一种专用鸟声记录系统的研制

肖震岳　张启鹏　赵淳　黄华德

摘  要： 基于STC89C52单片机设计一种专用鸟声录制系统。该系统用于在野外放置在鸟巢中录制成年鸟和幼鸟的叫声，用单片机控制录音的程序，为便于后续处理，滤声模块过滤掉低频噪声，TCS510M1?D28录制模块把鸟的叫声录制下来并以无损格式保存到存储卡中，采用红外感应模块来检测鸟是否在鸟巢中，当鸟进入，则开启，否则关闭。通过实验样机测试结果表明，用无损格式保存的音频文件中的鸟叫声还原性高，系统的能耗低，续用时间长，可满足长时间野外鸟巢中的录制要求。

关键词： 鸟声记录; 录音程序控制; 智能控制; 无损保存; 样机测试; 系统设计

中图分类号： TN64?34                                文献标识码： A                    文章编号： 1004?373X（2020）24?0049?03

Design of special birdcall recording system

XIAO Zhenyue， ZHANG Qipeng， ZHAO Chun， HUANG Huade

（School of Mechanical Engineering， Guangxi University， Nanning 530004， China）

Abstract： A special birdsong recording system based on STC89C52 is designed. The system is used to record the calls of adult birds and baby birds in the bird′s nest placed in the wild. The single chip microcomputer is used to control the recording program， the sound filtering module is utilized to filter out the low?frequency noise for the convenience of subsequent processing， and the TCS510M1?D28 is used to record the birdcall and save it to the memory card in undamaged format. The infrared sensing module is used to detect whether the bird is in the nest. When the bird enters， it will be opened; otherwise it will be still kept closed. The testing results of the experimental prototype show that the birdcall in the audio file saved in lossless format has high reducibility， and the system has low energy consumption and long endurance， which can meet the requirements of a long?time record in the bird′s nest in the wild.

Keywords： birdcall recording; recording program control; intelligent control; undamaged conservation; prototype testing; system design

0  引  言

鸟类的生活一般是特别隐蔽的，影像设备很难拍到，所以可以采用声谱捕捉的方式，研究鸟类的生活习性，提高捕捉精度。鸟类发出嘹亮的鸣叫，就像人的声音有自己的辨识度，不同种类、不同性别、不同发出的鸣叫也各不相同[1]。通过对鸟类鸣唱以及相关行为的研究，可以了解鸟类不同鸣叫声的生物学意义以及鸣叫声与领域防护行为的联系等[2]。

但是，目前用于录制鸟叫声的设备体积大，价格昂贵，续航时间短，自动化程度低。本文所设计的鸟声录制系统电路结构简单，具有很高的可靠性，价格低廉，并且可以根据鸟的存在与否自动控制系统的开启和关闭，大大减少能耗，延长录制时间。

1  系统设计方案

本系统放置的地方为鸟巢内部，可以高效记录下鸟的叫声。当鸟飞入鸟巢中，重力感应装置识别到鸟的存在，自动开启录音功能，实时录下成年鸟和幼鸟叫声。当成年鸟飞出去后，系统自动关闭，节省电能，待成年鸟回来再开启。录音文件能够实时保存到内存卡中，当成年鸟不在鸟巢中时，可以把内存卡取出，导出卡内文件[3]。

系统主要由控制模块、滤声模块、鸟声录制模块、拾音模块和感应模块等组成。系统框图如图1所示。

2  系统硬件设计

2.1  控制模块

本系统选择STC89C52作为控制模块，是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，能够兼顾性能的同时也能减少不必要的能耗，提高续航能力。其可降至0 Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止[5]。

2.2  滤声模块

本系统的应用环境是在城市中，城市中不仅有鸟的叫声，还有人的交谈等声音。在城市中，鸟类的叫声一般频率在2.2～2.3 kHz，人的汉语普通话声音功率主要集中在250～1 500 Hz，所以使用2 kHz的高通滤声模块對人声进行初步处理[5]。

2.3  鸟声录制模块

考虑到录制的鸟声还需进行后续处理，必须保证录制的质量，需要无损格式来存储音频。本系统采用TCS510M1?D28录制模块，最高支持48 kHz采样率，32 Kb/s比特率的WAV无损格式的音频文件录制。录制模块上集成储存单元，可使用TF卡存储，最大可以支持32 GB的TF卡。

2.4  拾音模块

拾音模块主要功能是把声信号转化为电信号传递到录制模块中，为了减小周围的环境噪声，使用电容式单指向拾音器。该拾音器的拾音面积为麦克风的正前方，其后方的声音不进行拾音处理[6]。

2.5  感应模块

幼鸟只有在成年鸟飞回来的时候，为了呼唤成年鸟喂食才叫，所以感应模块只需要检测鸟巢内是否存在成年鸟即可有效控制录制系统的开关[7]。本系统使用HC?SR505红外感应模块，灵敏度高、体积小、能耗低。当成年鸟飞回来时，输出高电平，系统开启，成年鸟飞走，输出低电平，系统关闭。综上所述，系统的原理图见图2。

3  系统软件设计

系统使用STC89C52的SPI接口模式对录制模块TCS510M1?D28进行串行通信。在系统打开后，系统进行初始化，单片机调用录音程序，录音程序开始进行录音前的检查，检查内存是否已存满，如果存满，系统自动停止;如没有存满，系统正常执行录音过程[8]。系统流程如图3所示。

录音程序先与录音模块完成通信，计算存储位置和存储名称，然后发送录制代码[9]。起始码为“7E”，长度为“07”，命令为“d6”，效验码为“C3”，结束码为“7E”，以音频文件命名“B001”为例，录音部分程序如下：

void luyin（uchar dat）

{ uchar a，b，c;

a=dat%1000/100+0x30;

b=dat%100/10+0x30;

c=dat%10+0x31;

SendASC（0x7e）;

SendASC（0x07）;

SendASC（0xd6）;

SendASC（0x42）;

SendASC（a）;

SendASC（b）;

SendASC（c）;

SendASC（a+b+c+0x07+0xd6+0x42）;

SendASC（0xef）;}

程序中：“0x42”代表“B”;“0x30”代表“0”;“0x31”代表“1”。

在录音过程中，为了避免录制的音频文件过大，后续处理难以打开，采用定时分段录制方案。设定的定时分段时间为13 min，即每录制13 min，重新新建一个录制文件，这样也能保证录制过程中即使出错，也能够最大限度减小损失。

4  系统实验结果

根据原理图设计好系统，集成在PCB板上，系统实物如图4所示[10]。使用该系统连续录制1 h，录制出的音频文件如图5所示。

从图5可以看出，录制的音频文件都是无损WAV格式，鸟叫声录制效果好。录制1 h，音频文件按照程序设计的要求被分成了5段，前4段都是13 min，最后一段只有6 min。基本上1 min占用1 MB的内存，如按照32 GB的内存卡来计算，能够连续储存20天的音频文件。通过实验测试，测量出插入内存卡并且进行录制时的耗电量只有0.052 A，当采用3.7 V，9 800 mA·h的电池供电时，考虑到多方面的因素，能够连续录制的时间为180 h，满足野外长时间录制的要求。

5  结  语

本系统使用STC89C52为控制模块，TCS510M1?D28为录制模块，辅以感应装置为系统的开启和关闭触发开关，能够在保证录音质量的前提下，提高系统的录制效率，延长工作时间，能够满足野外录制的长时间要求。录制文件的定时分段有利于后续音频文件的处理，减少加载时间。通过实验测试也验证了本文系统能够达到设计要求，功能强，效果好。

注：本文通讯作者为张启鹏。

参考文献

[1] 杨利琼，谢君，刘昉昉，等.鸟类鸣叫及生物学意义的研究现状[J].实验动物与比较医学，2019，39（1）：77?82.

[2] 吕琳娜.鸟类鸣声初探[J].生物技术世界，2016（5）：93.

[3] 周畅.基于51单片机的智能答录机设计[J].电子技术与软件工程，2019（19）：237?238.

[4] 张国强，谌炎辉，张茂盛.基于单片机的便携式高度测量仪的设计[J].现代电子技术，2018，41（22）：75?78.

[5] 王非凡，于珏，马良，等.上海普通话版“林氏六音”频率范围分析[J].听力学及言语疾病杂志，2019，27（6）：600?603.

[6] 贺志坚，欧阳毅，郑虎鸣，等.驻极体电容振动拾音器（ECVP）[J].电声技术，2017，41（3）：27?30.

[7] 张伟，杨森林.基于单片机控制的智能路灯控制系统设计[J].现代电子技术，2018，41（14）：110?113.

[8] 徐婷，钱松荣.基于单片机压力监测系统设计与仿真[J].现代电子技术，2019，42（7）：167?170.

[9] 李霞.电话录音和话音回放系统的设计与实现[D].石家庄：河北科技大学，2018.

[10] 彭岚峰，李晓芳，章小宝.基于单片机与无线网络的实验室安全管理系统设计[J].现代电子技术，2019，42（10）：75?78.

作者简介：肖震岳（1997—），男，湖南涟源人，硕士，研究方向为机械设备控制。

张启鹏（1994—），男，瑶族，广西桂林人，硕士，研究方向为机械设备控制。

赵  淳（1996—），女，陕西安康人，硕士，研究方向为机电一体化。