苗靜，楊帆，潘國峰

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嵌入式智能音樂播放系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

苗靜，楊帆，潘國峰

(河北工業(yè)大學電子信息工程學院，天津300401)

針對目前音樂播放系統(tǒng)的空間和時間受限問題，設計并實現(xiàn)了一種基于移動端的智能音樂播放系統(tǒng)。該系統(tǒng)由移動端軟件APP和服務端兩部分構(gòu)成，服務端包括路由器、智能網(wǎng)絡機頂盒和音響設備，具備定時播放和移動端實時控制播放的功能。該系統(tǒng)是采用基于STUN(Simple Traversal of User Datagram Protocol over NATs)的網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換(Network Address Translation，NAT)穿透方式的遠程控制以及家庭電視網(wǎng)絡機頂盒來實現(xiàn)的。它不僅可以實現(xiàn)家庭音響的定時播放，還能通過移動端來遠程控制音樂的播放。此外，可以實現(xiàn)歌曲的遠程更新和歌曲播放時間的隨意控制及更改。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)效果良好，具有廣闊的應用前景及商業(yè)價值，可應用于家庭、商場、學校等有特定需求的環(huán)境。文章以家庭音樂播放系統(tǒng)為例進行設計說明。

智能家居；音樂播放系統(tǒng)；網(wǎng)絡機頂盒；協(xié)議

0 引言

21世紀隨著智能化的發(fā)展和普及，智能家居[1]已成為當今互聯(lián)網(wǎng)研究的熱點，也是未來互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢。智能家居包括多個方面：智能照明、數(shù)字家電、智能裝修和智能音樂。隨著人們生活水平的不斷提高，人們不僅僅滿足于在公共場所聆聽美妙的音樂，而且將音樂從日常生活的點綴變成了生活的必須。

目前廠商著重追求音質(zhì)，但并未對整體的家庭音樂播放系統(tǒng)給出優(yōu)越的設計方案，忽略了對音響設備網(wǎng)絡功能的開發(fā)，使用戶只能面對面地操作控制音響設備，體驗受到極大限制。

因此利用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)家庭音樂播放系統(tǒng)的智能化和便捷化管理及應用，是當前智能家庭音樂播放系統(tǒng)[2-4]發(fā)展的重點。

針對上述問題，設計了一種基于Android移動端的智能音樂播放系統(tǒng)。本文是在家庭網(wǎng)絡機頂盒[5-6]的基礎上，利用網(wǎng)絡和移動設備構(gòu)建個性化的家庭音樂播放系統(tǒng)。用戶可根據(jù)自身需求設計音樂播放系統(tǒng)，實現(xiàn)歌曲的定時播放、遠程更新、實時控制等功能。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、性能優(yōu)越。

1 系統(tǒng)設計

嵌入式智能音樂播放系統(tǒng)的設計思想是利用家庭網(wǎng)絡機頂盒和音響設備構(gòu)建家庭音樂播放系統(tǒng)，通過移動端軟件APP來實現(xiàn)系統(tǒng)的管理和歌曲的遠程更新，家電連接示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)分為兩部分，第一部分包括路由器、網(wǎng)絡機頂盒和音響設備；第二部分包括移動端軟件APP。移動端軟件APP和服務器通過網(wǎng)絡進行通信。

本系統(tǒng)采用NAT(Network Address Translation)穿透技術及STUN(Simple Traversal of UDP over NATs)協(xié)議[7]進行傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol，TCP)打洞技術[8-9]，實現(xiàn)移動端和服務器的遠程連接。對華為海思Hi 3716MV400 Android機頂盒進行二次開發(fā)并作為服務端來構(gòu)建智能音樂播放系統(tǒng)。移動端采用基于TCP協(xié)議的FTP協(xié)議實現(xiàn)歌曲庫的遠程更新，確保了文件傳輸?shù)陌踩院涂煽啃浴?/p>

本文采用SQ Lite數(shù)據(jù)庫，它是一個開源免費、輕型、跨平臺的數(shù)據(jù)庫，是一個遵守ACID (AtomicityConsistencyIsolationDurability)的關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。SQ Lite數(shù)據(jù)庫因其獨立性、速度快、零配置、元處理、開放性、占用資源少等優(yōu)點而普遍應用于小型服務器中。SQ Lite數(shù)據(jù)庫支持多種主流的操作系統(tǒng)，同時支持多種語言的編程接口，可以靈活地為用戶提供服務。

音樂播放系統(tǒng)的功能包括：(1) 網(wǎng)絡連接——實現(xiàn)移動端和服務器的遠程連接；(2) 播放——實現(xiàn)歌曲的播放、停止、暫停、切換等功能；(3) 更新——實現(xiàn)服務器數(shù)據(jù)的庫更新；(4) 控制——實現(xiàn)歌曲播放時長、次數(shù)等設置。功能模塊如圖2所示。

2 硬件系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)硬件部分采用江蘇銀河電子股份有限公司的HDC6910 51型號機頂盒。該機頂盒采用的是Android系統(tǒng)，內(nèi)置Hi3716M主芯片。該芯片采用ARM公司的CortexA9架構(gòu)的處理器，內(nèi)置NEON，強大的多通道高保真音頻處理，增強了用戶的體驗，集成高性能的加速引擎使得用戶在使用時能體驗到更加流暢的運行界面，內(nèi)置豐富的外圍接口功能，能夠提供靈活的連接方案，為了滿足多媒體播放的要求，提供音頻輸入輸出接口。

音頻編碼器采用 PCM 1808，是一款高性能、低成本、單芯片、立體聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器，支持單端模擬電壓輸入。PCM 1808采用 delta-sigma調(diào)制器以64倍過采樣，并包括一個數(shù)字抽取濾波器和高通濾波器，可以消除輸入信號的直流成分。智能音量控制可實現(xiàn)不同頻道間音量自動均衡，實現(xiàn)操作的智能化和人工化。主芯片與外圍功能的聯(lián)接示意圖如圖3所示。圖4所示為機頂盒內(nèi)底板上主芯片及外圍硬件示意圖。

3 軟件系統(tǒng)設計

軟件系統(tǒng)由三部分組成：(1) 遠程連接；(2) 服務端；(3) 移動端。

3.1 遠程連接

服務器和移動端分別向阿里云服務器發(fā)送連接請求，獲取阿里云服務器服務端和移動端的外網(wǎng)IP地址。

移動端為A，家庭網(wǎng)絡機頂盒為B，A向STUN服務器表明要與B連接的意圖，STUN服務器把A的連接意圖告訴B，并且將A的地址告訴B。B向A發(fā)起TCP連接，這個連接被A的NAT丟棄，此時B處路由器記錄了A的外網(wǎng)IP地址，以后A發(fā)過來的數(shù)據(jù)就能很好地通過B的NAT，同時B對本地地址端口進行監(jiān)聽，完成第一次打洞操作。

STUN服務器把B的地址告訴A，通知A向B發(fā)起TCP連接，完成第二次打洞。由于B的NAT已經(jīng)記錄了A的外網(wǎng)IP地址，所以A可以穿過防火墻與B建立TCP連接。TCP穿透NAT流程圖如圖5所示。

3.2 服務端

服務端由數(shù)據(jù)庫操作模塊、用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議(User Datagram Protocol，UDP)指令接受模塊、命令解析模塊三部分組成。

(1) 數(shù)據(jù)庫操作模塊：獲取數(shù)據(jù)庫時間和當前時間并進行比較，根據(jù)判斷獲取歌曲路徑并進行歌曲播放。

(2) UDP指令接受模塊：建立UDP Socket，設置服務端的IP地址及Port，對端口進行復用并綁定自身的IP地址及Port，開啟監(jiān)聽模式。

(3) 命令解析模塊：把接受到的命令數(shù)據(jù)分為兩個部分，第一部分為命令標志位，第二部分用于存命令參數(shù)。判斷第一部分內(nèi)容是否為switch，若“是”則根據(jù)指令進行相應的操作，若“不是”則返回到監(jiān)聽模式，等待接受指令。程序整體流程如圖6所示。

3.3 移動端

移動端軟件APP默認顯示當前歌曲播放列表，屏幕左劃出現(xiàn)菜單欄如圖7所示，包括網(wǎng)絡連接、歌曲更新、定時配置三部分。

3.3.1 菜單

(1) 網(wǎng)絡連接的功能是利用基于STUN協(xié)議的TCP穿透技術，實現(xiàn)外網(wǎng)訪問內(nèi)網(wǎng)，從而實現(xiàn)移動端與家庭網(wǎng)絡機頂盒的互聯(lián)互通。

(2) 歌曲更新采用的是文件傳輸協(xié)議(File Transfer Protocol，F(xiàn)TP)[10]實現(xiàn)歌曲文件上傳，F(xiàn)TP是使用最為普遍的網(wǎng)絡協(xié)議之一，由最早的簡單文件傳輸協(xié)議(Trivial File Transfer Protocol，TFTP)發(fā)展而來。經(jīng)過不斷的修正與完善，已成為網(wǎng)絡間文件傳輸?shù)闹匾獏f(xié)議。

FTP是基于TCP協(xié)議的服務器和客戶端間的文件傳輸協(xié)議，包括控制連接和數(shù)據(jù)連接?？刂七B接用于傳輸控制，數(shù)據(jù)連接用于數(shù)據(jù)傳輸。服務器啟動后，會監(jiān)聽端口21，當監(jiān)聽到客戶端連接請求時，客戶端與服務器在默認的端口21建立一個控制連接，用來傳送客戶端的命令和服務器的應答，該連接一直保持到客戶端與服務器的通信結(jié)束為止。當客戶端發(fā)出數(shù)據(jù)傳輸命令時，服務器會主動與客戶端建立數(shù)據(jù)連接，并進行數(shù)據(jù)交換。

(3) 定時配置是用來設置歌曲定時播放的時間以及需要播放的歌曲。通過更新服務器數(shù)據(jù)庫表list的內(nèi)容實現(xiàn)歌曲定時播放的設置。

3.3.2 歌曲播放

歌曲播放activity如圖8所示，屏幕底部顯示當前播放歌曲，可以實現(xiàn)歌曲的暫停、播放及下一曲功能。屏幕中間顯示歌曲列表，通過訪問數(shù)據(jù)庫的music_list表獲取歌曲目錄，并通過activity組件來顯示歌曲列表，可通過手動劃動選擇要播放的歌曲，實現(xiàn)歌曲切換。當用戶選中要播放歌曲時，activity發(fā)送指令“switch play×××. mp3”給網(wǎng)絡機頂盒，網(wǎng)絡機頂盒接受到指令后播放選定歌曲。

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 實驗結(jié)果

該嵌入式智能音樂播放系統(tǒng)經(jīng)試用具有良好的用戶體驗和穩(wěn)定的性能。以下是對歌曲播放和遠程更新的測試結(jié)果：

(1) 歌曲播放，獲取表music_list表和表list，如圖9所示。

(2) 遠程更新，添加歌曲功能，如圖10所示。

4.2 實驗分析

本系統(tǒng)分別從內(nèi)存占用、傳輸可靠性、傳輸實時性這三個方面對智能音樂播放系統(tǒng)的性能進行測試。

4.2.1 內(nèi)存占用

該測試結(jié)果基于5.0 in分辨率為1 280×720，像素密度為294 PPI的手機設備。本系統(tǒng)運行一段時間，就對內(nèi)存占用狀況進行分析并與常見的音樂播放器的內(nèi)存占用狀況進行對比，實驗測試結(jié)果如表1所示(數(shù)據(jù)單位為MB)。

表1中的第二列表示在音樂播放過程中占用的內(nèi)存最大值，第三列表示播放過程中占用的內(nèi)存最小值，第四列表示播放過程中出現(xiàn)頻率最高的穩(wěn)定占用量，第五列表示播放過程中占用內(nèi)存的總和。

通過表1數(shù)據(jù)可以看出，在內(nèi)存占用指標上，本文提出的音樂播放器內(nèi)存穩(wěn)定占用量最小，意味著運行速度最快，系統(tǒng)最穩(wěn)定。經(jīng)過實驗驗證，利用本文提出的嵌入式智能音樂播放系統(tǒng)更加穩(wěn)定、便捷、高效。

表1 內(nèi)存占用(MB)

4.2.2 傳輸可靠性

FTP建立在傳輸層TCP協(xié)議之上，TCP是面向連接的協(xié)議，負責保證數(shù)據(jù)的傳輸。TCP采用校驗、確認接收和超時重傳等一系列措施提供可靠的傳輸。

本實驗通過移動端向服務器上傳不同大小的數(shù)據(jù)包，分析網(wǎng)絡丟包率[11]。表2記錄了在傳輸過程中截取10次的丟包情況。通過表2的數(shù)據(jù)可知采用FTP協(xié)議進行文件傳輸安全可靠。

4.2.3 傳輸實時性

傳輸實時性是指數(shù)據(jù)的發(fā)送端與接收端的同步性。本實驗是通過對本系統(tǒng)的遠程無線網(wǎng)絡和4G移動網(wǎng)絡下的網(wǎng)絡時延來測試數(shù)據(jù)傳輸實時性。

表2 丟包率

本實驗記錄了40次抓包的情況，如圖11所示，藍線為本系統(tǒng)遠程無線網(wǎng)絡下的相對時延差值，紅線為4G移動網(wǎng)絡下的相對時延差值。遠程無線網(wǎng)絡下的相對時延差值最大值為2.159 ms，最小值為-1.825 ms，平均值為0.234 ms，而4G移動網(wǎng)絡下相對時延差值最大值為24.375 ms，最小值為-10.289 ms，平均值為5.392 ms。

時延差值的增大導致聲音的質(zhì)量大幅度降低，由圖可見遠程無線網(wǎng)絡比4G網(wǎng)絡延時小，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性更高一些，為歌曲播放提供了良好的用戶體驗。

5 結(jié)論

本文針對智能生活中的智能音樂系統(tǒng)提出一種設計方案。通過移動端來實現(xiàn)對家庭、商場、學校等特定場所的音樂播放系統(tǒng)的管理和維護，以解決傳統(tǒng)方式上的時間和空間限制等問題，并給出了完整的解決方案。

本文設計了嵌入式智能音樂播放系統(tǒng)，包括網(wǎng)絡連接、歌曲播放、遠程更新三部分。該系統(tǒng)在現(xiàn)有一般家庭的多媒體資源的基礎上，借助手機、平板、手提電腦等移動設備普及的優(yōu)勢，實現(xiàn)了音樂播放系統(tǒng)的移動端管理及維護。因此，嵌入式智能音樂播放系統(tǒng)具有很好的發(fā)展前景。

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Design and implementation of embedded intelligent music player system

MIAO Jing,YANG Fan, PAN Guo-feng

(Hebei University of Technology School of Electronics and Information Engineering, Tianjin 300401, China)

A mobile terminal based intelligent music player system is designed to solve the space and time limited problem. The system consists of two parts: the mobile terminal software APP and the server that includes a router, an intelligent network set-top box and audio equipment with timed playback and mobile real-time control playback function. The system is implemented by using STUN based NAT traversal way remote control and home TV network set-top box. This can not onlyachieve timed play of home audio, but also can control the music play through remote mobile terminal. In addition, the song’s remote update can be realized and the playback time can be controlled and changed freely. Experimental results show that the system works well, and has broad application prospects and commercial value. This paper takes the family music player system as an example to illustrate the design.

intelligent home; music player system; Internet Protocol Television (IPTV) set-top box; STUN

TP915.09

A

1000-3630(2017)-04-0357-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.04.011

2016-10-02;

2016-12-13

國家科技重大專項資助項目(2009ZX02308-004)

苗靜(1990－), 女, 河北滄州人, 碩士研究生。研究方向為智能信息處理。

楊帆, E-mail: yangfan@hebut.edu.cn