基于CAN和WSN的煤礦語(yǔ)音通信系統設計

摘要

針對現有煤礦語(yǔ)音通信系統的不足，設計了一種既可以夠滿(mǎn)足正常語(yǔ)音通信要求，又可以在緊急情況下保障應急語(yǔ)音通信的煤礦語(yǔ)音通信系統。該系統采用集成無(wú)線(xiàn)收發(fā)器和8051微處理器的CC2530作為主控芯片，采用AMBE2000語(yǔ)音編解碼芯片，正常情況下采用CAN總線(xiàn)通信模式，應急情況下采用無(wú)線(xiàn)通信模式。詳細介紹了系統的硬件設計和軟件設計，并通過(guò)定性和定量?jì)煞N方法進(jìn)行了實(shí)驗，通過(guò)實(shí)驗證明該系統的聲音強度、語(yǔ)音音質(zhì)、失真度等指標均能滿(mǎn)足現場(chǎng)的需求。

引言

煤礦安全一直是煤礦生產(chǎn)中的重中之重，保障井下語(yǔ)音通信特別是應急情況下的語(yǔ)音通信是保障煤礦安全生產(chǎn)的前提?，F有的井下語(yǔ)音系統一般包括有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩種方式。其中，有線(xiàn)方式主要包括調度電話(huà)和井下擴音電話(huà)系統兩種;無(wú)線(xiàn)方式主要為井下小靈通系統(基站之間也是基于有線(xiàn)的)。這些傳統的語(yǔ)音通信系統在正常情況下可以滿(mǎn)足煤礦語(yǔ)音通信的需要，但如果發(fā)生緊急情況，有線(xiàn)連接被切斷，現有的語(yǔ)音通信系統將面臨癱瘓的可能。而新興無(wú)線(xiàn)傳感器系統在語(yǔ)音通信中又面臨著(zhù)功耗控制等難題。因此建立一種具有自愈性、自組織，能在緊急情況下恢復和保障井下應急語(yǔ)音通信的系統成為當務(wù)之急。

針對以上問(wèn)題，本文結合CAN總線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)點(diǎn)，提出了兩級網(wǎng)絡(luò )的井下語(yǔ)音通信系統，采用CAN總線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )共同組網(wǎng)。在正常情況下采用CAN總線(xiàn)通信方式，一旦發(fā)生緊急情況，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )自動(dòng)啟動(dòng)，同時(shí)利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的自愈性能，采用人工布點(diǎn)的方式可以快速恢復遭到破壞的語(yǔ)音通信系統，盡快與被困礦工取得聯(lián)系，保障應急救援工作的順利進(jìn)行。

1 系統網(wǎng)絡(luò )結構

本文設計的兩級網(wǎng)絡(luò )語(yǔ)音通信系統結合了CAN總線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)點(diǎn)，采用了CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和WSN無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )共同組網(wǎng)的方式。在正常情況下，采用CAN總線(xiàn)來(lái)傳輸語(yǔ)音信號;在緊急情況下，如電源或電纜被切斷時(shí)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )自動(dòng)啟動(dòng)，采用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )傳輸語(yǔ)音信號。另外，還可以通過(guò)人工部署新的傳感器節點(diǎn)來(lái)擴展或恢復被破壞的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，保障井下語(yǔ)音通信的正常。正常情況和緊急情況下的系統結構分別如圖1和圖2所示。

系統節點(diǎn)分為正常的語(yǔ)音節點(diǎn)和緊急情況下使用的傳感器節點(diǎn)兩種。語(yǔ)音節點(diǎn)具有CAN總線(xiàn)和WSN兩種通信模式，是正常組網(wǎng)時(shí)的主要節點(diǎn);傳感器節點(diǎn)僅具有無(wú)線(xiàn)通信方式，是在緊急情況下恢復和擴展語(yǔ)音通信網(wǎng)絡(luò )時(shí)所采用的。傳感器節點(diǎn)和語(yǔ)音節點(diǎn)在采用無(wú)線(xiàn)通信時(shí)采用多跳中繼傳輸，配合CAN總線(xiàn)的有線(xiàn)通信，實(shí)現正常和緊急情況下的語(yǔ)音通信。

2 節點(diǎn)硬件設計

語(yǔ)音節點(diǎn)由CC2530、語(yǔ)音處理模塊CAN通信模塊、電源管理模塊等組成;傳感器節點(diǎn)由CC2530、語(yǔ)音處理模塊、電源管理模塊等組成。其中語(yǔ)音節點(diǎn)的結構如圖3所示。

2.1 CC2530及無(wú)線(xiàn)通信模塊

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的核心是微處理器芯片，本設計采用了TI公司推出的CC2530片上系統芯片。CC2530是用于IEEE 802.1 5.4、ZigBee和RF4CE應用的片上系統(SoC)解決方案，它將一個(gè)高性能的RF無(wú)線(xiàn)收發(fā)器和一個(gè)增強型的8051微處理器集成到一塊芯片上，該芯片具有優(yōu)異的無(wú)線(xiàn)性能、低功耗、低成本，而且其內部集成8路12位ADC、2個(gè)支持多種串行通信協(xié)議的USART模塊、21個(gè)通用I/O接口等，仗其有良好的擴展性。CC2530的主要外圍電路如圖4所示。

2.2 語(yǔ)音處理模塊

語(yǔ)音處理模塊包括語(yǔ)音采集模塊、A/D和D/A轉換模塊、語(yǔ)音編解碼模塊、語(yǔ)音功放等組成。語(yǔ)音信號通過(guò)MIC電路采集后，送到A/D、D/A轉換模塊進(jìn)行A/D轉換和壓縮處理，處理過(guò)的信號通過(guò)語(yǔ)音編解碼模塊進(jìn)行編碼，變成數字信號發(fā)送出去。

2.2.1 A/D、D/A轉換

MIC采集的語(yǔ)音信號為模擬信號，要進(jìn)行數字語(yǔ)音傳輸首先要將模擬信號轉變?yōu)閿底中盘?。本系統采用的A/D、D/A轉換芯片是Lucent公司的CSP1027。CSP1027是一款高精度線(xiàn)性語(yǔ)音頻帶編解碼器，具有16位的A/D、D/A轉換能力。它的模擬接口處內置了音頻前置放大器，

因此在電路設計中，可以直接將小信號的語(yǔ)音信號直接輸入CSP1027的模擬端。語(yǔ)音處理模塊的電路設計如圖5所示。

2.2.2 語(yǔ)音編解碼模塊

經(jīng)過(guò)A/D轉換后的語(yǔ)音信號數據量很大，而CAN通信和WSN通信的帶寬有限。因此必須對采集的語(yǔ)音信號進(jìn)行壓縮和編碼處理。系統采用的編碼芯片為AMBE2000編解碼芯片。

AMBE2000是一種高性能、低功耗、多速率的單片語(yǔ)音編解碼芯片，其數據壓縮速率在2.0～9.6 kbps范圍內可調。AMBE2000將語(yǔ)音數據每20 ms壓縮為一個(gè)語(yǔ)音數據包并將數據送到MCU，MCU將其中的有用數據送到CAN控制器或無(wú)線(xiàn)控制器，以CAN數據或無(wú)線(xiàn)數據的形式發(fā)送出去。當沒(méi)有聲音信號輸入時(shí)，它能夠檢測到靜音并寫(xiě)入標志位。在解碼器部分，當它檢測到丟失一幀語(yǔ)音數據時(shí)，它能夠依據上一幀數據盡量真實(shí)地預測下一幀語(yǔ)音數據，給出適當的語(yǔ)音信號，本系統選用AMBE2000的編碼速率為2.4 kbps。AMBE2000的工作原理如圖6所示。

2.3 CAN通信模塊

CC2530沒(méi)有集成CAN控制器，本設計選用了帶有SPI接口的獨立CAN控制器MCP2515，可方便與CC2530連接。本設計選用的是周立功公司的集成光耦、DC/DC隔離CAN收發(fā)器的CTM8251，該收發(fā)器具有DC 2500 V的隔離功能。CAN通信模塊的電路如圖7所示。

3 系統軟件設計

系統的軟件設計采用模塊化設計方法，系統的工作流程為：

①模塊初始化。模塊初始化主要包括CC2530初始化、引腳初始化、無(wú)線(xiàn)模塊初始化、CAN模塊初始化、AMBE2000初始化等。

②正常工作模式。正常工作模式下采用的是CAN通信，因此無(wú)線(xiàn)模塊處于休眠狀態(tài)。系統檢測通信按鈕是否按下，當按鈕按下時(shí)，啟動(dòng)語(yǔ)音處理及編解碼模塊，并通過(guò)CAN模塊發(fā)送出去。當CAN模塊接收到總線(xiàn)數據時(shí)，產(chǎn)生中斷，CAN模塊接收數據并送到語(yǔ)音處理模塊進(jìn)行解碼。

③緊急狀況模式。當系統出現異常情況時(shí)，會(huì )導致電源中斷，通信電纜被切斷，甚至有些節點(diǎn)遭到損壞無(wú)法正常工作。語(yǔ)音節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)模塊啟動(dòng)，自動(dòng)進(jìn)行組網(wǎng)，改為通過(guò)無(wú)線(xiàn)來(lái)傳輸語(yǔ)音信號。同時(shí)在節點(diǎn)遭到損壞的區域，人工布置傳感器節點(diǎn)，這些節點(diǎn)與語(yǔ)音節點(diǎn)自組織組網(wǎng)，形成新的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，來(lái)恢復和保障語(yǔ)音通信。

由于語(yǔ)音通信對系統的實(shí)時(shí)性要求比較高，而對傳輸過(guò)程中短暫的丟包和錯誤具有較高的容錯率，因此傳統的可靠傳輸控制協(xié)議并不完全適用于語(yǔ)音通信系統。本設計中，采用了一次握手，多個(gè)數據連續通信的不可靠數據報文傳輸機制，來(lái)保證語(yǔ)音通信的實(shí)時(shí)性。

4 系統測試

為了驗證系統的語(yǔ)音通信性能，特別是無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音通信性能，對系統進(jìn)行了定量和定性?xún)煞N試驗測試。試驗設備由語(yǔ)音節點(diǎn)、電源模塊、信號發(fā)生器、聲級計、掃頻儀等組成。

4.1 定量試驗一

系統試驗方法為：兩個(gè)節點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸，其中1號節點(diǎn)通過(guò)信號發(fā)生器輸入不同幅值的1 kHz的正弦信號，通過(guò)分貝計在2號節點(diǎn)的喇叭正前方1 m處測試語(yǔ)音聲強。測試連接示意圖如圖8所示。

經(jīng)測試，語(yǔ)音聲強可達到85dB，語(yǔ)音失真度小于15%。調節音頻信號發(fā)生器，使信號頻率從350～3 000 Hz變化，測得頻響優(yōu)于±6dB。

4.2 定量試驗二

經(jīng)過(guò)定量試驗后，再對系統的語(yǔ)音質(zhì)量進(jìn)行定性測試。測試方法為：將接收節點(diǎn)固定，對發(fā)送節點(diǎn)距離不同情況下的語(yǔ)音音質(zhì)、語(yǔ)音流暢度的情況進(jìn)行定性判斷。具體測試情況如表1所列。

經(jīng)過(guò)測試，當節點(diǎn)距離在20 m內時(shí)，語(yǔ)音流暢、音質(zhì)較好;在25 m內時(shí)開(kāi)始出現顫音，但仍能滿(mǎn)足語(yǔ)音通信的要求;在30 m時(shí)，語(yǔ)音質(zhì)量開(kāi)始下降;40 m時(shí)音質(zhì)較差，無(wú)法滿(mǎn)足語(yǔ)音通信要求。因此語(yǔ)音節點(diǎn)布置距離應保證在25 m以?xún)?，條件允許時(shí)應盡量保證在20 m內為宜。

結語(yǔ)

本文設計的井下語(yǔ)音通信系統，充分結合了有線(xiàn)通信和無(wú)線(xiàn)通信的優(yōu)點(diǎn)，正常情況下采用CAN通信來(lái)傳輸語(yǔ)音信號，保證系統的穩定性和可靠性。緊急情況下采用無(wú)線(xiàn)通信來(lái)傳輸語(yǔ)音信號，并且能夠通過(guò)人工布點(diǎn)的方式接續被破壞的節點(diǎn)，保障緊急情況下的語(yǔ)音通信。通過(guò)實(shí)驗證明了系統聲強、失真度、頻響等性能指標均符合現場(chǎng)使用的要求，且現場(chǎng)布置時(shí)節點(diǎn)間距離以不大于25 m為宜。