基于CAN和WSN的煤礦語音通信系統(tǒng)設(shè)計

摘要

針對現(xiàn)有煤礦語音通信系統(tǒng)的不足，設(shè)計了一種既可以夠滿足正常語音通信要求，又可以在緊急情況下保障應(yīng)急語音通信的煤礦語音通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用集成無線收發(fā)器和8051微處理器的CC2530作為主控芯片，采用AMBE2000語音編解碼芯片，正常情況下采用CAN總線通信模式，應(yīng)急情況下采用無線通信模式。詳細介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，并通過定性和定量兩種方法進行了實驗，通過實驗證明該系統(tǒng)的聲音強度、語音音質(zhì)、失真度等指標均能滿足現(xiàn)場的需求。

引言

煤礦安全一直是煤礦生產(chǎn)中的重中之重，保障井下語音通信特別是應(yīng)急情況下的語音通信是保障煤礦安全生產(chǎn)的前提?，F(xiàn)有的井下語音系統(tǒng)一般包括有線和無線兩種方式。其中，有線方式主要包括調(diào)度電話和井下擴音電話系統(tǒng)兩種;無線方式主要為井下小靈通系統(tǒng)(基站之間也是基于有線的)。這些傳統(tǒng)的語音通信系統(tǒng)在正常情況下可以滿足煤礦語音通信的需要，但如果發(fā)生緊急情況，有線連接被切斷，現(xiàn)有的語音通信系統(tǒng)將面臨癱瘓的可能。而新興無線傳感器系統(tǒng)在語音通信中又面臨著功耗控制等難題。因此建立一種具有自愈性、自組織，能在緊急情況下恢復(fù)和保障井下應(yīng)急語音通信的系統(tǒng)成為當務(wù)之急。

針對以上問題，本文結(jié)合CAN總線和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，提出了兩級網(wǎng)絡(luò)的井下語音通信系統(tǒng)，采用CAN總線和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)共同組網(wǎng)。在正常情況下采用CAN總線通信方式，一旦發(fā)生緊急情況，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動啟動，同時利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自愈性能，采用人工布點的方式可以快速恢復(fù)遭到破壞的語音通信系統(tǒng)，盡快與被困礦工取得聯(lián)系，保障應(yīng)急救援工作的順利進行。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的兩級網(wǎng)絡(luò)語音通信系統(tǒng)結(jié)合了CAN總線和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，采用了CAN總線網(wǎng)絡(luò)和WSN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)共同組網(wǎng)的方式。在正常情況下，采用CAN總線來傳輸語音信號;在緊急情況下，如電源或電纜被切斷時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動啟動，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸語音信號。另外，還可以通過人工部署新的傳感器節(jié)點來擴展或恢復(fù)被破壞的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，保障井下語音通信的正常。正常情況和緊急情況下的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分別如圖1和圖2所示。

系統(tǒng)節(jié)點分為正常的語音節(jié)點和緊急情況下使用的傳感器節(jié)點兩種。語音節(jié)點具有CAN總線和WSN兩種通信模式，是正常組網(wǎng)時的主要節(jié)點;傳感器節(jié)點僅具有無線通信方式，是在緊急情況下恢復(fù)和擴展語音通信網(wǎng)絡(luò)時所采用的。傳感器節(jié)點和語音節(jié)點在采用無線通信時采用多跳中繼傳輸，配合CAN總線的有線通信，實現(xiàn)正常和緊急情況下的語音通信。

2 節(jié)點硬件設(shè)計

語音節(jié)點由CC2530、語音處理模塊CAN通信模塊、電源管理模塊等組成;傳感器節(jié)點由CC2530、語音處理模塊、電源管理模塊等組成。其中語音節(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1 CC2530及無線通信模塊

無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的核心是微處理器芯片，本設(shè)計采用了TI公司推出的CC2530片上系統(tǒng)芯片。CC2530是用于IEEE 802.1 5.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案，它將一個高性能的RF無線收發(fā)器和一個增強型的8051微處理器集成到一塊芯片上，該芯片具有優(yōu)異的無線性能、低功耗、低成本，而且其內(nèi)部集成8路12位ADC、2個支持多種串行通信協(xié)議的USART模塊、21個通用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 語音處理模塊

語音處理模塊包括語音采集模塊、A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、語音編解碼模塊、語音功放等組成。語音信號通過MIC電路采集后，送到A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊進行A/D轉(zhuǎn)換和壓縮處理，處理過的信號通過語音編解碼模塊進行編碼，變成數(shù)字信號發(fā)送出去。

2.2.1 A/D、D/A轉(zhuǎn)換

MIC采集的語音信號為模擬信號，要進行數(shù)字語音傳輸首先要將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。本系統(tǒng)采用的A/D、D/A轉(zhuǎn)換芯片是Lucent公司的CSP1027。CSP1027是一款高精度線性語音頻帶編解碼器，具有16位的A/D、D/A轉(zhuǎn)換能力。它的模擬接口處內(nèi)置了音頻前置放大器，

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

2.2.2 語音編解碼模塊

經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的語音信號數(shù)據(jù)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音信號進行壓縮和編碼處理。系統(tǒng)采用的編碼芯片為AMBE2000編解碼芯片。

AMBE2000是一種高性能、低功耗、多速率的單片語音編解碼芯片，其數(shù)據(jù)壓縮速率在2.0～9.6 kbps范圍內(nèi)可調(diào)。AMBE2000將語音數(shù)據(jù)每20 ms壓縮為一個語音數(shù)據(jù)包并將數(shù)據(jù)送到MCU，MCU將其中的有用數(shù)據(jù)送到CAN控制器或無線控制器，以CAN數(shù)據(jù)或無線數(shù)據(jù)的形式發(fā)送出去。當沒有聲音信號輸入時，它能夠檢測到靜音并寫入標志位。在解碼器部分，當它檢測到丟失一幀語音數(shù)據(jù)時，它能夠依據(jù)上一幀數(shù)據(jù)盡量真實地預(yù)測下一幀語音數(shù)據(jù)，給出適當?shù)恼Z音信號，本系統(tǒng)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沒有集成CAN控制器，本設(shè)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(shè)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(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法，系統(tǒng)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、無線模塊初始化、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，因此無線模塊處于休眠狀態(tài)。系統(tǒng)檢測通信按鈕是否按下，當按鈕按下時，啟動語音處理及編解碼模塊，并通過CAN模塊發(fā)送出去。當CAN模塊接收到總線數(shù)據(jù)時，產(chǎn)生中斷，CAN模塊接收數(shù)據(jù)并送到語音處理模塊進行解碼。

③緊急狀況模式。當系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時，會導(dǎo)致電源中斷，通信電纜被切斷，甚至有些節(jié)點遭到損壞無法正常工作。語音節(jié)點的無線模塊啟動，自動進行組網(wǎng)，改為通過無線來傳輸語音信號。同時在節(jié)點遭到損壞的區(qū)域，人工布置傳感器節(jié)點，這些節(jié)點與語音節(jié)點自組織組網(wǎng)，形成新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，來恢復(fù)和保障語音通信。

由于語音通信對系統(tǒng)的實時性要求比較高，而對傳輸過程中短暫的丟包和錯誤具有較高的容錯率，因此傳統(tǒng)的可靠傳輸控制協(xié)議并不完全適用于語音通信系統(tǒng)。本設(shè)計中，采用了一次握手，多個數(shù)據(jù)連續(xù)通信的不可靠數(shù)據(jù)報文傳輸機制，來保證語音通信的實時性。

4 系統(tǒng)測試

為了驗證系統(tǒng)的語音通信性能，特別是無線語音通信性能，對系統(tǒng)進行了定量和定性兩種試驗測試。試驗設(shè)備由語音節(jié)點、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(tǒng)試驗方法為：兩個節(jié)點通過無線傳輸，其中1號節(jié)點通過信號發(fā)生器輸入不同幅值的1 kHz的正弦信號，通過分貝計在2號節(jié)點的喇叭正前方1 m處測試語音聲強。測試連接示意圖如圖8所示。

經(jīng)測試，語音聲強可達到85dB，語音失真度小于15%。調(diào)節(jié)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)過定量試驗后，再對系統(tǒng)的語音質(zhì)量進行定性測試。測試方法為：將接收節(jié)點固定，對發(fā)送節(jié)點距離不同情況下的語音音質(zhì)、語音流暢度的情況進行定性判斷。具體測試情況如表1所列。

經(jīng)過測試，當節(jié)點距離在20 m內(nèi)時，語音流暢、音質(zhì)較好;在25 m內(nèi)時開始出現(xiàn)顫音，但仍能滿足語音通信的要求;在30 m時，語音質(zhì)量開始下降;40 m時音質(zhì)較差，無法滿足語音通信要求。因此語音節(jié)點布置距離應(yīng)保證在25 m以內(nèi)，條件允許時應(yīng)盡量保證在20 m內(nèi)為宜。

結(jié)語

本文設(shè)計的井下語音通信系統(tǒng)，充分結(jié)合了有線通信和無線通信的優(yōu)點，正常情況下采用CAN通信來傳輸語音信號，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。緊急情況下采用無線通信來傳輸語音信號，并且能夠通過人工布點的方式接續(xù)被破壞的節(jié)點，保障緊急情況下的語音通信。通過實驗證明了系統(tǒng)聲強、失真度、頻響等性能指標均符合現(xiàn)場使用的要求，且現(xiàn)場布置時節(jié)點間距離以不大于25 m為宜。