基于Orangpi Zero和Linux ALSA实现WIFI无线音箱（三）

作品已经完成，先上源码：

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

全文包含三篇，这是第三篇，主要讲述接收端程序的原理和过程。

第一篇：基于Orangpi Zero和Linux ALSA实现WIFI无线音箱（一）

第二篇：基于Orangpi Zero和Linux ALSA实现WIFI无线音箱（二）

以下是正文：

　　在进行接收端程序开发前，首先要了解Orangpi Zero的声音设备。

　　Orangpi可以通过ALSA（The Advanced Linux Sound Architecture ）访问系统的声音设备。

一、查找并确定Orangpi Zero的声音设备

　　要使用ALSA，首先就是要能正确找到声音设备，作者在使用alsa的时候，尝试过使用armbian官网（链接地址）上三个不同的镜像，发现有些armbian镜像有问题，不知道是什么原因，分别是：

　　（1）、基于Ubuntu Xenial的Armbian镜像，版本号3.4.113（下载地址）

　　（2）、基于Ubuntu Xenial的Armbian镜像，版本号4.14.14（下载地址）

　　（3）、基于Debian Stretch的Armbian镜像，版本号4.14.14（下载地址）

　　这三个镜像中，只有第一个能找到声卡设备，其他两个都提示无声卡设备。作者只能使用第一个镜像。

　　在armbian中，使用以下命令即可看到声卡设备。

aplay -l

　　如上图所示，在OrangePi Zero中，共有两个声卡设备，一个card0是audiocodec，指的是板载的TV接口，另一个card1是sndhdmi，指的是HDMI输出接口，其中card0是默认声卡设备，因为TV接口在开发板上有直接引出，而且只需3线（左声道、右声道、地），本作品直接使用TV接口作为音频输出。硬件电路如图如下所示。

　　如果使用aplay命令显示出来的card0不是我们想要的默认声卡设备，那就要进行更改了，更改方法可以参考“linux alsa音频架构的配置与使用”这个文章。

　　此外，alsa还有一个虚拟的配置界面，alsamixer，利用它可以方便的设置声卡音量、配置声卡、静音等功能，类似windows桌面右下角的声音管理器。要打开alsamixer，直接使用alsamixer命令即可，具体的使用方法，可以参考“Linux下的音量控制器alsamixer”这篇文章，界面如下图所示。

alsamixer

　　设置之后，利用aplay命令测试一下能否播放音乐，如果TV接口播放音频正常，接下来就可以开始接收端的程序开发了。

#播放测试音乐
aplay test.wav

　　测试alsa正常后，接下来介绍接收端程序中需要使用到的socket和pyalsaaduio模块。

二、socket模块

　　socket模块使用比较简单，首先获取本机IP，然后初始化socket为UDP模式，并绑定IP地址和端口号，就可以开始接受数据包了。主要涉及的函数包括：

#创建socket
socket.socket([family[, type[, proto]]])

#连接远程地址
socket.connect(address)

#绑定socket的IP地址和端口号
socket.bind(address)

#从socket接收数据包
socket.recvfrom(bufsize[, flags])

#关闭socket
socket.close()

　　socket模块的使用比较简单，网上有很多范例，这里不再详细说明。

三、pyalsaaudio模块

　　pyalsaaudio（下载地址）是一个用于python中访问ALSA API的模块，利用这个模块，用户可以很轻松的在程序中访问Orangpi Zero的PCM和混音器设备，这个模块的使用说明和范例在这个链接地址里有。

　　1、安装pyalsaaudio模块

　　依次安装python对应版本的setuptools、python-dev、libasoud2-dev和pyalsaaudio包即可。其中python-dev包与所使用的python版本有关，可以使用python3 -V命令查看python版本，本作品armbian系统预装了python3.5，所以要安装python3.5-dev包。依次执行以下命令。

　　（1）、安装python3-setuptools命令：

apt-get install python3-setuptools

　　（2）、安装python3.5-dev命令：

apt-get install python3.5-dev

　　（3）、安装libasoud2-dev命令：

apt-get install libasound2-dev

　　（4）最后，使用python的pip3命令安装pyalsaaudio模块：

pip3 install pyalsaaudio

　　（5）上一步中的pip3命令，是为了与python2区分的，armbian中预安装了python2和python3，作者使用的是python3，如果直接使用pip命令，系统就会给python2安装pyalsaaudio模块了，所以这里需要注意。如果提示没有pip3命令，那就需要使用以下命令安装pip3。安装之后就可以使用pip3命令操作第4步了。

apt-get install python3-pip

四、接收端程序设计

　　接收端比较简单，在Python环境下直接使用socket和pyalsaaudio模块即可快速实现数据包的接收和播放，主要使用的pyalsaaudio模块函数如下。

#默认的构造函数
#系统初始化alsa device，系统默认按以下参数配置：PCM、44.1kHz、双通道、周期大小32帧
#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)

#设置采样率，以Hz为单位。
#典型值是8000（电话）、16000、44100（CD音质）、48000（DVD音质）、96000
PCM.setrate(rate)

#设置周期大小,用户程序每次处理音频数据的帧数，
#即用户程序每次要写入（播放）/读取（录音）的数据大小
#以帧为单位，一帧就是一次采样的字节数
PCM.setperiodsize(period)

#写入待播放的音频数据。
#data的数据长度必须是帧大小的整数倍, 并且等于周期大小。
#如果小于周期大小，则实际不会播放，直到程序把数据按照周期大小完全写入。
PCM.write(data)

　　在《基于Orangpi Zero和Linux ALSA实现WIFI无线音箱（二）》中，作者设定了发送来的数据包前40个字节为识别数据格式的包头，真正的音频数据是从第41字节开始。包头数据的40个字节，实际就是C里的WAVEFORMATEX结构体，包含采样率、通道数、位深度信息，在python中，需要对这个结构体（数据包的开始的40字节）的数据进行解析读取，这样，才能正确设置pyalsaaudio的PCM类对象。

　　要实现上述功能，在C里，可以直接把数据包首地址强制转换成WAVEFORMATEX结构体类型的指针，再访问各个成员变量即可，可是在python里，没有地址和指针的概念，需要使用struct模块中的pack和unpack函数。

　　struct模块的pcak和unpcak函数是用来处理C结构数据的，通过它们可以实现对字节数组的解释。例如WAVEFORMATEX结构体的第2～3字节（以0开始）为通道数，第4～7字节为采样率，unpack函数可以把这些字节数组按照设定的要求进行转换。两个函数的详细用法，可以参考“Python中struct.pack()和struct.unpack()用法详细说明”这篇文章。

　　最后，接收端程序设计的流程和源码如下：

　　1、初始化socket

　　2、初始化PCM类对象

　　3、从socket接受数据（阻塞式）

　　4、解释数据包头

　　5、每隔1s判断数据包头指定的格式跟当前格式是否一致，如果不一致，则关闭PCM类对象并重新初始化

　　6、播放从第41字节开始的音频数据

　　注意：程序中音频格式只做了对采样率的判断，没对位深度、通道数等信息的判断，有兴趣的读者可以自行添加。

import socket
import alsaaudio
import struct
import time

#函数：获取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

#以下是主程序
RecCount = 0
#默认的PCM音频格式，参考C里面的WAVEFORMATEX结构体
#格式标识wFormatTag = 0xfe
#通道数nChannels    = 2
#采样率nSamplesPerSec  = 48000Hz
#波特率nAvgBytesPerSec = 192000
#块对齐nBlockAlign     = 4
#位深度wBitsPerSample  = 16
list_pwfx = [65534, 2, 48000, 192000, 4, 16]

Local_IP=GetHostIP()
print('说明')
print('1.本机ip：%s:12321'%(Local_IP))
print('2.默认按照48000Hz、双通道、16位PCM格式播放')
print('3.发送端发出的数据包前40个字节为音频格式信息，接收端（本程序）每隔1s会解释一次包头，读取并自动修改播放器采样率信息（如发生变化）')
print('4.注意：接收端（本程序）只支持11025、12000、44100、48000这4种采样率的自动切换，不支持修改通道数、位深度等其他信息的切换。')
print('5.发送端如果在后台（如Windows的音频管理器）修改了采样率，必须重新点击‘启动’按钮，才能重新发生正确的音频流')

#初始化socket
sss = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
sss.bind((Local_IP, 12321))

#系统初始化alsa device，系统默认按以下参数配置
#Sample format: PCM_FORMAT_S16_LE
#Rate: 44100 Hz
#Channels: 2
#Period size: 32 frames
device = alsaaudio.PCM()

#修改默认采样率为48kHz
device.setrate(list_pwfx[2])
#修改缓冲区大小（以帧为单位，0.1s是4800帧）
device.setperiodsize(list_pwfx[2]//10)

Lasttime =time.time()

while 1:

    #申请20k字节缓冲区
    BytesRecv,ServerAddr = sss.recvfrom(20000)

    #这里是为了让程序自动更改播放音频的采样率，如果距离上次设置采样率的时刻大于1s，
    #则读取数据包的头40个字节，判断服务器传过来的数据采样率有无变化，重新设置采样率，
    #只支持在11025、12000、44100和48000间切换
    Nowtime = time.time()
    if (Nowtime-Lasttime) > 1 :

        Lasttime = Nowtime

        #解释包头（只取前16字节），具体请参考C里面的WAVEFORMATEX结构体或文件开头的说明
        #注意struct.unpack返回值是一个元组
        tuple_pwfx_temp = struct.unpack('HHLLHH',BytesRecv[:16])
        #print(tuple_pwfx_temp)
        if tuple_pwfx_temp[2] != list_pwfx[2]:
            print('采样率发生变化！')
            if tuple_pwfx_temp[2] in [11025,12000,44100,48000]:
                #把元组转换为列表，再赋值修改采样率
                list_pwfx[2] =list(tuple_pwfx_temp)[2]

                #关闭设备并重新初始化设备
                device.close()
                device = alsaaudio.PCM()
                device.setrate(list_pwfx[2])
                device.setperiodsize(list_pwfx[2]//10)

                print('采样率正确，修改采样率为%s'%(list_pwfx[2]))
            else:
                print('采样率错误！'%(list_pwfx[2]))

    #将socket接收到的数据送到device播放
    #收到的数据包，第41字节开始才是音频数据
    device.write(BytesRecv[40:])

    print('RecCount=%s'%(RecCount),end='\r')
    RecCount+=1

device.close()
sss.close()

　　同时运行发送端程序和接收端程序，在发送端打开音乐播放器，这个时候，OrangPi接的音箱应该能播放音乐了。

五、设置python脚本开机自启动

　　好了，最后一步就是把这个python脚本设定成开机自启动，这样就不用每次登录OrangPi Zero运行这个脚本，linux下实现python脚本开机自动启动的方法也简单，“Linux下Python脚本自启动与定时任务详解”这个文章有详细介绍，修改一下系统配置文件即可。