何雨生

摘要：本文分析了當(dāng)前煤礦井下語音通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀，提出了一種基于WiFi的煤礦井下語音通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。該系統(tǒng)通過傳輸控制中心的傳播處理實(shí)現(xiàn)移動終端之間語音通信以及移動終端與智能擴(kuò)音電話的語音廣播，有利于緊急情況時人員的安全撤離和做好相應(yīng)的補(bǔ)救措施，保障人員安全，提高煤礦井下工作的安全性。

關(guān)鍵詞：語音通信；CAN總線；WiFi；網(wǎng)絡(luò)傳輸接口

中圖分類號：TN912.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）07-0157-03

1 引言

根據(jù)國家安全監(jiān)管總局、 國家煤礦安監(jiān)局關(guān)于 建設(shè)完善煤礦井下安全避險“六大系統(tǒng)”的通知（安監(jiān)總煤裝〔2010〕146號）要求，全國所有煤礦必須完成通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)完善工作。當(dāng)前煤礦井下所采用的語音通信方式實(shí)時性差，突發(fā)狀況或緊急事件發(fā)生時無法及時反饋給相關(guān)工作人員，安全性低。隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，WiFi無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以其覆蓋范圍廣、傳輸速率高、布網(wǎng)成本低等優(yōu)勢，受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。

本文提出一種基于WiFi的煤礦井下語音通信系統(tǒng)，一方面實(shí)現(xiàn)煤礦井下工作人員之間的快速通訊，另一方面通過移動終端對沿線各擴(kuò)音電話實(shí)現(xiàn)語音廣播，有利于緊急情況時人員的安全撤離，保障人員安全，降低事故率，減少事故處理時間，提高煤礦運(yùn)輸?shù)纳a(chǎn)效率和安全性。

2 煤礦井下語音通信系統(tǒng)的總體方案

煤礦井下語音通信系統(tǒng)主要由移動終端、傳輸控制中心和智能擴(kuò)音電話三部分部分構(gòu)成，其整體框圖如圖1所示。

傳輸控制中心支持WiFi通信協(xié)議，充分利用帶寬的優(yōu)勢，對整個煤礦井下巷道進(jìn)行信號覆蓋，完成與移動終端的數(shù)據(jù)交換，以實(shí)現(xiàn)移動終端間的通信以及移動終端與沿線擴(kuò)音電話的語音通信功能。網(wǎng)絡(luò)傳輸接口同時支持PRI、SIP信令中繼協(xié)議和TCP/IP協(xié)議，通過標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議接口與通信分站進(jìn)行對接。通信分站同時支持TCP/IP協(xié)議和CAN總線協(xié)議，通過TCP/IP協(xié)議接收傳輸接口的語音數(shù)據(jù)，再通過CAN總線連接擴(kuò)音電話。

移動終端通過VoIP技術(shù)實(shí)現(xiàn)語音通信，連通系統(tǒng)中其他終端設(shè)備和擴(kuò)音電話。呼叫其他終端時通過SIP協(xié)議建立一對一語音通信，連接擴(kuò)音電話時根據(jù)IP地址進(jìn)行廣播式通信。且該移動終端是在礦井中使用，故滿足本安認(rèn)證。

智能擴(kuò)音電話采用CAN總線通訊，通過麥克風(fēng)輸入語音數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理，并通過CAN收發(fā)器傳輸?shù)娇偩€再由功放輸出語音信號，具有語音通訊、系統(tǒng)預(yù)警報警、智能輸入、輸出等功能，可實(shí)現(xiàn)各電話之間相互對講、語音播報，實(shí)現(xiàn)智能化語音通訊。

3 煤礦井下語音通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本節(jié)具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)煤礦井下語音通信系統(tǒng)中的傳輸控制中心、移動終端和智能擴(kuò)音電話三部分。

3.1 傳輸控制中心的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

傳輸控制的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，包括以太網(wǎng)交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)傳輸接口、通信分站和調(diào)度臺四個部分，本文著重設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)前三部分。

以太網(wǎng)交換機(jī)采用本安WiFi KT162-F實(shí)現(xiàn)。WiFi技術(shù)相對其他無線通信技術(shù)來講具有無線電波覆蓋范圍廣、傳輸速率高、協(xié)議開放等突出優(yōu)勢，在煤礦井下，WiFi作為無線通信網(wǎng)絡(luò)也已有應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[1]。本系統(tǒng)中WiFi無線技術(shù)在煤礦掘進(jìn)面?zhèn)鬏斨型ㄟ^采用V-MIMO技術(shù)提高系統(tǒng)性能；在發(fā)射功率方面，基于STBC的MIMO功率分配使用OFDM技術(shù)對抗多徑衰落，以適應(yīng)于平坦衰落信道情況[2]；信道估計(jì)方面，利用JayaweeraS.K.研究結(jié)果，以碼元建模與發(fā)射天線成正比來估計(jì)收發(fā)天線對之間的信道參數(shù)的機(jī)制；編碼方面，利用Alamouti提出的抑制干擾效果較好的空時編碼方案[3]，包括空時分組碼（STBC）和空時網(wǎng)格碼（STTC），同時采用嚴(yán)格的時間同步機(jī)制（RBS、TPSN），較好地解決延時問題。

網(wǎng)絡(luò)傳輸接口使用KJJ85接口，同時支持PRI、SIP信令中繼協(xié)議和TCP/IP協(xié)議，傳輸接口通過標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議接口與通信分站進(jìn)行對接。KJJ85網(wǎng)絡(luò)傳輸接口設(shè)備主要涉及IP語音控制板、語音交換機(jī)軟件、WiFi語音通信等部分。語音控制板提供有線、無線、分組一體化的接入手段。系統(tǒng)可提供本地用戶接入，也可以通過局域網(wǎng)連接IP終端設(shè)備，或通過環(huán)路中繼接口連接原有的傳統(tǒng)PBX設(shè)備。語音控制板支持WiFi制式的接入，內(nèi)置PBX、DISPATCH、CDR、SMC，支持漫游、切換等功能。通過語音控制板提供的調(diào)度功能，能夠輕松的實(shí)現(xiàn)強(qiáng)插、強(qiáng)掛、群呼、群答、會議、監(jiān)聽、錄音等一系列的調(diào)度應(yīng)用。

通信分站采用KTK113（B）實(shí)現(xiàn)擴(kuò)音電話和網(wǎng)絡(luò)傳輸接口的語音通信[4]。由于擴(kuò)音電話是CAN總線通信協(xié)議，擴(kuò)音電話與網(wǎng)絡(luò)傳輸接口通信CAN總線協(xié)議需要轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議。KTK113（B）通信分站通過對CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)音電話與以太網(wǎng)協(xié)議的互通。KTK113（B）通信分站作為音頻播放分站，具有擴(kuò)音電話的功能，融合了CAN廣播的功能和IP電話的功能。通信分站發(fā)起語音通信時，將拾取的模擬語音進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再通過語音處理模塊對數(shù)據(jù)壓縮后傳送到CAN總線；通信分站收聽時，將CAN總線的語音數(shù)據(jù)經(jīng)過解壓縮，再進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換后輸出語音信號。同時，通信分站遵從SIP協(xié)議，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全雙工語音對講。

3.2 移動終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于WiFi的移動終端通過VoIP技術(shù)實(shí)現(xiàn)IP語音通信。VoIP是應(yīng)用最廣的一種IP網(wǎng)上語音通信傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方式，其通過語音壓縮算法對語音數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼處理，把這些語音數(shù)據(jù)按IP等相關(guān)協(xié)議進(jìn)行打包，經(jīng)過IP網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)包傳輸?shù)浇邮盏?，再把這些語音數(shù)據(jù)包串起來，經(jīng)過解碼解壓處理后，恢復(fù)成原來的語音信號，從而達(dá)到由IP網(wǎng)絡(luò)傳送語音的目的。IP語音通信的服務(wù)質(zhì)量保障和信令問題關(guān)鍵是碼流的信令控制和服務(wù)質(zhì)量，本終端采用的VoIP信令協(xié)議為SIP協(xié)議，用客戶/服務(wù)器分布式呼叫控制和能力協(xié)商。SIP會話建立過程。endprint

語音編碼部分采用ML7204編碼芯片，該芯片是一款專門用于VoIP的Codec芯片，支持G729和G711語音編碼，內(nèi)部包含回聲消除、音量可調(diào)等多種功能。G729碼率8kbps，算法提供了幀丟失和分組丟失的隱藏處理機(jī)制，而G711碼率64kbps且沒有幀丟失和分組丟失的處理機(jī)制，考慮到無線網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性及丟包可恢復(fù)性，本系統(tǒng)中采用G729語音編碼。 ML7204具有Operation和Deep sleep兩種工作模式，當(dāng)該芯片處于Operation工作模式時功耗為65mA，而處于Deep sleep模式時功耗僅為200uA，因此在功耗上滿足需求。語音編碼芯片ML7204工作流程如圖3所示。

降噪芯片采用BR261實(shí)現(xiàn)，芯片內(nèi)部主要由前置放大器、數(shù)字低通濾波器、AGC、DSP處理器、輸出放大器這5部分組成，具有降噪功耗低、上電時序簡單、噪音抑制算法靈活等優(yōu)點(diǎn)。BR261中前置放大器的放大倍數(shù)和輸出放大器的放大倍數(shù)是可配的，最高都可以達(dá)到30dB，因此在實(shí)際應(yīng)用中都會對其進(jìn)行配置。配置流程圖如圖4所示。

移動終端的工作原理如下：

接收語音數(shù)據(jù)時，人講話的聲音被 MIC捕捉后會轉(zhuǎn)化為電信號，該信號首先會經(jīng)過降噪芯片進(jìn)行周圍環(huán)境噪聲的濾除，隨后會送到語音CODEC芯片語音編碼芯片進(jìn)行G729語音編碼，經(jīng)過編碼后的數(shù)據(jù)最終會通過主控芯片發(fā)射出去。

發(fā)射語音數(shù)據(jù)時，首先主控芯片實(shí)現(xiàn)語音信號的接收，接收到的信號隨后送到語音編碼芯片進(jìn)行語音解碼以及DAC，解析出來的語音信號最終通過喇叭和耳機(jī)播放出來。耳機(jī)功放TPA6111A2和喇叭功放LM4675為音頻功放，用于驅(qū)動耳機(jī)和喇叭。

3.3 智能擴(kuò)音電話的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

智能擴(kuò)音電話產(chǎn)品采用CAN總線通訊，具有語音通訊、系統(tǒng)預(yù)警報警、急停閉鎖和智能輸入、輸出等。主要有微控制器部分，語音處理部分，A/D-D/A 轉(zhuǎn)換器部分以及一些外圍電路。智能擴(kuò)音電話的實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示。

語音數(shù)據(jù)通過麥克風(fēng)輸入后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再通過語音處理模塊將數(shù)據(jù)壓縮打包傳送給微處理器，微處理器通過CAN收發(fā)器將數(shù)據(jù)傳到總線上；總線上的信息通過收發(fā)器傳送給微處理器，通過微處理器傳至語音處理模塊，由其解壓縮，再進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，最后由功放喇叭輸出語音信號。

4 聯(lián)調(diào)與測試

本文研制工作與調(diào)度臺進(jìn)行了成功聯(lián)調(diào)，滿足了預(yù)期的功能和性能要求，并進(jìn)行了實(shí)際礦井下多種方式的語音通信。安排兩名人員在煤礦井下日常工作的區(qū)域，各持一個移動終端設(shè)備，一人向另一人發(fā)起語音通信，測試振鈴狀態(tài)和通話音質(zhì)，測試雙方人員可以清晰聽到對方說話。煤礦井下安排1名人員撥打KTK113（B）本安通信分站并連續(xù)說話，另一名人員持?jǐn)U音電話沿煤礦井下操作線行進(jìn)，現(xiàn)場測試結(jié)果為沿途的擴(kuò)音電話聲音清晰。

5 結(jié)語

本文將WiFi技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下語音通信系統(tǒng)，利用語音通信標(biāo)準(zhǔn)VoIP技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的語音通信，使用的通信協(xié)議SIP協(xié)議具有很強(qiáng)的擴(kuò)展能力。研制系統(tǒng)通過傳輸控制中心的傳播處理實(shí)現(xiàn)移動終端之間語音通信以及移動終端與智能擴(kuò)音電話的語音廣播，提高煤礦井下工作的安全性，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

參考文獻(xiàn)

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