基于CAN和WSN的煤礦語(yǔ)音通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要

針對(duì)現(xiàn)有煤礦語(yǔ)音通信系統(tǒng)的不足，設(shè)計(jì)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(yīng)急語(yǔ)音通信的煤礦語(yǔ)音通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用集成無(wú)線收發(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總線通信模式，應(yīng)急情況下采用無(wú)線通信模式。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并通過(guò)定性和定量?jī)煞N方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)的聲音強(qiáng)度、語(yǔ)音音質(zhì)、失真度等指標(biāo)均能滿(mǎn)足現(xiàn)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(yīng)急情況下的語(yǔ)音通信是保障煤礦安全生產(chǎn)的前提?，F(xiàn)有的井下語(yǔ)音系統(tǒng)一般包括有線和無(wú)線兩種方式。其中，有線方式主要包括調(diào)度電話(huà)和井下擴(kuò)音電話(huà)系統(tǒng)兩種;無(wú)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(yǔ)音通信系統(tǒng)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，有線連接被切斷，現(xiàn)有的語(yǔ)音通信系統(tǒng)將面臨癱瘓的可能。而新興無(wú)線傳感器系統(tǒng)在語(yǔ)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(yǔ)音通信的系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文結(jié)合CAN總線和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，提出了兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)的井下語(yǔ)音通信系統(tǒng)，采用CAN總線和無(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)啟動(dòng)，同時(shí)利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自愈性能，采用人工布點(diǎn)的方式可以快速恢復(fù)遭到破壞的語(yǔ)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(jìn)行。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音通信系統(tǒng)結(jié)合了CAN總線和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，采用了CAN總線網(wǎng)絡(luò)和WSN無(wú)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(lái)傳輸語(yǔ)音信號(hào);在緊急情況下，如電源或電纜被切斷時(shí)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)啟動(dòng)，采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸語(yǔ)音信號(hào)。另外，還可以通過(guò)人工部署新的傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)擴(kuò)展或恢復(fù)被破壞的無(wú)線傳感器網(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(tǒng)結(jié)構(gòu)分別如圖1和圖2所示。

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

2 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

語(yǔ)音節(jié)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(jié)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(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1 CC2530及無(wú)線通信模塊

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心是微處理器芯片，本設(shè)計(jì)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(gè)高性能的RF無(wú)線收發(fā)器和一個(gè)增強(qiáng)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)線性能、低功耗、低成本，而且其內(nèi)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(kuò)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(zhuǎn)換模塊、語(yǔ)音編解碼模塊、語(yǔ)音功放等組成。語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)MIC電路采集后，送到A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和壓縮處理，處理過(guò)的信號(hào)通過(guò)語(yǔ)音編解碼模塊進(jìn)行編碼，變成數(shù)字信號(hào)發(fā)送出去。

2.2.1 A/D、D/A轉(zhuǎn)換

MIC采集的語(yǔ)音信號(hào)為模擬信號(hào)，要進(jìn)行數(shù)字語(yǔ)音傳輸首先要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。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(yǔ)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(jì)中，可以直接將小信號(hào)的語(yǔ)音信號(hào)直接輸入CSP1027的模擬端。語(yǔ)音處理模塊的電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

2.2.2 語(yǔ)音編解碼模塊

經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的語(yǔ)音信號(hào)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(duì)采集的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)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(yǔ)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(yǔ)音數(shù)據(jù)每20 ms壓縮為一個(gè)語(yǔ)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(wú)線控制器，以CAN數(shù)據(jù)或無(wú)線數(shù)據(jù)的形式發(fā)送出去。當(dāng)沒(méi)有聲音信號(hào)輸入時(shí)，它能夠檢測(cè)到靜音并寫(xiě)入標(biāo)志位。在解碼器部分，當(dāng)它檢測(cè)到丟失一幀語(yǔ)音數(shù)據(jù)時(shí)，它能夠依據(jù)上一幀數(shù)據(jù)盡量真實(shí)地預(yù)測(cè)下一幀語(yǔ)音數(shù)據(jù)，給出適當(dāng)?shù)恼Z(yǔ)音信號(hào)，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(méi)有集成CAN控制器，本設(shè)計(jì)選用了帶有SPI接口的獨(dú)立CAN控制器MCP2515，可方便與CC2530連接。本設(shè)計(jì)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(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)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(wú)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(wú)線模塊處于休眠狀態(tài)。系統(tǒng)檢測(cè)通信按鈕是否按下，當(dāng)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(dāng)CAN模塊接收到總線數(shù)據(jù)時(shí)，產(chǎn)生中斷，CAN模塊接收數(shù)據(jù)并送到語(yǔ)音處理模塊進(jìn)行解碼。

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

由于語(yǔ)音通信對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求比較高，而對(duì)傳輸過(guò)程中短暫的丟包和錯(cuò)誤具有較高的容錯(cuò)率，因此傳統(tǒng)的可靠傳輸控制協(xié)議并不完全適用于語(yǔ)音通信系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)中，采用了一次握手，多個(gè)數(shù)據(jù)連續(xù)通信的不可靠數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸機(jī)制，來(lái)保證語(yǔ)音通信的實(shí)時(shí)性。

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的語(yǔ)音通信性能，特別是無(wú)線語(yǔ)音通信性能，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了定量和定性?xún)煞N試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)設(shè)備由語(yǔ)音節(jié)點(diǎn)、電源模塊、信號(hào)發(fā)生器、聲級(jí)計(jì)、掃頻儀等組成。

4.1 定量試驗(yàn)一

系統(tǒng)試驗(yàn)方法為：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線傳輸，其中1號(hào)節(jié)點(diǎn)通過(guò)信號(hào)發(fā)生器輸入不同幅值的1 kHz的正弦信號(hào)，通過(guò)分貝計(jì)在2號(hào)節(jié)點(diǎn)的喇叭正前方1 m處測(cè)試語(yǔ)音聲強(qiáng)。測(cè)試連接示意圖如圖8所示。

經(jīng)測(cè)試，語(yǔ)音聲強(qiáng)可達(dá)到85dB，語(yǔ)音失真度小于15%。調(diào)節(jié)音頻信號(hào)發(fā)生器，使信號(hào)頻率從350～3 000 Hz變化，測(cè)得頻響優(yōu)于±6dB。

4.2 定量試驗(yàn)二

經(jīng)過(guò)定量試驗(yàn)后，再對(duì)系統(tǒng)的語(yǔ)音質(zhì)量進(jìn)行定性測(cè)試。測(cè)試方法為：將接收節(jié)點(diǎn)固定，對(duì)發(fā)送節(jié)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(cè)試情況如表1所列。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，當(dāng)節(jié)點(diǎn)距離在20 m內(nèi)時(shí)，語(yǔ)音流暢、音質(zhì)較好;在25 m內(nèi)時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)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(jié)點(diǎn)布置距離應(yīng)保證在25 m以?xún)?nèi)，條件允許時(shí)應(yīng)盡量保證在20 m內(nèi)為宜。

結(jié)語(yǔ)

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