引 言

互聯網的繁榮帶動了物聯網的發(fā)展，智能家居作為物聯網的一部分也在快速的發(fā)展，智能家居的網絡化、智能化、信息化慢慢把用戶端的交互擴大為物與物之間的信息交換和通信，同時也促進了嵌入式設備、傳感器設備和家庭傳統設備在一定范圍的連接，形成了整個智能家居系統的的協調發(fā)展。在智能家居的眾多子系統中，背景音樂系統也正朝著智能化快速發(fā)展。

無線網絡與智能系統的不斷成熟徹底改變了人們的生活習慣，無線分布式音樂播放系統融合了無線技術、智能控制、全布局音樂系統。通過網絡獨特的創(chuàng)新性與交融性，將家庭影音技術與無線傳輸相結合 [1]。在控制方式方面完全不同于傳統的影音設備單調的操控，而是結合PC、Mac、iphone、iPad 與Android 手機等數字化智能操作設備進行多元化的控制，更加體現出人性化的特點，用戶在家中的每個角落都可以輕易實現對整套音樂系統的播放控制[2]。

1 系統概述

本文設計一種分布式的無線背景音樂系統，所謂分布式即音源是一個，播放是在不同的房間播放，音源不是集中在一個中心的，而是分散在各個播放盒里。如每個人的生活習慣和愛好不一樣，自己下載自己的音樂，多個不同的音樂源再共享資源，虛擬成一個整體來控制實現共享，此系統不需要龐大的主機，各個小型控制器分散在不同的房間里但又不是獨立的個體，卻可以統一組網到一起。

圖 1 所示為無線背景音樂系統的整體效果圖。圖中整個系統中各個無線音樂盒與無線路由相連，處于同一個無線環(huán)境中，通過設計無線模式實現資源共享 ；各音樂盒將自身存儲音頻文件或者無線環(huán)境內的其他音樂盒內的共享音頻文件通過無線傳輸給無線音箱進行播放 ；播放控制通過手機、pad 或PC 等移動終端設備實現。

2 系統相關原理和技術

2.1 分布式系統原理

分布式系統使得資源的共享更加方便。各種信息、文件、數據庫和各種昂貴的硬件資源被分布式地管理和維護，并為用戶的訪問提供了方便。這樣就能節(jié)省大量的重復投資 [3]。分布式系統對外提供無狀態(tài)節(jié)點，內部實現具體有狀態(tài)或者無狀態(tài)節(jié)點邏輯，節(jié)點既可以提供服務，也可以存儲數據。

為了使種類各異的計算機和網絡都呈現為單一的系統， 分布式系統常常通過一個軟件層組織起來，該“軟件層”在邏輯上位于由用戶和應用程序組成的高層與由操作系統組成的低層之間，如圖 2 所示。這樣的分布式系統有時又稱為中間件（middleware）[3]。

分布式系統數據有 4 種分布方式，如下所述：

(1) 哈希方式，把不同的值進行哈希運算，映射到不同的機器或者節(jié)點。實現擴展時比較困難，數據分散在很多機器上，擴展的時候要從多個機器上獲取數據，容易出現分布不均的情況。

(2) 按數據范圍分布，比如ID在 1～20的在機器A上，ID在 21~40的在機器B上，ID在 40～60的在機器C上實現， ID 在 60~100的分布在機器D上，數據分布比較均勻。如果某個節(jié)點處理能力有限，可以直接分裂該節(jié)點。維護數據分布的元信息，可能出現單點瓶頸。

(3) 按數據量分布，與哈希方式和按數據范圍方式不同， 數據量分布數據與具體的數據特征無關，而是將其視為一個順序增長的文件，并將這個文件按照某一較為固定的大小劃分為若干數據塊（chunk），不同的數據塊分布到不同的服務器上。

(4) 一致性哈希，構造哈希環(huán)，有哈希域[0，10]，則構造 3個部分 [1，4）/[4，9）/[9，10），[0，1）/， 這 3部分是一個環(huán)狀，增加機器時，變動的是其附近的節(jié)點，分擔的是附近節(jié)點的壓力。

2.2 WiFi技術

WiFi 全稱為WirelessFidelity（無線保真技術），也叫做 IEEE 802.11 b 標準，工作在 2.4 GHz 頻段上。傳輸速度快， 帶寬可達 11 Mb/s，并且?guī)捒梢宰詣诱{整，遇到干擾或者信號不太好的時候， 帶寬可變?yōu)?5.5 Mb/s、2 Mb/s 和 1 Mb/s， 很好的控制了網絡的可靠和穩(wěn)定。傳輸距離長，在空曠的地方可以達到 300 米左右，封閉環(huán)境下也能達到 100 米左右的傳輸距離。同時WiFi 無線組網成本低，而且更安全。

WiFi 的兩個基本模式如下所述：

(1) AP：AccessPoint，即無線網絡橋接器或接入點，創(chuàng)建了一個無線網絡環(huán)境，是無線網絡的中心節(jié)點。主要在媒體存取控制層 MAC 中扮演無線工作站與有線局域網絡的橋梁。

(2) STA：Station，即無線站點，類似于無線終端，STA 本身并不接受無線的接入，它可以連接到AP，一般無線網卡即工作在該模式[4]。

WiFi 的工作方式如下所述：

（1）被動型串口設備聯網

被動型串口設備聯網指系統中的設備處于被動的等待連接狀態(tài)，與這些設備的連接主要由后臺服務器來主動發(fā)起。典型的應用，如某些無線傳感器網絡，每個傳感器終端實時的在采集數據，暫時保存在設備中。而后臺服務器則周期性的每隔一段時間主動連接設備，并請求上傳或下載數據。

（2）主動型串口設備聯網 主動型串口設備聯網指的是由設備主動發(fā)起連接，并與后 臺服務器進行數據交互（上傳或下載）的方式。典型的主動型 設備，如無線 POS 機，在每次刷卡交易完成后即開始連接后 臺服務器，并上傳交易數據 [5]。 

3 系統硬件設計 

本系統由多個無線音樂盒播放系統組合而成，各個小的 系統之間通過 WiFi 實現無線資源共享，下面介紹單個無線音 樂盒播放系統的設計。

3.1 無線音樂盒播放系統的設計 

系統的硬件示意圖如圖 3 所示，下面對系統中的各個模 塊進行說明。

3.2 主控模塊 

主 控 模 塊 使用 S3C2440A，S3C2440A 微 處 理 器是 一 款由 Samsung 半導體公司推出的高性能、低功耗、高集成 度并具有工業(yè)級溫度范圍和性能的微處理器，S3C2440A 采 用了 16/32 位 RISC 體系結構和 ARM920T 內核強大的指令 集，具有指令高速存儲緩沖器（I-Cache）、數據高速存儲緩沖 器（D-Cache），寫緩沖器和物理地址 TAG RAM 減少主存帶 寬和響應性帶來的影響。工作頻率最高可達 533 MHz ；2 片 4Banks×4 MB×16 b 的 SDRAM，共 64 MB 的內存，可擴展 至 128 MB ；256 M×8 b 的 Nandflash（K9F2G08）；4 MB 的 Norflash，支持容量 128 M 或更高 。

3.3 無線音頻傳輸模塊

隨著藍牙、WiFi和 2.4GHz技術等無線技術的快速發(fā)展和成熟，音頻的傳輸也正在越來越多的使用無線技術。未來無線音頻技術的不斷成熟，無線技術將取代有線的音頻傳輸， 這樣將帶來更加便利的生活。在目前種類繁多的無線音頻技術中，2.4GHz技術有著廣泛的應用，同時也是比較有可能被大范圍應用在普通音頻設備中的。藍牙、WiFi和 2.4GHz技術在工作頻段上是相同的，都是 2.4～2.485GHzISM無線頻段。從目前市場上的無線音頻產品上來看，低功耗的優(yōu)點使得藍牙無線音響應用最多，當然技術也是最為成熟的了，但是藍牙有著天生的帶寬窄的缺點，對于高保真音頻信號的傳輸顯得力不從心，另一個缺點就是傳輸距離只有 10米左右，對于距離要求遠的用戶達不到要求，同時抗干擾也是一個問題。與藍牙技術相比，WiFi 技術似乎不存在這些缺點，帶寬寬、傳輸距離遠。但是在抗干擾方面還是存在問題。與藍牙、WiFi 相比，2.4 GHz 技術具有能傳輸高品質音頻信號的寬帶寬 ；在抗干擾方面，2.4 G 技術使用了自動調頻技術，在工作狀態(tài)下， 當發(fā)現頻段被占用的時候，能自動地跳轉到一個無人使用的頻段 ；此外，2.4 GHz 技術也具有低功耗的特點，在發(fā)射、接收音頻信號時不需要連續(xù)的工作[6]。

所以本系統的無線音頻傳輸模塊使用 Nordic 公司的nRF24L01 無線模塊，采用 2.4 GHz 短距離無線傳輸技術。

3.4  nRF24L01模塊介紹

nRF24L01是Nordic公司研發(fā)的單片2.4G無線通信芯片， 工作于 2.4GHz～2.5GHz世界通用ISM頻段。nRF24L01內部有若干寄存器，外部留有SPI接口，外部單片機通過SPI接口配置此芯片內部的寄存器。因為有自己的協議，所以只能是用在 nRF24L01與 nRF24L01或者 Nordic公司此系列的芯片通信，一般情況下，用在兩個 nRF24L01之間的通信，任何一個模塊都可以設置為接收或者發(fā)送模式，而且可由主控單片機隨時根據需要設置為發(fā)送或者接收模式。

兩個 nRF24L01 的通信，需要滿足 3 個條件 ：（1）頻道相同（設置頻道寄存器 RF_CH）；（2）地址相同（設置 TX_ ADDR 和RX_ADDR_P0 相同）；（3）每次發(fā)送接收的字節(jié)數相同（如果設置了通道的有效數據寬度為 n，那么每次發(fā)送的字節(jié)數也必須為 n，當然，n<=32）。

nRF24L01 也可以實現一對多通信，使用nRF24L01 的通道 0，通過改變頻道和地址來實現 1 對多的互發(fā)。它雖然屬于2.4 G 芯片，但實際上，可在 2.4 G 到 2.5 G 之間的頻道上通信， 一共有 125 個頻道，它的地址是 5 字節(jié)的。所以用這種方式， 理論上可以實現一對無數的通信。

nRF24L01 芯片的接口電路如圖 4 所示。

3.5 發(fā)射與接收部分設計

圖 5 所示為發(fā)射與接收部分原理圖。

發(fā)射部分由主控模塊將音源數據通過 nRF24L01 模塊 的 2.4 GHz 頻段發(fā)射出去。接收部分由 MCU 控制器通過 SPI 接口從 2.4 GHz 無線模塊 nRF24L01 接收音頻數據，再通過 I2S 接口將音頻數據傳送給音頻輸出模塊來播放音樂?？刂破?MCU 需要支持 SPI 和 I2S。選用新唐 M451 系列開發(fā)板為控 制器 MCU，內建 ARM CortexTM-M4 內核，最高可運行 72 MHz 外部時鐘，具有 256 kB 內建 Flash 存儲器和 32 kB 內建 SRAM，還兼有 SPI、I2S、USB2.0 等常用外設?？梢詽M足無 線音頻接收控制模塊的數據處理要求。 

4 系統軟件設計 

圖 6 為無線音樂盒初始化和工作狀態(tài)軟件設計流程圖。

初次使用需進行初始化操作，首先通過指示燈檢查是否 能正常工作，正常工作情況下，通過長按配對按鍵與房間區(qū)域 內的需要連接的一個或多個無線音箱設備配對形成一個音樂 播放子系統，再通過 WiFi 連接無線路由器加入局域網，此時 單個播放系統配置完成，系統會處于睡眠狀態(tài)等待播控信號 喚醒。當音樂盒接收到播控信號時，首先檢查目標播放的音源 文件是否在本地，若音源在本地則直接發(fā)送音源數據給予播 放子系統內的無線音箱設備進行播放 ；若音源不在本地，則 發(fā)出獲取目標音源文件的請求信號，由無線路由器負責轉發(fā)請 求給其他局域網內的無線音樂盒，再由路由器轉發(fā)獲取的音源 文件或者音源不存在的通知信息。 

5 結 語

本文設計的無線分布式背景音樂系統，通過手機端軟件 的設計實現背景音樂的控制，利用 WiFi 技術實現局域網內的 音源無線共享，同時利用了無線音頻傳輸技術，解決了家居環(huán)境布線帶來的煩惱。但是本設計還沒有應用到實際的家庭環(huán)境中，研發(fā)技術還有待于進一步的提高，將這些技術應用到智能家居系統上來，希望在以后的研究中提高本系統的應用性和可用性。