基於Orangpi Zero和Linux ALSA實現WIFI無線音箱（三）

做品已經完成，先上源碼：

https://files.cnblogs.com/files/qzrzq1/WIFISpeaker.zip

全文包含三篇，這是第三篇，主要講述接收端程序的原理和過程。

第一篇：基於Orangpi Zero和Linux ALSA實現WIFI無線音箱（一）

第二篇：基於Orangpi Zero和Linux ALSA實現WIFI無線音箱（二）

 

如下是正文：

　　在進行接收端程序開發前，首先要了解Orangpi Zero的聲音設備。

　　Orangpi能夠經過ALSA（The Advanced Linux Sound Architecture ）訪問系統的聲音設備。

1、查找並肯定Orangpi Zero的聲音設備

　　要使用ALSA，首先就是要能正確找到聲音設備，做者在使用alsa的時候，嘗試過使用armbian官網（連接地址）上三個不一樣的鏡像，發現有些armbian鏡像有問題，不知道是什麼緣由，分別是：

　　（1）、基於Ubuntu Xenial的Armbian鏡像，版本號3.4.113（下載地址）

　　（2）、基於Ubuntu Xenial的Armbian鏡像，版本號4.14.14（下載地址）

　　（3）、基於Debian Stretch的Armbian鏡像，版本號4.14.14（下載地址）

　　這三個鏡像中，只有第一個能找到聲卡設備，其餘兩個都提示無聲卡設備。做者只能使用第一個鏡像。

　　在armbian中，使用如下命令便可看到聲卡設備。

aplay -l

　　如上圖所示，在OrangePi Zero中，共有兩個聲卡設備，一個card0是audiocodec，指的是板載的TV接口，另外一個card1是sndhdmi，指的是HDMI輸出接口，其中card0是默認聲卡設備，由於TV接口在開發板上有直接引出，並且只需3線（左聲道、右聲道、地），本做品直接使用TV接口做爲音頻輸出。硬件電路如圖以下所示。

　　若是使用aplay命令顯示出來的card0不是咱們想要的默認聲卡設備，那就要進行更改了，更改方法能夠參考「linux alsa音頻架構的配置與使用」這個文章。

　　此外，alsa還有一個虛擬的配置界面，alsamixer，利用它能夠方便的設置聲卡音量、配置聲卡、靜音等功能，相似windows桌面右下角的聲音管理器。要打開alsamixer，直接使用alsamixer命令便可，具體的使用方法，能夠參考「Linux下的音量控制器alsamixer」這篇文章，界面以下圖所示。

alsamixer

　　設置以後，利用aplay命令測試一下可否播放音樂，若是TV接口播放音頻正常，接下來就能夠開始接收端的程序開發了。

#播放測試音樂
aplay test.wav

　　測試alsa正常後，接下來介紹接收端程序中須要使用到的socket和pyalsaaduio模塊。

2、socket模塊

　　socket模塊使用比較簡單，首先獲取本機IP，而後初始化socket爲UDP模式，並綁定IP地址和端口號，就能夠開始接受數據包了。主要涉及的函數包括：

#建立socket
socket.socket([family[, type[, proto]]]) #鏈接遠程地址
socket.connect(address) #綁定socket的IP地址和端口號
socket.bind(address) #從socket接收數據包
socket.recvfrom(bufsize[, flags]) #關閉socket
socket.close()

　　socket模塊的使用比較簡單，網上有不少範例，這裏再也不詳細說明。

3、pyalsaaudio模塊

　　pyalsaaudio（下載地址）是一個用於python中訪問ALSA API的模塊，利用這個模塊，用戶能夠很輕鬆的在程序中訪問Orangpi Zero的PCM和混音器設備，這個模塊的使用說明和範例在這個連接地址裏有。

　　一、安裝pyalsaaudio模塊

　　依次安裝python對應版本的setuptools、python-dev、libasoud2-dev和pyalsaaudio包便可。其中python-dev包與所使用的python版本有關，可使用python3 -V命令查看python版本，本做品armbian系統預裝了python3.5，因此要安裝python3.5-dev包。依次執行如下命令。

　　（1）、安裝python3-setuptools命令：

apt-get install python3-setuptools

　　（2）、安裝python3.5-dev命令：

apt-get install python3.5-dev

　　（3）、安裝libasoud2-dev命令：

apt-get install libasound2-dev

　　（4）最後，使用python的pip3命令安裝pyalsaaudio模塊：

pip3 install pyalsaaudio

　　（5）上一步中的pip3命令，是爲了與python2區分的，armbian中預安裝了python2和python3，做者使用的是python3，若是直接使用pip命令，系統就會給python2安裝pyalsaaudio模塊了，因此這裏須要注意。若是提示沒有pip3命令，那就須要使用如下命令安裝pip3。安裝以後就可使用pip3命令操做第4步了。

apt-get install python3-pip

4、接收端程序設計

　　接收端比較簡單，在Python環境下直接使用socket和pyalsaaudio模塊便可快速實現數據包的接收和播放，主要使用的pyalsaaudio模塊函數以下。

#默認的構造函數 #系統初始化alsa device，系統默認按如下參數配置：PCM、44.1kHz、雙通道、週期大小32幀 #Sample format: PCM_FORMAT_S16_LE #Rate: 44100 Hz #Channels: 2 #Period size: 32 frames
class alsaaudio.PCM(type=PCM_PLAYBACK, mode=PCM_NORMAL, device='default', cardindex=-1) #設置採樣率，以Hz爲單位。 #典型值是8000（電話）、16000、44100（CD音質）、48000（DVD音質）、96000
PCM.setrate(rate) #設置週期大小,用戶程序每次處理音頻數據的幀數， #即用戶程序每次要寫入（播放）/讀取（錄音）的數據大小 #以幀爲單位，一幀就是一次採樣的字節數
PCM.setperiodsize(period) #寫入待播放的音頻數據。 #data的數據長度必須是幀大小的整數倍, 而且等於週期大小。 #若是小於週期大小，則實際不會播放，直到程序把數據按照週期大小徹底寫入。
PCM.write(data)

　　在《基於Orangpi Zero和Linux ALSA實現WIFI無線音箱（二）》中，做者設定了發送來的數據包前40個字節爲識別數據格式的包頭，真正的音頻數據是從第41字節開始。包頭數據的40個字節，實際就是C裏的WAVEFORMATEX結構體，包含採樣率、通道數、位深度信息，在python中，須要對這個結構體（數據包的開始的40字節）的數據進行解析讀取，這樣，才能正確設置pyalsaaudio的PCM類對象。

　　要實現上述功能，在C裏，能夠直接把數據包首地址強制轉換成WAVEFORMATEX結構體類型的指針，再訪問各個成員變量便可，但是在python裏，沒有地址和指針的概念，須要使用struct模塊中的pack和unpack函數。

　　struct模塊的pcak和unpcak函數是用來處理C結構數據的，經過它們能夠實現對字節數組的解釋。例如WAVEFORMATEX結構體的第2～3字節（以0開始）爲通道數，第4～7字節爲採樣率，unpack函數能夠把這些字節數組按照設定的要求進行轉換。兩個函數的詳細用法，能夠參考「Python中struct.pack()和struct.unpack()用法詳細說明」這篇文章。

　　最後，接收端程序設計的流程和源碼以下：

　　一、初始化socket

　　二、初始化PCM類對象

　　三、從socket接受數據（阻塞式）

　　四、解釋數據包頭

　　五、每隔1s判斷數據包頭指定的格式跟當前格式是否一致，若是不一致，則關閉PCM類對象並從新初始化

　　六、播放從第41字節開始的音頻數據

　　注意：程序中音頻格式只作了對採樣率的判斷，沒對位深度、通道數等信息的判斷，有興趣的讀者能夠自行添加。

import socket import alsaaudio import struct import time #函數：獲取IP地址
def GetHostIP(): try: s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM) s.connect(('1.1.1.1', 80)) ip = s.getsockname()[0] finally: s.close() return ip #如下是主程序
RecCount = 0 #默認的PCM音頻格式，參考C裏面的WAVEFORMATEX結構體 #格式標識wFormatTag = 0xfe #通道數nChannels = 2 #採樣率nSamplesPerSec = 48000Hz #波特率nAvgBytesPerSec = 192000 #塊對齊nBlockAlign = 4 #位深度wBitsPerSample = 16
list_pwfx = [65534, 2, 48000, 192000, 4, 16] Local_IP=GetHostIP() print('說明') print('1.本機ip：%s:12321'%(Local_IP)) print('2.默認按照48000Hz、雙通道、16位PCM格式播放') print('3.發送端發出的數據包前40個字節爲音頻格式信息，接收端（本程序）每隔1s會解釋一次包頭，讀取並自動修改播放器採樣率信息（如發生變化）') print('4.注意：接收端（本程序）只支持1102五、12000、44100、48000這4種採樣率的自動切換，不支持修改通道數、位深度等其餘信息的切換。') print('5.發送端若是在後臺（如Windows的音頻管理器）修改了採樣率，必須從新點擊‘啓動’按鈕，才能從新發生正確的音頻流') #初始化socket
sss = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM) sss.bind((Local_IP, 12321)) #系統初始化alsa device，系統默認按如下參數配置 #Sample format: PCM_FORMAT_S16_LE #Rate: 44100 Hz #Channels: 2 #Period size: 32 frames
device = alsaaudio.PCM() #修改默認採樣率爲48kHz
device.setrate(list_pwfx[2]) #修改緩衝區大小（以幀爲單位，0.1s是4800幀）
device.setperiodsize(list_pwfx[2]//10) Lasttime =time.time() while 1: #申請20k字節緩衝區
    BytesRecv,ServerAddr = sss.recvfrom(20000) #這裏是爲了讓程序自動更改播放音頻的採樣率，若是距離上次設置採樣率的時刻大於1s，
    #則讀取數據包的頭40個字節，判斷服務器傳過來的數據採樣率有無變化，從新設置採樣率，
    #只支持在1102五、12000、44100和48000間切換
    Nowtime = time.time() if (Nowtime-Lasttime) > 1 : Lasttime = Nowtime #解釋包頭（只取前16字節），具體請參考C裏面的WAVEFORMATEX結構體或文件開頭的說明
        #注意struct.unpack返回值是一個元組
        tuple_pwfx_temp = struct.unpack('HHLLHH',BytesRecv[:16]) #print(tuple_pwfx_temp)
        if tuple_pwfx_temp[2] != list_pwfx[2]: print('採樣率發生變化！') if tuple_pwfx_temp[2] in [11025,12000,44100,48000]: #把元組轉換爲列表，再賦值修改採樣率
                list_pwfx[2] =list(tuple_pwfx_temp)[2] #關閉設備並從新初始化設備
 device.close() device = alsaaudio.PCM() device.setrate(list_pwfx[2]) device.setperiodsize(list_pwfx[2]//10) print('採樣率正確，修改採樣率爲%s'%(list_pwfx[2])) else: print('採樣率錯誤！'%(list_pwfx[2])) #將socket接收到的數據送到device播放
    #收到的數據包，第41字節開始纔是音頻數據
    device.write(BytesRecv[40:]) print('RecCount=%s'%(RecCount),end='\r') RecCount+=1 device.close() sss.close()

　　同時運行發送端程序和接收端程序，在發送端打開音樂播放器，這個時候，OrangPi接的音箱應該能播放音樂了。

5、設置python腳本開機自啓動

　　好了，最後一步就是把這個python腳本設定成開機自啓動，這樣就不用每次登陸OrangPi Zero運行這個腳本，linux下實現python腳本開機自動啓動的方法也簡單，「Linux下Python腳本自啓動與定時任務詳解」這個文章有詳細介紹，修改一下系統配置文件便可。