基于嵌入式技术的无线语音教学系统的设计与实现

2011-08-06刘振军蒋朝根代聪聪

铁路计算机应用 2011年10期

关键词：教学系统小组讨论语音

刘振军，蒋朝根，代聪聪

(西南交通大学信息科学与技术学院，成都610031)

随着科学技术的不断发展，特别是计算机技术的发展，语音教室的出现，使得教学手段不再单一。但传统的语音教学系统存在以下缺点：

（1）缺乏灵活性，比如各个学校的语音教室都是固定的，所有的设备都固定在特定的教室。

（2）成本高，每一个学生终端都是一台PC机，需要大量的布线，专门的教室和课桌。这些都限制了语音教学在学校里不可能大规模使用，只能是少数几个教室和少数的教学能够使用到。

本文介绍一种基于嵌入式的无线语音教学系统，系统的学生端采用ARM7开发板，教师服务器端为笔记本电脑，通过无线路由器组建一个局域网，系统具备语音广播，小组讨论，提问，师生单独对话，多媒体播放，文件上传下载，电子举手等功能。该系统因为采用的是无线传输和无线控制，所以灵活性大，可以在任何室内进行教学，而不必固定在特定的语音教室。另外极大地降低了成本，具有很好的推广性。

1 无线语音教学系统的体系结构

无线语音系统是的学生端基于嵌入式WinCE系统平台，支持语音输入、输出处理,具有选择和执行菜单功能，并具有以下外部接口：无线网卡；电源接口；麦克风/ 耳机语音输入输出设备；可触控显示屏（LCD）。教师服务器是WIN XP系统的普通PC机，利用Visual C + + 编写的服务器程序来控制包括学生终端的整个系统。再通过无线路由器组建一个无线局域网实现数据传输。并采用实时传输协议（RTP）、实时传输控制协议（RTCP）和G.726协议来对传统的语音系统进行改造，使之成为方便易用、性能优越和功能齐备的新一代的语音教学系统。其结构如图1。

图1 无线语音教学系统结构

教师服务器和学生客户端都是无线局域网的一员，他们通过无线网络实现数据传输和无线控制，这样就可以不再受传统教学系统地点上的束缚，可以随时将整个教学系统移动到需要的地点进行教学，具有极大的灵活性和通用性。

2 系统功能设计

通过对现有的各种教学系统的研究总结，并综合考虑嵌入式技术的，网络技术等，在满足日常教学的基本需求下，我们将本系统所需实现的各项功能模块划分为：课堂教学模块，小组讨论模块，文件上传下载模块，多媒体播放模块，单独交流模块等，如图2。

图2 系统功能框图

3 系统实现

本系统采用客户/ 服务器模式。系统实现分为学生终端（客户端）的实现和教师端（服务器）的实现。

3.1 学生终端的实现

学生终端采用ARM7开发板（MINI2440），带有各种接口和触控显示屏等，另外由于本系统是无线传输，所以需要无线网卡。学生终端的嵌入式操作系统采用WINCE系统，并需要在该操作系统下的无线网卡等驱动程序。学生端的应用软件开发和教师端的各个功能模块是一一对应的，主要包括课堂教学模块，小组讨论模块，文件上传下载模块，多媒体播放模块，单独交流模块。其中，语音传输最为关键，采用的协议是RTP，该协议负责对流媒体数据进行封包并实现媒体流的实时传输。

3.2 教师端的实现

教师端采用普通的带有无线网卡的便携PC机（比如笔记本电脑）。在Microsoft visual C++ 6.0开发平台上进行教师端程序开发，主要包括课堂教学模块，小组讨论模块，文件上传下载模块，多媒体播放模块和单独交流模块等。

3.2.1 课堂教学

课堂教学模块中要完成的主要功能是实现教师端语音流从话筒读入，并采用一对多的方式实时发送给所有的学生端，关键技术是保证语音的清晰性（语音质量）和实时性。

（1）为了保证语音质量，系统采用G.726协议，G.726语音压缩编码是自适应差分脉冲编码调制（ADPCM），是在G.721和G.723的基础上发展而来，具有算法简单、语音质量高等特点。

（2）为了保证语音传输的实时性，采用的协议是RTP。但是，RTP是利用UDP进行传输的，而且RTP本身不能对所传输的数据报提供可靠的保证，也不能提供流量控制和拥塞控制，这些都会对实时传输产生影响，需要用一种方法进行控制，因此，需要采用与RTP协议配合使用的RTCP协议。每个RTP数据报都由头部（Header）和负载（Payload）2个部分组成，其中头部前12个byte的含义是固定的，而负载则可以是音频或者视频数据，如图3。