语音信息采集子系统包括语音采集模块和语音编码模块。语音采集模块实现对原始语音信息的采集，并通过语音编码模块实现高保真的语音压缩，形成可传输的数据信息。
    数据信息则通过传感器节点的通信子系统以多跳形式汇聚给Sink节点，其中传输方式及路径选择将由分析决策系统控制。同时，在事件密集发生过程中，可通过本地存储模块对后续语音进程进行缓存，并由分析决策系统控制，实现分时分级多路径传输^[4]。
    与传统的无线传感器网络采集环境监测数据并低速传递不同，语音监测无线传感器网络应用中需要传递大量的数据信息，为此可运用数据融合技术减少冗余数据量，有效节省网络通信和能量资源，提高网络运行性能。
    本系统数据融合模块所采用的融合策略由上层分析决策系统根据应用所制定，当多节点进行数据上报时，可在中继节点中运用数据融合技术实现语音数据多级压缩，以减少冗余信息。在单一节点本地存储模块内部也可实现对某时段内相似信息的数据融合，减少传输数据量，从而节省网络能量，延长生命周期。同时数据融合技术可实现网络内部对错误信息的剔出和校正，提高信息的有效性和正确性。
2 语音无线传感器网络节点硬件开发
    语音无线传感器网络节点功能包括对监测区域内的音频信息采集、网络自组、数据汇报、自身电量监控等，传感器节点结构由处理控制器、语音采集模块、电源模块、射频模块以及本地监控电路等组成，如图2所示。

    微处理器作为无线传感器节点的计算核心，所有的设备控制、任务调度、能量计算、功能协调、通信协议" title="通信协议">通信协议、数据整合和数据存储都将在这个模块的支持下完成， 所以处理器的选择在传感器节点设计中至关重要。针对无线传感器网络实际应用，它应该满足以下要求: 体积小、集成度高、功耗低（支持睡眠模式）、运行速度快、有足够的GPIO和通信接口、可扩展大容量的存储器、成本低、有安全保证等。目前传感器节点设计中，使用较多的MCU有Atmel 公司的AVR单片机和TI 公司的 MSP430超低功耗系列8位微处理器。
    同时，由于在传感器网络语音通信系统中，需要较高的采样速率以及较大的处理存储空间以处理比数据容量大得多的语音信息，若选取传统的8位处理器，MCU的速度与外围器件的速度将会产生相互限制的瓶颈问题。此外，考虑到系统日后的升级，因此本设计选用ARM嵌入式芯片。ARM处理器其低端产品价格便宜、功耗极低， 并且有相当高的集成度、极快的处理速度以及可观的地址空间， 是需要大量内存、外存以及高数据吞吐率和处理能力的新一代传感器网络节点处理器的理想选择。本文选择Philips公司的LPC2194作为处理器，结合语音采集模块和无线收发模块，设计了具有语音通信功能的无线传感器网络微型节点。
2.1 微处理器电路
    LPC2194微处理器基于支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7TDMI-STM CPU，并带有256KB的嵌入的高速Flash存储器、128位宽度的存储器接口和独特的加速结构，使32位代码能够在最大时钟速率(60Hz)下运行。在系统设计中，由于采用对代码规模严格控制的技术(将代码规模降低超过30%)以及使用16位Thumb模式，提高了系统效率。在无线传感器节点设计中，充分利用LPC2194快速的处理速度，通过高效SPI接口与射频芯片CC1000通信，同时模拟C-BUS通信时序与CMX649通信。由于LPC2194内部存储空间只有256KB，因此在外部扩展了一个4MB的Flash存储器，以存储部分程序，并可实现对语音数据的本地缓存。
2.2 语音信号采集电路
    语音信号采集与处理电路采用CMX649语音编码芯片应用电路以及前置放大滤波电路。CMX649芯片支持CVSD语音编码调制，提供全双工的ADM(CVSD)、μ-律、A-律和线性PCM编码。CMX649内部集成的数字扰频器可在一定程度上增强通信的安全性，并降低不规则的连续“1”或“0”的出现概率。
    本系统设计中，模拟语音由MIC+、MIC-/AUDIO OUT引脚输入/输出，经过CMX649内部编译码器进行语音编/译码及滤波；CMX649通过C-BUS总线接口与LPC2194进行通信传输控制数据，TX DATA、RX DATA引脚传输编/译码数据；采用CVSD编码方式，16Kb/s采样速率，对于功率的控制、编/译码的相关算法以及其他的一些功能参数的配置均通过CMX649寄存器进行。
2.3 射频模块
    考虑无线传感器网络协议栈的开放性，射频芯片采用Chipcon AS公司推出的基于Smart RF技术的射频收发器CC1000。该芯片只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。CC1000工作的标准频段有四种：315MHz、433MHz、868MHz、915MHz，同时它能够通过简单的串行接口程序控制工作于300MHz～1000MHz频段上。
    在本系统设计中，CC1000工作在433MHz的频段上，传输波特率最大可达76.8Kb/s。LPC2194通过3-wire接口对CC1000编程，使CC1000在实际工作中可采用不同的工作模式。经测试，系统在100m的传输范围内具有良好的语音通话效果，而最大传输通信范围可达300m。
2.4 电源电路
    电源管理包括稳压电路、电平转换电路以及开关电路，为系统提供不同芯片的工作电压，保证整个系统稳定工作。同时，必须对电源(电池)进行监测，一旦供电不足，应直接向用户报警。为了保证系统工作稳定，对于供电电源应采用必要的抗干扰措施，如电源滤波，变压器初、次级屏蔽隔离等。
3 传感器网络语音通信系统软件开发
3.1 CVSD语音编码算法
    在语音通信发展中，无线语音通信一直是主要的通信方式，而且其应用领域也在不断扩大。目前，在语音编码领域中，应用较广泛的技术有脉冲编码调制（PCM）、自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）、自适应增量调制（ADM）等。ADM编码由于在传输有误码的情况下仍能保持良好的语音品质，使其成为无线语音应用中理想的编码调制方案之一。而连续可变斜率增量调制（CVSD）作为ADM的一种形式，以应用难度低、低成本、较低的采样频率获得较好的语音质量等优势，得到了广泛的应用。
    图3为CVSD的编码器结构。编码时输入的语音信号和积分器的输出信号经比较器比较后输出一个偏差信号，该偏差信号被送到量化器Q。量化器输出的数字信号反映了偏差信号的极性，即语音信号的数字编码；同时该信号也作为积分器输出斜率的极性控制信号和积分器输出斜率大小逻辑的输入信号。反馈链路上设置的延迟模块Z^-1是将量化器当前的输出值与之前的若干输出值进行比较，当量化结果出现有三个连续的“1”或 “0”时，即比较器检测出满足斜率过载的条件时，编码器将通过可编程步长控制模块调节量化步长，以更好地跟踪输入的模拟信号。另外，反馈回路上设置有两个积分器，它们与CVSD编码相结合可以提供优良的语音质量^[5]。

   图4为CVSD的译码器结构。与编码器结构类似但过程相反。等级映射转换器L的输出与积分器的输出相结合，就得到译码结果。延迟模块用来测试比较最近若干次的编码量化结果，当量化结果出现三个连续的“1”或“0”而达到斜率过载条件时，则译码器也通过可编程步长控制模块调节量化步长的值。

3.2 网络通信协议研究
    在系统通信协议设计中，WSN网络采用分层通信协议，由物理层、数据链路层、网络层和应用层构成，并通过能量管理平台和任务平台实现对各层协议的有效控制，形成无线传感器网络的连通拓扑图结构。其网络结构如图5所示。

    任务管理平台和能量管理平台为整个通信协议的实现提供有效的控制和管理。基于下三层通信协议的良好基础，本文设计了实现语音通信的应用层协议。通过应用层协议可实现槽节点与传感器节点的双向可靠语音数据传输以及网络管理所必须的控制信息传递。同时，本系统还完成了槽节点与用户PC机的交互通信设计，以实现语音数据的获取和分析。无线传感器网络数据帧格式如图6所示。

    由于语音传输对实时性的要求较高，而对于传输过程中出现的短暂的丢包以及错误又都是可以允许的，所以传统的可靠传输控制协议对于语音传输并不完全适用。因此本系统基于无线传感器网络构架设计，设计中选用一次握手、多个数据连续通信的不可靠数据报传送协议传送语音数据。
4 性能测试分析
    性能测试主要是对本系统的关键参数进行测试，观察语音通信音质的关键指标（延迟、抖动和丢包率）。这是因为：（1）若在语音无线传输中存在过长的延迟,将使接收方无法得到连贯的语音信息。（2）由于抖动而造成的数据包的倒序和乱序,将对话音回放的质量有很大影响，降低音质。（3）丢包是影响话音音质最严重的因素，通过试验证实,当丢包率小于5%时，语音通信基本不受影响;而当丢包率大于20%时，接收方将完全无法得到正确的语音信息。
    本设计在保持网络结构相同的情况下，动态地调整节点中缓冲区的大小，在相同采样率下观察语音通信音质效果如表1所示。由表1可知，传感器节点中的缓冲区大小设置对音质具有关键影响作用。在相同采样率下，缓冲区越大，语音音质越清楚，但是经过多跳传输后延迟也越大。若缓冲区设置过大，则带来过长的延迟而使语音音质下降。另一方面，随着设置缓冲区减小，传输延迟明显减小，但是音质将受到损失。这是因为在中继节点上的较小缓冲区无法完全暂存大量语音数据包，将自动丢弃部分数据包，从而影响语音音质。通过实验，系统选取缓冲区大小为1 500B，以实现高质量语音通信。