【導(dǎo)讀】低能耗藍(lán)牙被業(yè)界廣泛認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用愿景的關(guān)鍵技術(shù)。事實(shí)上，極低的功耗使其成為電池供電的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品最理想的無線通信解決方案，盡管目前低能耗藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范還是局限于幾種特定應(yīng)用，但是，創(chuàng)新的解決方案可促使這項(xiàng)技術(shù)拓展到不同的應(yīng)用領(lǐng)域，例如，多媒體流。按照這個(gè)發(fā)展方向，本文介紹一個(gè)叫做BlueVoice的低能耗藍(lán)牙設(shè)備語音流應(yīng)用。
本文從支持語音流服務(wù)所需的擴(kuò)展服務(wù)集開始介紹BlueVoice應(yīng)用，然后在實(shí)際硬件設(shè)備上評(píng)估BlueVoice的性能。在所選的硬件平臺(tái)上，BlueVoice應(yīng)用完全支持語音流服務(wù)，同時(shí)避免能源浪費(fèi)。
I. 前言
經(jīng)歷過去幾十年的快速增長，互聯(lián)網(wǎng)幾乎滲透到人類社會(huì)日常生活的方方面面。未來互聯(lián)網(wǎng)將擴(kuò)展到萬物互聯(lián)，數(shù)十億甚至數(shù)百億個(gè)有唯一身份的“物品”通過無線通信與人類和周圍環(huán)境交互，執(zhí)行高級(jí)任務(wù)。在這一構(gòu)想中，“物品”可能是傳感器、致動(dòng)器、家電、玩具，總之，可以是任何能夠被識(shí)別的虛擬或?qū)嶓w物品，這種互聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)構(gòu)想被稱為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)。
物聯(lián)網(wǎng)概念是通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議解決方案(即互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)和無線通信接口，把所有產(chǎn)品設(shè)備連接在一起，組成一個(gè)全球網(wǎng)絡(luò)。實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，雖然可以使用現(xiàn)有的大量的射頻通信技術(shù)，但是當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品是部署在現(xiàn)場的自主型電池供電裝置時(shí)，低功耗無線通信技術(shù)才會(huì)是最適合的通信解決方案。在這個(gè)方面，低能耗藍(lán)牙(Bluetooth LE) [1]技術(shù)被視為最有效的物聯(lián)網(wǎng)通信解決方案，同時(shí)正在融入互聯(lián)網(wǎng)世界[2]。
在今天的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，低能耗藍(lán)牙解決方案主要用于生命參數(shù)監(jiān)視用途。除傳統(tǒng)的監(jiān)視服務(wù)外，近幾年業(yè)界開始探索基于其它技術(shù)的先進(jìn)應(yīng)用。例如，參考文獻(xiàn)[3]提出并分析了基于IEEE802.15.4的網(wǎng)絡(luò)[4]語音通信。在這個(gè)方面，通過低能耗藍(lán)牙傳輸多媒體數(shù)據(jù)還是處于起步階段，缺少可用的解決方案主要是因?yàn)樽畛踉O(shè)想時(shí)未考慮到這些應(yīng)用(例如，最初主要考慮的是醫(yī)療、健身等應(yīng)用)。本文以在低能耗藍(lán)牙設(shè)備上支持語音流服務(wù)的BlueVoice應(yīng)用為例，探討如何解決這些技術(shù)限制問題。我們先了解一下低能耗藍(lán)牙技術(shù)，然后詳細(xì)介紹支持該新應(yīng)用概念所需的擴(kuò)展服務(wù)集，再介紹應(yīng)用設(shè)計(jì)，最后在STM32 Nucleo L476板上測試實(shí)際性能。
本文的有要內(nèi)容安排如下：第二章介紹低能耗藍(lán)牙工作原理，先描述整個(gè)工作棧;然后介紹配置文件(Profiles)概念。第三章介紹應(yīng)用方案設(shè)計(jì)，描述其低能耗藍(lán)牙配置文件，然后介紹其設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及實(shí)際性能。第四章是結(jié)論。
II. 低能耗藍(lán)牙技術(shù)概述
BLE低能耗藍(lán)牙規(guī)范于2010年寫入藍(lán)牙4.0核心規(guī)范，盡管與基本藍(lán)牙相似，但是低能耗藍(lán)牙規(guī)范主要是為超低功耗應(yīng)用設(shè)計(jì)開發(fā)。通過低能耗藍(lán)牙技術(shù)連接電池供電設(shè)備的潛在應(yīng)用非常少，醫(yī)療、健身和智慧家居是其中僅有的幾例。
圖1. 低能耗藍(lán)牙協(xié)議棧
如圖1所示，低能耗藍(lán)牙協(xié)議棧總體結(jié)構(gòu)主要由兩個(gè)部分組成：控制器和主機(jī)。應(yīng)用軟件使用協(xié)議棧主機(jī)層的協(xié)議提供的服務(wù)。主機(jī)層分為五層：邏輯鏈路控制和適配協(xié)議(L2CAP)、屬性協(xié)議(ATT)、通用屬性配置文件(GATT)、安全管理協(xié)議(SM)、通用訪問配置文件(GAP)。控制器部分只有兩層：物理層(PHY)和鏈路層(LL)。如圖1所示，主機(jī)-控制器(HCI)接口是控制器與主機(jī)的通信通道。
物理層負(fù)責(zé)比特調(diào)制，通過無線通道收發(fā)數(shù)據(jù)。最高數(shù)據(jù)速率是1 Mb/s，典型通信距離是幾十米。
鏈路層規(guī)定兩個(gè)設(shè)備之間雙向通信的功能。低能耗藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)角色：主設(shè)備和從設(shè)備。通常是主設(shè)備(例如，筆記本電腦、智能手機(jī))搜索從設(shè)備(例如，體感設(shè)備);必要時(shí)，從設(shè)備向主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。從設(shè)備通常處于睡眠狀態(tài)，并在固定間隔內(nèi)喚醒，以便被主設(shè)備搜到。
在鏈路層之上，邏輯鏈路控制和適配協(xié)議(L2CAP)有兩個(gè)主要功能。該協(xié)議的主要作用是提供多路傳輸功能，按照標(biāo)準(zhǔn)低能耗藍(lán)牙分組數(shù)據(jù)格式，封裝轉(zhuǎn)換頂層多協(xié)議數(shù)據(jù)。安全管理協(xié)議(SM)和通用訪問配置文件(GAP)分別提供數(shù)據(jù)安全和服務(wù)管理功能。詳細(xì)的說，安全管理協(xié)議定義密鑰的生成方式，以及如何在兩個(gè)設(shè)備(主從設(shè)備)之間交換密鑰，建立安全加密通信通道，而通用訪問配置文件則規(guī)定兩個(gè)設(shè)備如何在底層交互操作
屬性協(xié)議(ATT)和通用屬性配置文件是開發(fā)新應(yīng)用時(shí)需要重點(diǎn)考慮的兩個(gè)協(xié)議組件。屬性協(xié)議是一個(gè)無狀態(tài)的客戶機(jī)/服務(wù)器協(xié)議：不考慮設(shè)備的底層角色是主設(shè)備還是從設(shè)備，每個(gè)設(shè)備都可以設(shè)為服務(wù)器、客戶機(jī)或是客戶機(jī)兼服務(wù)器。客戶機(jī)請求服務(wù)器數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)，服務(wù)器向客戶機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以屬性的形式保存在服務(wù)器內(nèi)，每個(gè)屬性都含有GATT管理的數(shù)據(jù)，而且該數(shù)據(jù)被分配一個(gè)通用唯一標(biāo)識(shí)符(UUID)。通過一個(gè)L2CAP專用通道，屬性協(xié)議在服務(wù)器屬性與客戶機(jī)之間建立一條通信通道。通用屬性配置文件(GATT)在屬性協(xié)議層添加一個(gè)數(shù)據(jù)抽象模型，負(fù)責(zé)搜索屬性協(xié)議保存的數(shù)據(jù)，在兩個(gè)設(shè)備之間交換特征。每個(gè)低能耗藍(lán)牙設(shè)備都有一套可能屬性(存儲(chǔ)服務(wù))和特征(與存儲(chǔ)服務(wù)相關(guān)的屬性)。如果在低能耗藍(lán)牙棧上建立一個(gè)新應(yīng)用，則必須定義屬性和特征。某一特定應(yīng)用的特征、屬性和底層規(guī)范合稱配置文件，標(biāo)準(zhǔn)配置文件可保證不同品牌的產(chǎn)品能夠互聯(lián)互通。
III. BLUEVOICE應(yīng)用
下面我們介紹BlueVoice應(yīng)用，首先定義語音通信低能耗藍(lán)牙配置文件，然后討論所涉及設(shè)備的通信角色、音頻處理和壓縮選擇、數(shù)據(jù)分組問題和帶寬要求。我們提出兩個(gè)在音頻采集和功耗方面不同的系統(tǒng)配置，以滿足不同的應(yīng)用要求。本章最后一部分介紹在一個(gè)實(shí)際硬件設(shè)備上實(shí)現(xiàn)的BlueVoice應(yīng)用，然后比較并討論實(shí)際測量到的應(yīng)用性能，例如，功耗、存儲(chǔ)器占用、處理性能要求和自動(dòng)語音識(shí)別(ASR)性能。
A. 服務(wù)定義
考慮到音頻流用例不屬于低能耗藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)配置文件，為實(shí)現(xiàn)語音流服務(wù)，BlueVoice應(yīng)用在低能耗藍(lán)牙協(xié)議棧上，定義了一個(gè)叫做BlueVoice Service(BVS)的“廠商專用配置文件”，指定了服務(wù)器與客戶機(jī)之間交換語音數(shù)據(jù)的方式。此外，考慮到半雙工通信需要特別的設(shè)計(jì)選擇，本章稍后詳細(xì)討論這個(gè)問題。
如前文所述，屬性協(xié)議ATT是通用屬性配置文件GATT在不同設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議，屬性是ATT定義的最小的實(shí)體，是可尋址的信息段(內(nèi)置UUID標(biāo)識(shí)碼)，可能含有用戶數(shù)據(jù)或關(guān)于屬性本身架構(gòu)的元信息，例如，權(quán)限、加密和授權(quán)屬性。GATT服務(wù)器屬性按特定順序組成一個(gè)服務(wù)序列，序列開始部分是服務(wù)聲明屬性，后面跟一個(gè)或多個(gè)特征和可能的描述符。每個(gè)特征都是一個(gè)被披露的屬性。除標(biāo)準(zhǔn)配置文件UUID外，在定制應(yīng)用中，開發(fā)人員可使用獨(dú)有的和廠商專用的UUID開發(fā)有自己特征的新服務(wù)，BlueVoice應(yīng)用就是這種情況。考慮到單向音頻流系統(tǒng)不對稱性，服務(wù)器通過BVS配置文件向客戶機(jī)披露數(shù)據(jù)類型和格式以及訪問方式。BVS服務(wù)包含下列屬性，如圖2所示。
服務(wù)聲明(Handle 0x0010)
– UUID: 標(biāo)準(zhǔn)16位UUID，用于主服務(wù)聲明(0x2800).
– 權(quán)限:讀
– 數(shù)值: 獨(dú)有128位BVS UUID.
特征聲明 (Handle 0x0011)
– UUID: 標(biāo)準(zhǔn)16位UUID，用于特征聲明 (0x2803).
– 權(quán)限: 讀
– 數(shù)值: 獨(dú)有128位音頻UUID, 僅用于通知, Handle: 0x012.
特征數(shù)據(jù) (Handle 0x0012)
– UUID: 獨(dú)有128位音頻UUID.
– 權(quán)限: 無
– 數(shù)值: 實(shí)際音頻數(shù)據(jù)
特征聲明 (Handle 0x0014)
– UUID: 標(biāo)準(zhǔn)16位UUID，用于特征聲明 (0x2803).
– 權(quán)限:讀
– 數(shù)值: 獨(dú)有128位同步UUID，僅用于通知，Handle: 0x0015.
特征數(shù)據(jù) (Handle 0x0015)
– UUID: 獨(dú)有128位同步UUID.
– 權(quán)限: 無
– 數(shù)值: 實(shí)際同步數(shù)據(jù)
根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，主服務(wù)聲明是服務(wù)的第一個(gè)屬性，其數(shù)值域包含該聲明引入的UUID定義。BlueVoice應(yīng)用聲明使用一個(gè)128位獨(dú)有的UUID(BVS UUID)。BVS包含兩個(gè)特征，分別叫做音頻(Audio)和同步(Sync) 特征。在低能耗藍(lán)牙規(guī)范中，每個(gè)特征至少包含兩個(gè)屬性，分別是特征聲明和特征數(shù)值。特征聲明以元數(shù)據(jù)的形式定義其屬性，特征數(shù)值則是包含實(shí)際特征數(shù)據(jù)。在BlueVoice情況中，音頻和同步特征都包含一個(gè)單一的由獨(dú)有128位UUID定義 (AudioData和SyncData UUID) 的屬性，分別含有實(shí)際音頻數(shù)據(jù)和邊信息同步數(shù)值。音頻和同步特征聲明將AudioData和SyncData屬性定義為”僅通知”，未取得客戶機(jī)的讀寫權(quán)限，表示音頻數(shù)據(jù)和同步數(shù)據(jù)只以通知的形式傳輸，服務(wù)器不答復(fù)客戶機(jī)。為與低能耗藍(lán)牙服務(wù)的分層架構(gòu)一致，其它特征可能會(huì)增加到未來發(fā)布的BlueVoice應(yīng)用。
圖2. BlueVoice服務(wù)(BVS)定義
B. 應(yīng)用設(shè)計(jì)
本章主要介紹BlueVoice應(yīng)用設(shè)計(jì)的(i)低能耗藍(lán)牙通信(ii)音頻處理。
1) 低能耗藍(lán)牙通信
按照低能耗藍(lán)牙協(xié)議，通信可以是多點(diǎn)廣播，也可以是點(diǎn)對點(diǎn)連接。BlueVoice應(yīng)用鏈路層使用連接通信模式，在兩個(gè)設(shè)備之間建立永久性的點(diǎn)對點(diǎn)連接，這兩個(gè)設(shè)備扮演兩個(gè)不同的角色：中央設(shè)備和周邊設(shè)備。中央設(shè)備又稱主設(shè)備，支持與周邊設(shè)備(從設(shè)備)相關(guān)的復(fù)雜功能。中央設(shè)備是發(fā)起通信連接，執(zhí)行自適應(yīng)跳頻，數(shù)據(jù)加密，管理通信時(shí)序，定義設(shè)備間數(shù)據(jù)交換方式。該角色分配符合低能耗藍(lán)牙的非對稱設(shè)計(jì)概，為能效要求高的設(shè)備分配更少的工作任務(wù)。電池供電的便攜設(shè)備通常是從設(shè)備，不過，必須說明的是，根據(jù)規(guī)范[1],每個(gè)設(shè)備在每個(gè)連接事件發(fā)生時(shí)可單獨(dú)發(fā)送數(shù)據(jù)，且角色不在數(shù)據(jù)吞吐量上強(qiáng)加限制或優(yōu)先權(quán)。考慮到半雙工通信情況，BlueVoice應(yīng)用可運(yùn)行在自主的電池供電無線傳感設(shè)備上，且這些設(shè)備配備麥克風(fēng)(和最終標(biāo)量傳感器，如典型物聯(lián)網(wǎng)概念中無處不在的監(jiān)視應(yīng)用), 因此，角色分配不再與收發(fā)功能有關(guān)。
在鏈路層之上，GATT層定義互動(dòng)設(shè)備的客戶機(jī)和服務(wù)器角色，與前文描述的主設(shè)備和從設(shè)備無關(guān)。服務(wù)器是提供信息的設(shè)備，而客戶機(jī)是請求或接收最新信息的設(shè)備。考慮到單向音頻流是非對稱系統(tǒng)，裝備麥克風(fēng)的設(shè)備是唯一有語音信息的設(shè)備，因此可將其視為通信服務(wù)器，另一個(gè)設(shè)備是客戶機(jī)，向服務(wù)器發(fā)送信息請求，并接收服務(wù)器發(fā)起的含有語音數(shù)據(jù)的更新信息。在雙向通信系統(tǒng)中，語音數(shù)據(jù)是雙向傳輸，架構(gòu)是對稱的，中央設(shè)備和周邊設(shè)備都配備麥克風(fēng)，都可以充當(dāng)服務(wù)器，輸出任何屬性格式的音頻數(shù)據(jù)。同時(shí)，服務(wù)器也能充當(dāng)客戶機(jī)，發(fā)送信息請求，并接受另一個(gè)設(shè)備發(fā)送的更新信息。
雙向語音數(shù)據(jù)流是基于服務(wù)器以固定間隔向客戶機(jī)發(fā)送通知，不需要接收設(shè)備發(fā)送請求或回復(fù)信號(hào)。從設(shè)備在上電階段進(jìn)入廣播模式，以低頻發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包，主設(shè)備進(jìn)入搜索模式，掃描是否有其它設(shè)備存在，反之亦然。收到廣播數(shù)據(jù)包代表主設(shè)備發(fā)現(xiàn)了相關(guān)從設(shè)備，然后，主設(shè)備發(fā)送一個(gè)連接請求。在連接建立過程結(jié)束后，按照所選的通信傳輸方向：中央設(shè)備至周邊設(shè)備或周圍設(shè)備-中央設(shè)備，以固定間隔從服務(wù)器向客戶機(jī)發(fā)送含有音頻數(shù)據(jù)的異步通知數(shù)據(jù)包。圖3所示是BlueVoice在GATT 層的角色分配。
圖3：BlueVoice配置文件角色分配
2)音頻處理
BlueVoice的音頻處理目的是在根據(jù)應(yīng)用所選的接收端上，取得8kHz 或16 kHz的目標(biāo)音頻采樣。事實(shí)上，對于低功耗要求極其嚴(yán)格但是對音質(zhì)要求不高的應(yīng)用場景，例如，無需人耳聽清楚的自動(dòng)語音識(shí)別服務(wù)輸入音頻，8kHz采樣率可能是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。
使用自適應(yīng)差分脈沖碼調(diào)制算法壓縮低能耗藍(lán)牙音頻傳輸信號(hào)，可使音頻信號(hào)適用于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)最大限度縮減射頻傳輸時(shí)間以及功耗。我們使用數(shù)字MEMS麥克風(fēng)設(shè)計(jì)一個(gè)全數(shù)字解決方案，尺寸和音質(zhì)等特性使其適用于無線傳感器設(shè)備。圖4所示是16 kHz采樣率的完整語音處理鏈。該解決方案首先采集數(shù)字MEMS麥克風(fēng)生成的1 MHz 的1位脈沖密度調(diào)制(PDM)信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成16 kHz 的16位脈沖編碼調(diào)制(PCM)采樣，然后以16000個(gè)采樣/秒的采樣率，再將其壓縮成4位ADPCM采樣信號(hào)，并準(zhǔn)備發(fā)送。
此外，以較低的頻率發(fā)送邊信息同步數(shù)據(jù)集合，所需帶寬是64 kbps音頻數(shù)據(jù)與300 bps同步信息數(shù)據(jù)之和，總計(jì)64.3 kbps。對于8kHz采樣率，最終ADPCM采樣率是8000個(gè)采樣/秒，導(dǎo)致31.3 kbps帶寬需求，包括邊信息。下面章節(jié)深入介紹上述模塊。
圖4：16kHz 配置的BlueVoice數(shù)據(jù)傳輸鏈
MEMS麥克風(fēng)的容性傳感器生成的模擬信號(hào)經(jīng)放大和高速率采樣后，交由整合量化和噪聲修整操作的內(nèi)部sigma-delta調(diào)制器處理，輸出的數(shù)據(jù)是一個(gè)單一的高采樣率的PDM格式比特，PCM轉(zhuǎn)換是從PDM到無線通道發(fā)送壓縮音頻數(shù)據(jù)的整個(gè)處理鏈的中間環(huán)節(jié)。為了把PDM流轉(zhuǎn)換成PCM數(shù)據(jù)，需要使用一個(gè)抽取濾波器和兩個(gè)可單獨(dú)配置的濾波器(低通濾波器和高通濾波器。該處理模塊輸出16位PCM格式采樣流。按照所選采樣頻率，采用一個(gè)不同配置的抽取濾波器，以取得16位PCM數(shù)據(jù)采樣。
ADPCM編碼模塊壓縮PCM采樣，通過減少數(shù)據(jù)包傳輸量，節(jié)省傳輸帶寬，降低能耗，如前文所述，ADPCM 是一個(gè)用于損耗波形編碼的壓縮算法，其基本原理是根據(jù)上一個(gè)數(shù)值預(yù)測當(dāng)前數(shù)值，只傳輸自適應(yīng)量化步驟量化的實(shí)際值與預(yù)測值的差值。存在諸多可選壓縮標(biāo)準(zhǔn)，卻單單選用ADPCM標(biāo)準(zhǔn)，這是因?yàn)樗腔诓ㄐ尉幋a方法，與基于聲碼器的復(fù)雜解決方案相比，更適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(通常基于微控制器)。在BlueVoice應(yīng)用中，每個(gè)16位PCM采樣都?jí)嚎s成4位ADPCM數(shù)據(jù)，這樣所需的應(yīng)用傳輸帶寬是32 kbps或64 kbps，至于具體速率取決于采樣頻率，而且兼容低能耗藍(lán)牙流媒體功能。
如前文所述，BlueVoice應(yīng)用的總體帶寬實(shí)際需求高于32 kbps或64 kbps的理論值，這是因?yàn)锽lueVoice為提高通信穩(wěn)健性，在通過通道發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)增加了附加信息。16 kHz 配置采用10 ms連接間隔，而8 kHz 配置采用25 ms連接間隔。事實(shí)上，如果被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，可提高連接間隔數(shù)值，從而節(jié)省能源。為盡可能地利用每個(gè)數(shù)據(jù)包現(xiàn)有有效載荷，語音數(shù)據(jù)包發(fā)送20個(gè)字節(jié)。
因此，在16 kHz配置中，語音數(shù)據(jù)每10 ms發(fā)送4個(gè)數(shù)據(jù)包，而在8 kHz配置中，語音數(shù)據(jù)每20 ms發(fā)送4個(gè)數(shù)據(jù)包，結(jié)果傳輸帶寬分別是64 kbps和32 kbps。發(fā)送器的邊信息發(fā)送頻率較低，每160 ms發(fā)送一個(gè)6字節(jié)的附加包，對應(yīng)16個(gè)或8個(gè)連接間隔。圖5描述了低能耗藍(lán)牙協(xié)議棧上的數(shù)據(jù)分組總體策略。通過音頻特征，每10ms或20 ms連接間隔，發(fā)送4個(gè)語音數(shù)據(jù)包(每包20字節(jié))，而發(fā)送器邊信息的發(fā)送是，通過同步特征，每160ms間隔發(fā)送一個(gè)附加數(shù)據(jù)包。
圖5：BlueVoice數(shù)據(jù)分組機(jī)制
C. 在實(shí)際硬件上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用
為了在支持低能耗藍(lán)牙通信的不是十分復(fù)雜的實(shí)際硬件無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上評(píng)估BlueVoice的可行性，我們在實(shí)際硬件設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了第三章B部分所描述的應(yīng)用軟件的全部功能。所選硬件平臺(tái)是意法半導(dǎo)體的STM32 Nucleo L476開發(fā)板[5]，這是一個(gè)基于STM32L476 80 MHz 32位ARM Cortex-M4微控制器的開放式開發(fā)平臺(tái)。我們選擇STM32 Nucleo開發(fā)板的原因是，板載微控制器的性能高于普通無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，同時(shí)還具備很高的靈活性和多功能性。該開發(fā)板配備很多接口和擴(kuò)展排針，插接專用擴(kuò)展板擴(kuò)大板子功能簡單容易，方便設(shè)計(jì)人員研究、開發(fā)和驗(yàn)證新創(chuàng)意。特別值得一提的是，STM32L4微控制器具有市場領(lǐng)先的低功耗特性，其內(nèi)置數(shù)字濾波器配合Sigma-Delta調(diào)制器(DFSDM)外設(shè)，可實(shí)現(xiàn)圖4的PDM至PCM的格式轉(zhuǎn)換，這些特性使其特別適合BlueVoice應(yīng)用。通過在STM32Nucleo開發(fā)板上接插一塊低能耗藍(lán)牙連接板和一塊麥克風(fēng)擴(kuò)展板，BlueVoice中央模塊和周邊模塊可以組成一個(gè)基于STM32Nucleo的對稱硬件配置，展示一個(gè)半雙工通信通道。低能耗藍(lán)牙連接板基于意法半導(dǎo)體的BlueNRG [6]，BlueNRG是一個(gè)超低功耗的低能耗藍(lán)牙單模網(wǎng)絡(luò)處理器，兼容藍(lán)牙規(guī)范4.0版，可設(shè)為主設(shè)備和從設(shè)備模式，當(dāng)?shù)湍芎乃{(lán)牙協(xié)議棧啟動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸最大電流8.2 mA，可降至1.7 uA。附加的麥克風(fēng)擴(kuò)展板用于采集語音信號(hào)，基于意法半導(dǎo)體的MP34DT01 [7]數(shù)字萬向MEMS 麥克風(fēng)，聲學(xué)過載點(diǎn)120 dBSPL, 信噪比63 dB，靈敏度-26 dBFS。MP34DT01采用一個(gè)容式傳感器和一個(gè)內(nèi)置sigma-delta調(diào)制器和噪聲修整機(jī)制的集成電路，提供1-3.25 MHz的PDM輸出。
圖6是實(shí)際硬件設(shè)備的框圖：STM32微控制器通過與外設(shè)模塊DMA相連的DFSDM模塊采集麥克風(fēng)的PDM采樣輸出，同時(shí)通過一套專用應(yīng)用程序界面(API)和串行外設(shè)接口(SPI)與BlueNRG模塊通信，對于中央模塊和周邊模塊，模塊化架構(gòu)是對稱的。框圖中還有一個(gè)USB音頻接口，用于向PC機(jī)提供重構(gòu)的音頻信號(hào)。圖7是硬件設(shè)備的實(shí)際原型。
D. 性能
我們用第三章C部分描述的實(shí)際系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，評(píng)估BlueVoice應(yīng)用的功能、存儲(chǔ)器占用、性能需求和ASR識(shí)別率。特別是考慮到現(xiàn)場部署一系列微型無線麥克風(fēng)模塊的應(yīng)用場景和低能耗藍(lán)牙本身的非對稱性(從設(shè)備-外設(shè)模塊必須尺寸緊湊且功耗極低)，本章討論的性能評(píng)估主要討論 8 kHz和16 kHz兩種配置的從設(shè)備-外設(shè)模塊的功耗、存儲(chǔ)器占用和性能震求。此外，在接收端測量的ASR性能是另一個(gè)性能評(píng)估指標(biāo)，實(shí)際上，該參數(shù)可能是語音通信的一個(gè)重要的音質(zhì)指標(biāo)，對于新興的聲控應(yīng)用(遙控器、物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品)具有重要意義。
圖6. BlueVoice框圖
圖7：發(fā)送器和接收器原型
1) 功耗、存儲(chǔ)器占用和性能需求
如前文所述，我們把BlueVoice應(yīng)用實(shí)現(xiàn)在一個(gè)硬件設(shè)備上，該硬件設(shè)備使用意法半導(dǎo)體的 STM32 Nucleo開發(fā)板充當(dāng)主機(jī)，并使用低能耗藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)模塊充當(dāng)控制設(shè)備。表1列出了在BlueVoice的廣播、連接和傳輸三個(gè)不同狀態(tài)下，主機(jī)和控制設(shè)備(STM32和BlueNRG)的功耗值。這些數(shù)據(jù)是在3.3 V工作電壓時(shí)的測量值，對8 kHz和16 kHz配置的功耗進(jìn)行了比較。必須強(qiáng)調(diào)的是，微控制器功耗完全取決于硬件特征和低功耗配置，因此，微控制器功率是在計(jì)算總功耗時(shí)加在總功耗中與平臺(tái)相關(guān)的數(shù)值。
本表所列數(shù)值可以視為一個(gè)指示性參考值，可能會(huì)隨實(shí)際應(yīng)用情況而發(fā)生變化。
表I：BLUEVOICE功耗
按照低能耗藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)，在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間建立連接前，從設(shè)備是處于廣播模式，而主設(shè)備則是進(jìn)入掃描模式。當(dāng)主設(shè)備收到廣播數(shù)據(jù)包，發(fā)現(xiàn)從設(shè)備存在時(shí)，就立即建立連接。在BlueVoice解決方案中，考慮到一個(gè)外設(shè)模塊對中央模塊的通信，外設(shè)節(jié)點(diǎn)是發(fā)送器(服務(wù)器)，而中央節(jié)點(diǎn)是接收器(客戶機(jī))：服務(wù)器以固定周期向客戶機(jī)發(fā)送通知。對于8 kHz配置中，在廣播階段，發(fā)送器外設(shè)模塊(STM32 + BlueNRG)總平均功耗極低，只有3.50mW，當(dāng)建立連接時(shí)，功耗是3.98 mW。對于16 kHz配置，廣播階段功耗是8.22 mW，而連接階段是9.48 mW。這里應(yīng)著重指出的是，連接階段的功耗與連接間隔選擇關(guān)系密切，這也是8 kHz和16 kHz配置(分別是20 ms和10 ms)的主要區(qū)別。在這兩情況中，連接間隔設(shè)為接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小值(7.5 ms)，以確保傳輸延遲最小。一旦連接建立, BlueVoice應(yīng)用立即進(jìn)入傳輸狀態(tài)，8 kHz配置的平均功耗是10.07 mW，16 kHz配置的平均功耗是19.84 mW，因此，基于STM32 + BlueNRG的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，假設(shè)電池容量是200 mAh，在連續(xù)傳送數(shù)據(jù)流時(shí)，兩種配置的理論續(xù)航時(shí)間分別是約65小時(shí)和33小時(shí)。這些功耗值表明BlueVoice方法的適用于以低能耗藍(lán)牙為載體的音頻流，特別是8 kHz配置，可大幅降低功耗。
除分析功耗外，通過考慮存儲(chǔ)器占用情況，我們還評(píng)估了應(yīng)用的可行性。如表II所示，BlueVoice應(yīng)用軟件兩種配置占用閃存空間相同(21.85 kB)，但是，8 kHz配置占用13.32 kB的RAM空間，而16 kHz配置只占用7.86 kB的RAM空間。兩種配置占用RAM空間不同的原因是，為降低該解決方案的額外開銷和功耗，8 kHz和16 kHz分別每20 ms 和10 ms執(zhí)行音頻處理步驟(PDM轉(zhuǎn)PCM和ADPCM壓縮)，從而導(dǎo)致8 kHz配置在兩個(gè)連續(xù)步驟之間存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)變大。在這兩種情況中，這些數(shù)值十分符合資源受限的系統(tǒng)要求。
表II
發(fā)送端BLUEVOICE存儲(chǔ)器占用
2) ASR性能
BlueVoice在功耗、處理性能和存儲(chǔ)器占用方面表現(xiàn)出的可行性并不能保證語音信號(hào)質(zhì)量在接收端達(dá)到可以接受的水平，在BlueVoice解決方案性能評(píng)估最后，我們利用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ASR服務(wù)進(jìn)行了大量的傳輸測試，在接收端測量ASR 性能。16 kHz USB麥克風(fēng)和8 kHz/16 kHz BlueVoice系統(tǒng)以并行方式記錄若干個(gè)包含已知英文單詞的音頻采樣(作為參考)，并將其傳輸?shù)紸SR引擎，表III列出了不同解決方案的單詞識(shí)別率比較測試結(jié)果。測試結(jié)果證明，ADPCM壓縮沒有降低信號(hào)質(zhì)量，因此適合ASR應(yīng)用：BlueVoice 16 kHz配置的性能十分接近USB麥克風(fēng)，而 8 kHz系統(tǒng)的性能稍有降低(18 %)，適用于低功耗要求極嚴(yán)的應(yīng)用。事實(shí)上，8 kHz系統(tǒng)以16 kHz配置50%的功耗取得了相同的ASR性能。
表III
BLUEVOICE ASR性能
IV. 結(jié)論
本文介紹一個(gè)以低能耗藍(lán)牙為載體傳送音頻流的解決方案，首先介紹一個(gè)廠商專用的半雙工通信低能耗藍(lán)牙配置文件，然后介紹BlueVoice應(yīng)用設(shè)計(jì)，并討論了慮涉及設(shè)備的通信角色、音頻處理和壓縮編碼選擇、數(shù)據(jù)分組和帶寬需求。BlueVoice應(yīng)用由一個(gè)中央節(jié)點(diǎn)和一個(gè)外設(shè)節(jié)點(diǎn)組成，按照所選通信方向，分別充當(dāng)?shù)湍芎乃{(lán)牙的服務(wù)器和客戶機(jī)。在連接建立后，服務(wù)器按固定周期向客戶機(jī)發(fā)送通知。我們對8 kHz和16 kHz兩個(gè)沒配置進(jìn)行了比較，在發(fā)送器節(jié)點(diǎn)上，MEMS麥克風(fēng)的數(shù)字PDM格式輸出信號(hào)被采集并轉(zhuǎn)換成PCM格式，然后壓縮成ADPCM數(shù)據(jù)，最終在低能耗藍(lán)牙鏈接上產(chǎn)生32或64 kbps的藍(lán)牙帶寬。該配置文件還定義一個(gè)低頻邊信息機(jī)制，雖然需要一些額外的帶寬，但是提高了錯(cuò)誤抑制功能。為評(píng)估解決方案的性能， BlueVoice被實(shí)現(xiàn)在實(shí)際硬件設(shè)備上。該設(shè)備是由MEMS麥克風(fēng)和STM32微控制器組成與網(wǎng)絡(luò)模塊組成的全數(shù)字系統(tǒng)，前者充當(dāng)主機(jī)，后者充當(dāng)?shù)湍芎乃{(lán)牙控制器。本文的性能評(píng)估表明，我們提出的解決方案在功耗、處理性能和存儲(chǔ)器占用方面適用于低功耗語音流應(yīng)用。特別是，在8 kHz和16 kHz音頻流傳輸過程中，傳感器設(shè)備的功耗測量值分別為10.07 mW和19.84 mW，存儲(chǔ)器占用和性能需求完全可接受。此外，我們還測量了音頻質(zhì)量指標(biāo)ASR性能，8 kHz配置和816kHz配置的單詞識(shí)別率分別達(dá)到67%和82%，而16 kHz USB麥克風(fēng)的識(shí)別率達(dá)到85%，這表明BlueVoice應(yīng)用能夠在接收端達(dá)到非常高的音質(zhì)，并具有極低的功耗。
【推薦閱讀】
超級(jí)電容在電動(dòng)車中應(yīng)用研究及發(fā)展趨勢分析
采用高度集成的電機(jī)控制方案應(yīng)對最新的汽車趨勢
數(shù)字電路PCB設(shè)計(jì)中的EMI控制技術(shù)
新國標(biāo)下的交流充電樁電源及信號(hào)接口解決方案
如何將EMC問題“扼殺”在產(chǎn)品開發(fā)過程中的“搖籃里”？
