摘要
针对现有煤矿语音通讯体系的缺乏，规划了一种既可以够满意正常语音通讯要求，又可以在紧迫状况下确保应急语音通讯的煤矿语音通讯体系。该体系选用集成无线收发器和8051微处理器的CC2530作为主控芯片，选用AMBE2000语音编解码芯片，正常状况下选用CAN总线通讯方法，应急状况下选用无线通讯方法。详细介绍了体系的硬件规划和软件规划，并经过定性和定量两种办法进行了试验，经过试验证明该体系的声响强度、语音音质、失真度等目标均能满意现场的需求。
导言
煤矿安全一直是煤矿出产中的重中之重，确保井下语音通讯特别是应急状况下的语音通讯是确保煤矿安全出产的条件。现有的井下语音体系一般包含有线和无线两种办法。其间，有线办法首要包含调度电话和井下扩音电话体系两种;无线办法首要为井下小灵通体系(基站之间也是根据有线的)。这些传统的语音通讯体系在正常状况下可以满意煤矿语音通讯的需求，但假如发生紧迫状况，有线衔接被堵截，现有的语音通讯体系将面对瘫痪的或许。而新式无线传感器体系在语音通讯中又面对着功耗操控等难题。因而树立一种具有自愈性、自组织，能在紧迫状况下康复和确保井下应急语音通讯的体系成为燃眉之急。
针对以上问题，本文结合CAN总线和无线传感器网络的长处，提出了两级网络的井下语音通讯体系，选用CAN总线和无线传感器网络一起组网。在正常状况下选用CAN总线通讯办法，一旦发生紧迫状况，无线传感器网络主动发动，一起运用无线传感器网络的自愈功用，选用人工布点的办法可以快速康复遭到损坏的语音通讯体系，赶快与被困矿工取得联系，确保应急救援作业的顺利进行。
1 体系网络结构
本文规划的两级网络语音通讯体系结合了CAN总线和无线传感器网络的长处，选用了CAN总线网络和WSN无线传感器网络一起组网的办法。在正常状况下，选用CAN总线来传输语音信号;在紧迫状况下，如电源或电缆被堵截时，无线传感器网络主动发动，选用无线传感器网络传输语音信号。别的，还可以经过人工安置新的传感器节点来扩展或康复被损坏的无线传感器网络，确保井下语音通讯的正常。正常状况和紧迫状况下的体系结构别离如图1和图2所示。
体系节点分为正常的语音节点和紧迫状况下运用的传感器节点两种。语音节点具有CAN总线和WSN两种通讯方法，是正常组网时的首要节点;传感器节点仅具有无线通讯办法，是在紧迫状况下康复和扩展语音通讯网络时所选用的。传感器节点和语音节点在选用无线通讯时选用多跳中继传输，合作CAN总线的有线通讯，完成正常和紧迫状况下的语音通讯。
2 节点硬件规划
语音节点由CC2530、语音处理模块CAN通讯模块、电源办理模块等组成;传感器节点由CC2530、语音处理模块、电源办理模块等组成。其间语音节点的结构如图3所示。
2.1 CC2530及无线通讯模块
无线网络节点的中心是微处理器芯片，本规划选用了TI公司推出的CC2530片上体系芯片。CC2530是用于IEEE 802.1 5.4、ZigBee和RF4CE运用的片上体系(SoC)解决方案，它将一个高功用的RF无线收发器和一个增强型的8051微处理器集成到一块芯片上，该芯片具有优异的无线功用、低功耗、低成本，而且其内部集成8路12位ADC、2个支撑多种串行通讯协议的USART模块、21个通用I/O接口等，仗其有杰出的扩展性。CC2530的首要外围电路如图4所示。
2.2 语音处理模块
语音处理模块包含语音收集模块、A/D和D/A转化模块、语音编解码模块、语音功放等组成。语音信号经过MIC电路收集后，送到A/D、D/A转化模块进行A/D转化和紧缩处理，处理过的信号经过语音编解码模块进行编码，变成数字信号发送出去。
2.2.1 A/D、D/A转化
M%&&&&&%收集的语音信号为模仿信号，要进行数字语音传输首要要将模仿信号转变为数字信号。本体系选用的A/D、D/A转化芯片是Lucent公司的CSP1027。CSP1027是一款高精度线性语音频带编解码器，具有16位的A/D、D/A转化才能。它的模仿接口处内置了音频前置放大器，
因而在电路规划中，可以直接将小信号的语音信号直接输入CSP1027的模仿端。语音处理模块的电路规划如图5所示。
2.2.2 语音编解码模块
经过A/D转化后的语音信号数据量很大，而CAN通讯和WSN通讯的带宽有限。因而有必要对收集的语音信号进行紧缩和编码处理。体系选用的编码芯片为AMBE2000编解码芯片。
AMBE2000是一种高功用、低功耗、多速率的单片语音编解码芯片，其数据紧缩速率在2.0～9.6 kbps范围内可调。AMBE2000将语音数据每20 ms紧缩为一个语音数据包并将数据送到MCU，MCU将其间的有用数据送到CAN操控器或无线操控器，以CAN数据或无线数据的方法发送出去。当没有声响信号输入时，它可以检测到静音并写入标志位。在解码器部分，当它检测到丢掉一帧语音数据时，它可以根据上一帧数据尽量真实地猜测下一帧语音数据，给出恰当的语音信号，本体系选用AMBE2000的编码速率为2.4 kbps。AMBE2000的作业原理如图6所示。
2.3 CAN通讯模块
CC2530没有集成CAN操控器，本规划选用了带有SPI接口的独立CAN操控器MCP2515，可便利与CC2530衔接。本规划选用的是周建功公司的集成光耦、DC/DC阻隔CAN收发器的CTM8251，该收发器具有DC 2500 V的阻隔功用。CAN通讯模块的电路如图7所示。
3 体系软件规划
体系的软件规划选用模块化规划办法，体系的作业流程为：
①模块初始化。模块初始化首要包含CC2530初始化、引脚初始化、无线模块初始化、CAN模块初始化、AMBE2000初始化等。
②正常作业方法。正常作业方法下选用的是CAN通讯，因而无线模块处于休眠状况。体系检测通讯按钮是否按下，当按钮按下时，发动语音处理及编解码模块，并经过CAN模块发送出去。当CAN模块接纳到总线数据时，发生中止，CAN模块接纳数据并送到语音处理模块进行解码。
③紧迫状况方法。当体系呈现异常状况时，会导致电源中止，通讯电缆被堵截，乃至有些节点遭到损坏无法正常作业。语音节点的无线模块发动，主动进行组网，改为经过无线来传输语音信号。一起在节点遭到损坏的区域，人工安置传感器节点，这些节点与语音节点自组织组网，构成新的无线传感器网络，来康复和确保语音通讯。
因为语音通讯对体系的实时性要求比较高，而对传输过程中时间短的丢包和过错具有较高的容错率，因而传统的牢靠传输操控协议并不彻底适用于语音通讯体系。本规划中，选用了一次握手，多个数据接连通讯的不牢靠数据报文传输机制，来确保语音通讯的实时性。
4 体系测验
为了验证体系的语音通讯功用，特别是无线语音通讯功用，对体系进行了定量和定性两种试验测验。试验设备由语音节点、电源模块、信号发生器、声级计、扫频仪等组成。
4.1 定量试验一
体系试验办法为：两个节点经过无线传输，其间1号节点经过信号发生器输入不同幅值的1 kHz的正弦信号，经过分贝计在2号节点的喇叭正前方1 m处测验语音声强。测验衔接示意图如图8所示。
经测验，语音声强可到达85dB，语音失真度小于15%。调理音频信号发生器，使信号频率从350～3 000 Hz改变，测得频响优于±6dB。
4.2 定量试验二
经过定量试验后，再对体系的语音质量进行定性测验。测验办法为：将接纳节点固定，对发送节点间隔不同状况下的语音音质、语音流通度的状况进行定性判别。详细测验状况如表1所列。
经过测验，当节点间隔在20 m内时，语音流通、音质较好;在25 m内时开端呈现颤音，但仍能满意语音通讯的要求;在30 m时，语音质量开端下降;40 m时音质较差，无法满意语音通讯要求。因而语音节点安置间隔应确保在25 m以内，条件答应时应尽量确保在20 m内为宜。
结语
本文规划的井下语音通讯体系，充沛结合了有线通讯和无线通讯的长处，正常状况下选用CAN通讯来传输语音信号，确保体系的稳定性和牢靠性。紧迫状况下选用无线通讯来传输语音信号，而且可以经过人工布点的办法接续被损坏的节点，确保紧迫状况下的语音通讯。经过试验证明了体系声强、失真度、频响等功用目标均契合现场运用的要求，且现场安置时节点间间隔以不大于25 m为宜。
