲進行識別和分析處理，可以有效分析其健康狀況，本研究的基于無線傳輸技術(shù)的肉雞養(yǎng)殖場音頻采集系統(tǒng)，是作為獲取音頻信號來源的重要環(huán)節(jié)，由采集終端、無線通信模塊與遠程服務(wù)器組成。在無線傳輸正常的狀態(tài)下，采集終端可以工作于定時或?qū)崟r工作模式，并將采集的音頻信號經(jīng)濾波處理后發(fā)送至遠程服務(wù)器進行存儲；在無線傳輸異常的狀態(tài)下，采集終端也可以工作于定時或?qū)崟r工作模式，并將采集的音頻信號經(jīng)濾波后保存至SD卡存儲模塊中，通過移動拷貝的方式存儲到遠程服務(wù)器。本研究作為某市廳級項目一部分，是該項目的開展后續(xù)研究的重要基礎(chǔ)。同時，設(shè)計的系統(tǒng)可移植性、拓展性強，可以推廣應用于其他畜牧類動物養(yǎng)殖廠的監(jiān)測或監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計中，具有較高的應用價值。

下一步階段工作的展望，一方面，在采集終端經(jīng)過帶通濾波與譜減法濾波的音頻信號，還存在些許的干擾噪聲，這些噪聲可能是因為采集終端自身的無線通信或電壓供電產(chǎn)生的機械噪聲或電磁干擾，筆者打算進一步在服務(wù)器端對音頻信號進行二次濾波處理，進一步提高音頻信號的信噪比，方便后續(xù)研究。另一方面，筆者將同課題組成員一起，在本研究采集保存的音頻信號的基礎(chǔ)上，利用語音識別技術(shù)對其中的肉雞鳴叫聲與咳嗽聲進行有效提取，最終通過閾值比對等手段實現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)肉雞健康狀況的監(jiān)測。