王飛

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶 400039)

0 引言

隨著智能礦山建設(shè)推進(jìn)，大量智能裝備在煤礦井下推廣應(yīng)用[1-2]。智能礦燈作為工作人員常用設(shè)備，具有照明、語音通話、人員定位和視頻拍照等多種功能[3-4],為礦工的安全提供了重要保證。許多研究者對(duì)礦燈進(jìn)行了研究。張帝等[5]基于LoRa無線通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)RT-Thread設(shè)計(jì)了一種集井下照明、環(huán)境狀態(tài)感知、人員狀態(tài)監(jiān)測(cè)與定位、無線通信與安全報(bào)警的多功能礦燈，但是通信帶寬低、無語音采集和播放功能。劉朝陽等[6]設(shè)計(jì)了一種礦用通信礦燈，將TD-LTE技術(shù)與礦燈相融合，具有語音通話功能，但是存在功耗高、硬件復(fù)雜等缺點(diǎn)。戴劍波[7]設(shè)計(jì)了一種低功耗多模定位礦燈，僅集成了定位功能。吳靜然等[8]設(shè)計(jì)了一種基于WiFi技術(shù)的煤礦井下智能終端設(shè)備，該設(shè)備集環(huán)境信息采集、人員定位和信息交互功能于一體，但沒有語音采集和播放、雙向?qū)χv功能。綜上可知，現(xiàn)有礦燈大多只具有照明、定位、環(huán)境感知等功能，沒有語音對(duì)講功能。鑒此，本文設(shè)計(jì)了一種基于WiFi的語音礦燈，該語音礦燈具有照明與語音對(duì)講功能，調(diào)度臺(tái)工作人員可隨時(shí)與井下佩帶該礦燈的工作人員進(jìn)行語音對(duì)講，為智能礦山建設(shè)提供了一個(gè)低成本、低功耗語音通信終端設(shè)備。

1 語音礦燈設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

基于WiFi的語音礦燈以工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和WiFi網(wǎng)絡(luò)為傳輸平臺(tái)[9]，采用VoIP語音通信技術(shù)[10-11]實(shí)現(xiàn)語音播放、音頻采集、與調(diào)度臺(tái)對(duì)講功能。語音礦燈中的音頻編解碼芯片可實(shí)現(xiàn)語音模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和WiFi網(wǎng)絡(luò)，采用UDP(User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議)將信號(hào)傳輸至調(diào)度臺(tái)[12]，完成語音數(shù)據(jù)的雙向傳輸。基于WiFi的語音礦燈工作原理如圖1所示，主要包括調(diào)度臺(tái)、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、WiFi基站和語音礦燈4個(gè)部分。語音礦燈接收到下行語音數(shù)據(jù)后，自動(dòng)播放語音數(shù)據(jù)，當(dāng)音頻采集結(jié)束后，自動(dòng)將語音數(shù)據(jù)發(fā)送給調(diào)度臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)與地面調(diào)度臺(tái)雙向語音對(duì)講功能。

圖1 語音礦燈工作原理Fig.1 Working principle of voice miner's lamp

1.2 硬件設(shè)計(jì)

語音礦燈硬件包括WiFi模塊、語音模塊、LED、按鍵、麥克風(fēng)及揚(yáng)聲器等，如圖2所示。

圖2 語音礦燈硬件組成Fig.2 Composition of voice miner's lamp hardware

語音礦燈包含燈頭和燈座2個(gè)部分，兩者通過4芯線相連接，紅藍(lán)2根線用于供電,白綠2根線用于RS232通信。語音模塊主要由微控制器STM32L151、FLASH存儲(chǔ)器、音頻編解碼芯片和語音功放芯片組成。WiFi模塊及天線固定在燈座，微控制器STM32L151、FLASH存儲(chǔ)器、音頻編解碼芯片、語音功放芯片、LED、按鍵、麥克風(fēng)及揚(yáng)聲器等固定在燈頭。WiFi模塊與微控制器STM32L151之間的通信接口為RS232，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向交互。

1.2.1 WiFi模塊

語音礦燈工作時(shí)，WiFi模塊連接至WiFi基站，與調(diào)度臺(tái)實(shí)現(xiàn)注冊(cè)和心跳檢測(cè)[13]，為調(diào)度臺(tái)與語音模塊之間提供透明傳輸通道。WiFi模塊工作流程如圖3所示。

圖3 WiFi模塊工作流程Fig.3 WiFi module workflow

1.2.2 語音模塊

語音模塊采用STM32L151芯片，主要用于語音播放、音頻采集和語音數(shù)據(jù)緩存與管理等。語音數(shù)據(jù)傳輸存在2種數(shù)據(jù)流：① 下行語音數(shù)據(jù)：調(diào)度臺(tái)下發(fā)至語音礦燈的數(shù)據(jù)。調(diào)度臺(tái)下發(fā)語音數(shù)據(jù)時(shí)，微控制器STM32L151先緩存語音數(shù)據(jù)至FLASH存儲(chǔ)器，當(dāng)接收完畢后，自動(dòng)播放該語音數(shù)據(jù)。② 上行語音數(shù)據(jù)：語音礦燈上傳至調(diào)度臺(tái)的數(shù)據(jù)。語音礦燈上傳語音數(shù)據(jù)時(shí)，微控制器STM32L151采集語音數(shù)據(jù)后，緩存至FLASH存儲(chǔ)器，同時(shí)向調(diào)度臺(tái)傳輸語音數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)接收完畢后，調(diào)度臺(tái)自動(dòng)播放該語音數(shù)據(jù)，如果該語音數(shù)據(jù)為組播，則轉(zhuǎn)發(fā)至組內(nèi)所有語音礦燈，實(shí)現(xiàn)組內(nèi)對(duì)講。語音模塊工作流程如圖4所示。

2 語音對(duì)講實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 語音數(shù)據(jù)緩存與管理

語音數(shù)據(jù)采用UDP傳輸方式，傳輸時(shí)延受網(wǎng)絡(luò)環(huán)境影響較大，語音礦燈接收到語音數(shù)據(jù)后，首先對(duì)語音數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，然后根據(jù)序列號(hào)和編碼號(hào)進(jìn)行排序管理，從而保證語音播放的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。語音礦燈采集音頻數(shù)據(jù)時(shí)，首先緩存在FLASH存儲(chǔ)器中，然后發(fā)送至WiFi基站及調(diào)度臺(tái)。調(diào)度臺(tái)傳輸語音數(shù)據(jù)至語音礦燈時(shí)，語音礦燈首先將語音數(shù)據(jù)緩存在FLASH存儲(chǔ)器中，接收完畢后才自動(dòng)播放。

圖4 語音模塊工作流程Fig.4 Voice module workflow

語音礦燈每隔20 ms采樣1次音頻數(shù)據(jù)，編碼壓縮后語音數(shù)據(jù)有效格式的長度為24 byte,從而降低了語音數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求。為有效管理和可靠傳輸語音數(shù)據(jù)，需對(duì)語音數(shù)據(jù)添加一些管理信息，每段語音數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)1個(gè)序列號(hào)(1—254)，1—254個(gè)序列號(hào)循環(huán)使用，從而避免重復(fù)下載和上傳語音數(shù)據(jù)。其中每個(gè)語音數(shù)據(jù)幀對(duì)應(yīng)1個(gè)編碼號(hào)(0—65 535)，用于語音數(shù)據(jù)幀排序和重組，格式說明見表1。

表1 語音數(shù)據(jù)幀的格式說明Table 1 Format description of voice data frames

2.2 語音數(shù)據(jù)可靠傳輸機(jī)制

為了保證語音數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕Z音礦燈中的語音模塊與調(diào)度臺(tái)之間的語音數(shù)據(jù)傳輸采用應(yīng)答模式[14]，語音數(shù)據(jù)可靠傳輸機(jī)制如圖5所示。調(diào)度臺(tái)傳輸下行語音數(shù)據(jù)時(shí)，首先向語音礦燈發(fā)送請(qǐng)求幀，然后等待接收響應(yīng)幀。只有成功接收到響應(yīng)幀，調(diào)度臺(tái)才發(fā)送語音數(shù)據(jù)幀。語音模塊接收到語音數(shù)據(jù)幀，校驗(yàn)正確且緩存成功，則回復(fù)數(shù)據(jù)響應(yīng)幀。調(diào)度臺(tái)接收到數(shù)據(jù)響應(yīng)幀，只有認(rèn)為發(fā)送成功，才會(huì)發(fā)送下一個(gè)語音數(shù)據(jù)幀。通過這種應(yīng)答模式，調(diào)度臺(tái)將語音數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤地傳輸至語音礦燈。對(duì)于上行語音數(shù)據(jù)，語音模塊主動(dòng)發(fā)送請(qǐng)求幀，只有成功接收到響應(yīng)幀，才向調(diào)度臺(tái)發(fā)送語音數(shù)據(jù)幀。每一個(gè)語音數(shù)據(jù)幀均有對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)響應(yīng)幀，從而保證語音礦燈與調(diào)度臺(tái)之間可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

圖5 語音礦燈與調(diào)度臺(tái)之間的語音數(shù)據(jù)可靠傳輸機(jī)制Fig.5 Reliable transmission mechanism of voice data between voice miner's lamp and dispatching center

2.3 低功耗休眠機(jī)制

WiFi模塊開機(jī)后工作電流為70 mA左右，但是WiFi模塊僅僅在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)需要工作，其他時(shí)間可以進(jìn)行休眠，休眠時(shí)電流僅為5 mA左右，從而降低了語音礦燈的平均功耗。語音礦燈低功耗休眠包含WiFi模塊和語音模塊休眠2個(gè)部分，在沒有語音數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，兩者均進(jìn)入休眠模式。語音礦燈低功耗休眠機(jī)制如圖6所示，當(dāng)WiFi模塊掃描WiFi基站時(shí)，檢測(cè)到信標(biāo)幀(Beacon)中有數(shù)據(jù)請(qǐng)求，則立刻喚醒語音模塊，開始接收數(shù)據(jù)，同時(shí)將語音數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至微控制器STM32L151。當(dāng)微控制器STM32L151檢測(cè)到對(duì)講按鍵按下時(shí)，則進(jìn)行音頻采集，將語音數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至WiFi模塊。WiFi模塊和微控制器STM32L151進(jìn)入休眠模式后，通過RS232接口(外部IO喚醒方式)喚醒對(duì)方，通知對(duì)方開始處理語音數(shù)據(jù)。

(a) WiFi 模塊低功耗休眠機(jī)制 (b) STM32L151低功耗休眠機(jī)制

圖6 語音礦燈低功耗休眠機(jī)制
Fig.6 Low-power sleep mechanism of voice miner's lamp

3 試驗(yàn)測(cè)試與分析

為了測(cè)試語音礦燈雙向?qū)χv功能、WiFi基站通信距離和整機(jī)工作電流等，在瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室清水溪試驗(yàn)巷道內(nèi)搭建了測(cè)試平臺(tái)，如圖7所示。測(cè)試平臺(tái)布置了2臺(tái)WiFi基站、20個(gè)語音礦燈和1臺(tái)計(jì)算機(jī)，2臺(tái)WiFi基站之間的距離約為400 m，均采用增益為16 dB的定向天線，天線安置高度約為2 m、距巷道壁約0.8 m。20個(gè)語音礦燈均勻布置在巷道中間，高度約為1 m。

圖7 測(cè)試平臺(tái)Fig.7 Test platform

斷電WiFi基站B，將20個(gè)語音礦燈分為4組，分別放置在距WiFi基站A的100、200、300、400 m處。按住語音礦燈對(duì)講按鍵，錄音60 s,并發(fā)送語音數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)，然后松開對(duì)講按鍵，計(jì)算機(jī)在1 s內(nèi)自動(dòng)播放該語音。在計(jì)算機(jī)上錄音60 s，并發(fā)送語音數(shù)據(jù)至語音礦燈，1 s后語音礦燈自動(dòng)播放該語音。上電WiFi基站B，將20個(gè)語音礦燈分為2組，分別放置在距WiFi基站A的400 m處和WiFi基站B的300 m處。按住語音礦燈組播按鍵，錄音60 s，同時(shí)發(fā)送語音數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)，然后松開對(duì)講按鍵，計(jì)算機(jī)在1 s內(nèi)自動(dòng)播放該語音，其他語音礦燈均在3 s內(nèi)播放該語音。

根據(jù)上述試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，語音礦燈與WiFi基站通信距離可達(dá)400 m，語音對(duì)講音質(zhì)清晰；語音礦燈與計(jì)算機(jī)之間對(duì)講傳輸時(shí)延小于1 s，語音礦燈之間的組播傳輸時(shí)延小于3 s，能夠滿足調(diào)度臺(tái)工作人員隨時(shí)與井下工作人員進(jìn)行語音對(duì)講需求。

此外，采用Fluke 289萬用表測(cè)試語音礦燈的平均電流，語音對(duì)講時(shí)的平均電流為68.6 mA，WiFi模塊和微控制器STM32L151進(jìn)入休眠模式后的平均電流為4.2 mA，滿足低成本、低功耗的要求。

4 結(jié)論

(1) 采用一種低成本、低功耗技術(shù)設(shè)計(jì)了基于WiFi的語音礦燈，該礦燈采用WiFi技術(shù)和VoIP語音通信技術(shù)，利用音頻編解碼芯片實(shí)現(xiàn)語音模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，具有語音播放、音頻采集、雙向?qū)χv等功能，為調(diào)度臺(tái)與井下工作人員之間提供了雙向語音對(duì)講功能。

(2) 試驗(yàn)結(jié)果表明：語音礦燈與WiFi基站通信距離可達(dá)400 m，與調(diào)度臺(tái)之間的對(duì)講傳輸時(shí)延小于1 s，語音礦燈之間的組播傳輸時(shí)延小于3 s；對(duì)講時(shí)平均電流小于70 mA，空閑時(shí)平均電流小于5 mA。為智能礦山建設(shè)提供了一種低成本、低功耗、操作簡單、適用性強(qiáng)的語音通信終端設(shè)備。