黃興榮　顧萬龍

摘要：根據(jù)煤礦救災(zāi)應(yīng)急的實(shí)際需要，提出了一種新型井下語(yǔ)音應(yīng)急廣播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、結(jié)構(gòu)、主要功能和軟硬件設(shè)計(jì)，重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)發(fā)送端與接收端兩個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，音頻播放流暢，能夠滿足礦井現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要。

關(guān)鍵詞：煤礦；礦井安全；數(shù)字廣播系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)廣播；工業(yè)以太網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）04-0850-03

隨著能源需求的不斷增大，國(guó)家增加了煤炭的開采量；與此同時(shí)，煤礦事故突發(fā)概率也隨之增加。煤礦井下多發(fā)水、火、瓦斯、沖擊地壓等突發(fā)事故，危害性大，易造成人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失。其中， 一些煤礦的井下通信設(shè)備的不完善是影響事故營(yíng)救的主要因素。通常，當(dāng)井下發(fā)生重大事故時(shí)，需要相關(guān)人員進(jìn)行緊急撤離，顯然這時(shí)候需要在第一時(shí)間通報(bào)到井下全部人員；而現(xiàn)有的調(diào)度電話往往很難做到這一點(diǎn)，因而會(huì)造成部分需要撤離人員收不到應(yīng)急通知，延誤救災(zāi)脫險(xiǎn)的時(shí)機(jī)，或是因?yàn)榈貌坏秸_的撤離、避險(xiǎn)的指揮引導(dǎo)而發(fā)生意外。為確保礦井突發(fā)災(zāi)害情況下，井下人員在第一時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)撤離，從而最大限度降低人員和財(cái)稅損失，研發(fā)一套適用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，實(shí)用、便捷的煤礦井下語(yǔ)音應(yīng)急廣播系統(tǒng)成為了十分緊迫的任務(wù)。在本系統(tǒng)中，通過廣播發(fā)送端和接受端，利用井下工業(yè)以太網(wǎng)作為傳播介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了井下語(yǔ)音廣播終端實(shí)現(xiàn)了雙工音頻服務(wù)；系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)IP 包的形式傳送音頻數(shù)據(jù)，可以較好地利用以太網(wǎng)解決語(yǔ)音信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸難題，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了廣播和雙向通話功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與目標(biāo)

由于煤礦井下環(huán)境潮濕，噪音較大；同時(shí)，區(qū)域分布廣，環(huán)境安全要求特殊，傳統(tǒng)的廣播技術(shù)難以滿足礦井要求。因此，煤礦井下語(yǔ)音應(yīng)急擴(kuò)播系統(tǒng)基于數(shù)字IP網(wǎng)絡(luò)廣播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行構(gòu)建與設(shè)計(jì)[1-2]。數(shù)字IP網(wǎng)絡(luò)廣播系統(tǒng)，是基于 TCP/IP 協(xié)議的公共廣播系統(tǒng)，采用 IP 局域網(wǎng)或 Internet 廣域網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)好，可實(shí)現(xiàn)Internet傳輸；音質(zhì)好，系統(tǒng)支持音頻碼率8Kbps-320Kbps自適應(yīng)，支持全部MP3格式文件的播放；穩(wěn)定性好，系統(tǒng)支持TCP、IP、UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，支持組播接收音頻數(shù)據(jù)。

在數(shù)字IP網(wǎng)絡(luò)廣播系統(tǒng)中，是將經(jīng)數(shù)字化的音頻信號(hào)，在數(shù)字狀態(tài)下進(jìn)行壓縮、編碼、打包等處理。在本系統(tǒng)中，將模擬音頻信號(hào)經(jīng)過采集、量化、編碼、壓縮后形成的MP3格式的數(shù)字音頻文件，以數(shù)據(jù)包形式按照自定義的MP3_Phone傳輸協(xié)議將音頻文件通過工業(yè)以太網(wǎng)傳送到井下語(yǔ)音廣播終端，然后在廣播終端進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換成還原成音頻信號(hào)，經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)喇叭工作。

本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)為：

1） 分區(qū)廣播：可以同時(shí)對(duì)單點(diǎn)、多點(diǎn)或全部區(qū)域進(jìn)行廣播。

2） 全體廣播：可以對(duì)所有終端進(jìn)行廣播。

3） 定時(shí)廣播：可以按作息時(shí)間定制廣播節(jié)目，定時(shí)播放。

4） 應(yīng)急廣播：拿起麥克風(fēng)即可廣播。

5） 宣傳廣播：可以播放背景音樂、領(lǐng)導(dǎo)講話、語(yǔ)音宣傳等。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)基于TCP/IP、UDP協(xié)議，通過礦井的工業(yè)以太網(wǎng)在井上和井下之間傳遞數(shù)字音頻數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)廣播功能。系統(tǒng)主要由IP網(wǎng)絡(luò)廣播控制工控機(jī)、井下廣播終端、井下廣播音箱、光纜、電纜等組成。煤礦井下語(yǔ)音應(yīng)急廣播系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。同時(shí)，系統(tǒng)嚴(yán)格按照國(guó)家煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的安全技術(shù)設(shè)計(jì)，完全符合井下使用的設(shè)備防爆本安安全要求。

該系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，煤礦井下語(yǔ)音應(yīng)急廣播系統(tǒng)的主要組成部分如下：

1）IP網(wǎng)絡(luò)廣播控制工控機(jī)，是本系統(tǒng)的核心，包含工控主機(jī)、基于ARM架構(gòu)的語(yǔ)音采集終端、廣播話筒、警告接口等。在工控機(jī)上上，安裝自主開發(fā)的服務(wù)器軟件，可以對(duì)各個(gè)廣播終端實(shí)現(xiàn)應(yīng)急廣播、實(shí)時(shí)廣播、宣傳廣播、定時(shí)廣播、分區(qū)廣播、雙向?qū)χv等功能實(shí)施管理與控制。通過語(yǔ)音采集終端對(duì)音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對(duì)將傳輸?shù)骄赂鲝V播終端的音頻流數(shù)據(jù)，按照自定義的MP3_Phone傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)字音頻數(shù)據(jù)的打包處理。

2）井下廣播終端，主要包括礦用本安型廣播通信主機(jī)和礦用本安型廣播分站兩部分，此兩部分設(shè)備同樣基于ARM架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。礦用本安型廣播通信主機(jī)可安裝至井下工作面、大巷、迎頭等高危地區(qū)，對(duì)廣播控制工控機(jī)發(fā)送來的音頻信號(hào)進(jìn)行解析處理、解碼并播放，并可對(duì)井下的異常情況進(jìn)行報(bào)警，還可通過廣播終端實(shí)現(xiàn)雙向?qū)χv功能，將該區(qū)域異常情況向控制室實(shí)現(xiàn)即時(shí)匯報(bào)。礦用本安型廣播分站可安裝至井下工作面、大巷等高危區(qū)域沿線，對(duì)廣播通信主機(jī)解析處理后的音頻信號(hào)進(jìn)行廣播，還可通過廣播分站進(jìn)行緊急呼叫，可實(shí)現(xiàn)和控制室的雙向?qū)χv功能，將該區(qū)域情況即時(shí)匯報(bào)。

3 關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

煤礦井下語(yǔ)音應(yīng)急廣播系統(tǒng)由3個(gè)子系統(tǒng)所組成，分別是廣播發(fā)送端子系統(tǒng)、以太網(wǎng)傳輸子系統(tǒng)和廣播接收端子系統(tǒng)[3]。其中，以太網(wǎng)傳輸子系統(tǒng)主要是指支持TCP/IP、UDP協(xié)議的礦井以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。在此，傳輸子系統(tǒng)不作為系統(tǒng)研究的重點(diǎn)，重點(diǎn)討論的是廣播發(fā)送端子系統(tǒng)和廣播接收端子系統(tǒng)兩方面。廣播發(fā)送端子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)語(yǔ)音數(shù)據(jù)的采集、壓縮及實(shí)時(shí)發(fā)送，而廣播接收端子系統(tǒng)則主要負(fù)責(zé)語(yǔ)音數(shù)據(jù)的接收、解壓縮以及廣播。

3.1 廣播發(fā)送端子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廣播發(fā)送端子系統(tǒng)主要由IP網(wǎng)絡(luò)廣播控制工控機(jī)和ARM語(yǔ)音采集終端構(gòu)成，發(fā)送終端與接受終端的硬件與軟件結(jié)構(gòu)基本相似。其主要任務(wù)包括語(yǔ)音數(shù)據(jù)的采集與壓縮，以及以利用UDP協(xié)議組播方式發(fā)送經(jīng)壓縮的語(yǔ)音數(shù)據(jù)。要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)語(yǔ)音組播的功能，就必須使上述的3個(gè)任務(wù)并發(fā)執(zhí)行。為了實(shí)現(xiàn)此目的，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的過程中，需采用邊采集、邊壓縮、邊發(fā)送的并發(fā)執(zhí)行方式。具體而言，一邊通過ARM語(yǔ)音采集終端對(duì)下一個(gè)時(shí)間片的語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，形成N + 1塊數(shù)據(jù)塊；同時(shí)，廣播控制工控機(jī)開始對(duì)上一個(gè)時(shí)間片的語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，并把壓縮后的數(shù)據(jù)，所形成N塊數(shù)據(jù)塊，以組播方式發(fā)送至礦井工業(yè)以太網(wǎng)上。在此，將每一個(gè)時(shí)間片采樣的數(shù)據(jù)劃分為一個(gè)數(shù)據(jù)塊，則可以用圖2來描述發(fā)送端子系統(tǒng)的工作流程。

3.2 接收端子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

接受端的硬件CPU采用LuminaryMicro公司Cortex-M3內(nèi)核的LM3S8962，內(nèi)部集成10/100M以太網(wǎng)接口和SD/MMC讀卡接口，語(yǔ)音的編碼與解碼芯片采用AMBE1000+CSP1027，MP3文件的解碼采用VS1003芯片，接受端的軟件架構(gòu)采用國(guó)內(nèi)RT-Thread開源的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。與發(fā)送端子系統(tǒng)的工作任務(wù)相對(duì)應(yīng)，接收端子系統(tǒng)并發(fā)處理過程中的工作任務(wù)同樣包括3個(gè)任務(wù)，一是從以礦井太網(wǎng)絡(luò)上接收數(shù)據(jù)，二是對(duì)接收得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮操作，最后是把已解壓縮后的語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行廣播。其工作流程如下所述，每接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包之后就拆包和解碼，然后播放聲音，從而形成一個(gè)完整的首尾相銜接流水式過程，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并發(fā)處理，可解決系統(tǒng)傳輸?shù)拈g隙時(shí)間，避免播放過程中的卡音、停頓、卡死等現(xiàn)象的出現(xiàn)。接收端子系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。

3.3 MP3_Phone傳輸協(xié)議

在本系統(tǒng)中，通過Socket的數(shù)據(jù)傳輸方式，實(shí)現(xiàn)發(fā)送端和接收端之間的物理連接，基于UDP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。Socket處于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的傳輸層。Socket 傳輸具有以下的優(yōu)點(diǎn)： 傳輸數(shù)據(jù)為字節(jié)級(jí)，傳輸數(shù)據(jù)可自定義；傳輸數(shù)據(jù)時(shí)間短，性能高；適合于客戶端和服務(wù)器端之間的信息實(shí)時(shí)交互；可以加密，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

為了合理、有序協(xié)調(diào)發(fā)送端和接收端的Socket傳輸，在系統(tǒng)中，自定義了MP3_Phone傳輸協(xié)議，用于傳送音頻數(shù)據(jù)塊。該傳輸協(xié)議的格式如表1所示，其中，數(shù)據(jù)塊第1至4個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)塊的幀頭校驗(yàn)位；音頻數(shù)據(jù)塊為傳輸?shù)囊纛l數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)塊第8005和8806個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)塊的幀尾校驗(yàn)位。

4 結(jié)束語(yǔ)

煤礦井下語(yǔ)音應(yīng)急廣播系統(tǒng)利用井下工業(yè)以太網(wǎng)作為傳播介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)送端與井下廣播終端長(zhǎng)距離的雙工音頻服務(wù)和雙向通話功能。系統(tǒng)在突發(fā)事故發(fā)生時(shí)，起到指引遇險(xiǎn)的井下人員及時(shí)撤離避險(xiǎn)的作用；同時(shí)，通過宣傳廣播、播放音樂的方式，在日常生產(chǎn)管理、舒緩井下人員情緒方面發(fā)揮了重要作用。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸距離長(zhǎng)、音頻播放流暢、安全穩(wěn)定性強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王春明. 基于雙網(wǎng)的煤礦井下應(yīng)急廣播系統(tǒng)的研究[J].科技視界，2013（5）：54，149.

[2] 數(shù)字IP網(wǎng)絡(luò)廣播系統(tǒng)[EB/OL].http：//baike.baidu.com/link？url=wvFjIOe0XLB5B6t_gOf7k5dwjza1116JBB56F76uRvTNNQ1FXTVIlLFtejq90GSKeRfjthsUXgOarSTRkqhhKK.

[3] 劉博，喻曉峰.基于局域網(wǎng)的實(shí)時(shí)語(yǔ)音組播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2003，24 （10）：94-97.