WiFi对讲机的设计原理
如意彩目前模拟、数字对讲机已经得到了广泛应用，但是，在楼房、厂房等较为分散的有阻挡的区域之间，这些模拟和数字对讲机就失去了作用。现在，以太网和WiFi无线网络已经非常普遍，特别是特大型企业内部的局域网和WiFi无线网络基本上实现了网络全覆盖，在这些企业中，利用现有的有线和无线网络实现对讲通话等工作联络是非常需要的。为此，我们设计了WiFi对讲机，通过WiFi网络来实现远程对讲。
一、实现原理
通过MIC采集声音信号并进行A/D转换，MCU对A/D转换过的数字信号进行编码，再把编码后的数据以50ms为一包，按照选择的通道，通过WiFi的组播发送出去。在收到其他对讲机发来的组播数据包后，MCU进行解码，并缓存150ms的语音数据，待缓存满后开始取出缓存的数据进行D/A转换，把语音数据转换成模拟信号，再经功放后接入喇叭，播放出声音。
如意彩和传统对讲机一样，WiFi对讲机设置有通道选择旋钮，共16个通道，每一个通道对应一个组播地址，相同组播地址的对讲机能够实现语音数据的相互收发，实现分组对讲。
WiFi无线信号会随着对讲机的移动出现信号飘移，为了使语音播放更流畅，需要对收到的语音数据进行缓存，这样，偶尔出现传输延迟，也不至于引起语音播放的卡顿。缓存时间越长，播放越流畅，但时间过长就会有延迟的感觉。本设计采用150ms的缓存，这样，播放的声音听起来基本感觉不到延迟，而又起到了补偿传输延迟避免卡顿的作用。
无线传输语音数据要尽量少地占用带宽，以便减少传输时间，使MCU能够有丢包重传的处理时间，这就需要对语音数据进行编码和解码。比较ADPCM、G.711、G.721等语音编码，ADPCM编码把语音数据按1∶4的压缩比进行压缩，算法简单，占用MCU时间短，解码后语音质量良好。本设计采用了ADPCM编解码算法。
漫游是移动对讲必须要解决的问题，以便实现对讲机在跨越WiFi路由器时不中断对讲。对讲机中的WiFi模块在检测到连接的路由器的信号强度（RSSI）小于-80DB时，开始检测其他路由器的信号强度，当其他路由器的信号强度大于-70DB时，则立刻连接到信号强度较强的这台路由器。为了更快速地进行路由器连接切换，在部署路由器网络时，所有路由器全部配置成相同的名字（SSID），这样，漫游时，对讲机只检测SSID相同的路由器的信号强度，使路由检测和切换速度大大提高。
二、硬件设计
如意彩对讲机由WiFi模块、MCU、CODEC编解码、数字功放、MIC、SPEAK、电源部分等组成，其构成框图如图1所示。
选用意法的4系列ARM芯片作为MCU，ARM芯片本身带有128K RAM，完全满足语音数据缓存和WiFi收发所需内存，ARM芯片具有两个SPI，一个与WiFi模块通信，一个与编解码芯片通信，用于收发语音数据，还具有一个I2C接口，该接口与编解码芯片通信，用于对编解码芯片初始化和参数配置。
选用TI公司的内置2W数字功放的编解码（CODEC）芯片AIC3100，该芯片可直接接入MIC和4Ω喇叭。可以通过寄存器设置，进行语音滤波、回音抑制、音量调节等。该芯片的I2C接口用于寄存器配置和语音采集与播放控制，SPI接口用于传输语音数据。
通道选择旋钮驱动MCU上的GPIO，以便MCU检测出选择的通道，MCU检测到所选通道后，通过SPI接口，配置WiFi模块的组播地址，以便实现组内语音数据的组播收发，实现分组对讲功能。
如意彩音量调节旋钮接入MCU的一路A/D通道，以便MCU检测出调节的音量，MCU根据测得的音量旋钮的电阻值，通过I2C接口配置CODEC芯片的音量大小，达到音量调节的作用。
如意彩WiFi模块选用具备SPI透传接口的低功耗嵌入式模块，天线采用模块自带的板载天线，工作模式选择为STA模式，组播功能开启。
三、软件设计
如意彩软件系统包括MCU本身初始化、WiFi模块初始化、CODEC芯片初始化、语音采集播放控制、语音数据收发、通道检测、音量检测等环节。
整个软件系统采用UCOSII开源的实时多任务操作系统，分3个任务：按键旋钮扫描任务、语音采集与播放任务、WiFi通信任务。任务间通过消息进行协同操作。
任务划分及任务处理流程图分别如下。图2为任务分配图，图3为协议处理任务流程图，图4为消息处理流程图，图5为语音处理流程图。
如意彩把所有与PTT按键、通道选择旋钮、音量调节旋钮、开关机键等硬件相关的检测放在按键旋钮扫描任务中，当发现某个部件状态发生变化时，就向系统发出相应的消息。其他任务检测到该消息时，就做出相应的处理。
语音采集与播放任务主要用来管理MCU与CODEC芯片之间的通信。当收到PTT按下的消息时，就控制CODEC芯片开始进行MIC语音数据的采集，并从CODEC芯片中通过SPI口取出语音流数据，进行编码储存，等到语音数据达到约定的50ms数据时，就向系统发出传输语音数据的消息。另一方面，当收到外部语音数据时，就开始解码并缓存语音数据，当数据达到150ms时，MCU就控制CODEC芯片开始播放收到的语音数据。
WiFi通信任务主要是处理WiFi通信协议并进行双向的语音组播。
四、测试效果
对讲机样机做好后，对对讲的流畅性以及漫游特性进行了测试。在一个3000m2的厂房中部署了两台路由器，用4只对讲机进行测试。
如意彩把对讲机两两设置成相同的通道，对讲时，不同分组的对讲机可以同时对讲，而不会产生干扰，静止状态时，通话流畅，但在频繁转身时，偶尔会出现声音卡顿现象。
如意彩在对讲过程中，从一个路由器附近走向另一个路由，中间大约有一秒钟的卡顿。
如意彩整个对讲基本能够顺利进行。
结语
WiFi对讲机能够实现不同区域的远程对讲，是传统模拟或数字对讲机较难实现不同区域远程对讲的有力补充。测试表明，设计的WiFi对讲机从功能和性能上，能够满足对讲联络的要求。
