基于WiFi的煤礦井下語音通信系統設計與實現

何雨生

摘要：本文分析了當前煤礦井下語音通信系統的現狀，提出了一種基于WiFi的煤礦井下語音通信系統的設計與實現方案。該系統通過傳輸控制中心的傳播處理實現移動終端之間語音通信以及移動終端與智能擴音電話的語音廣播，有利于緊急情況時人員的安全撤離和做好相應的補救措施，保障人員安全，提高煤礦井下工作的安全性。

關鍵詞：語音通信；CAN總線；WiFi；網絡傳輸接口

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

1 引言

根據國家安全監管總局、 國家煤礦安監局關于 建設完善煤礦井下安全避險“六大系統”的通知（安監總煤裝〔2010〕146號）要求，全國所有煤礦必須完成通信聯絡系統的建設完善工作。當前煤礦井下所采用的語音通信方式實時性差，突發狀況或緊急事件發生時無法及時反饋給相關工作人員，安全性低。隨著無線通信技術的快速發展，WiFi無線網絡技術以其覆蓋范圍廣、傳輸速率高、布網成本低等優勢，受到業界的廣泛關注。

本文提出一種基于WiFi的煤礦井下語音通信系統，一方面實現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音電話實現語音廣播，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，提高煤礦運輸的生產效率和安全性。

2 煤礦井下語音通信系統的總體方案

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

傳輸控制中心支持WiFi通信協議，充分利用帶寬的優勢，對整個煤礦井下巷道進行信號覆蓋，完成與移動終端的數據交換，以實現移動終端間的通信以及移動終端與沿線擴音電話的語音通信功能。網絡傳輸接口同時支持PRI、SIP信令中繼協議和TCP/IP協議，通過標準TCP/IP協議接口與通信分站進行對接。通信分站同時支持TCP/IP協議和CAN總線協議，通過TCP/IP協議接收傳輸接口的語音數據，再通過CAN總線連接擴音電話。

移動終端通過VoIP技術實現語音通信，連通系統中其他終端設備和擴音電話。呼叫其他終端時通過SIP協議建立一對一語音通信，連接擴音電話時根據IP地址進行廣播式通信。且該移動終端是在礦井中使用，故滿足本安認證。

智能擴音電話采用CAN總線通訊，通過麥克風輸入語音數據后進行處理，并通過CAN收發器傳輸到總線再由功放輸出語音信號，具有語音通訊、系統預警報警、智能輸入、輸出等功能，可實現各電話之間相互對講、語音播報，實現智能化語音通訊。

3 煤礦井下語音通信系統的設計與實現

本節具體設計與實現煤礦井下語音通信系統中的傳輸控制中心、移動終端和智能擴音電話三部分。

3.1 傳輸控制中心的設計與實現

傳輸控制的結構框圖如圖2所示，包括以太網交換機、網絡傳輸接口、通信分站和調度臺四個部分，本文著重設計與實現前三部分。

以太網交換機采用本安WiFi KT162-F實現。WiFi技術相對其他無線通信技術來講具有無線電波覆蓋范圍廣、傳輸速率高、協議開放等突出優勢，在煤礦井下，WiFi作為無線通信網絡也已有應用經驗[1]。本系統中WiFi無線技術在煤礦掘進面傳輸中通過采用V-MIMO技術提高系統性能；在發射功率方面，基于STBC的MIMO功率分配使用OFDM技術對抗多徑衰落，以適應于平坦衰落信道情況[2]；信道估計方面，利用JayaweeraS.K.研究結果，以碼元建模與發射天線成正比來估計收發天線對之間的信道參數的機制；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）和空時網格碼（STTC），同時采用嚴格的時間同步機制（RBS、TPSN），較好地解決延時問題。

網絡傳輸接口使用KJJ85接口，同時支持PRI、SIP信令中繼協議和TCP/IP協議，傳輸接口通過標準TCP/IP協議接口與通信分站進行對接。KJJ85網絡傳輸接口設備主要涉及IP語音控制板、語音交換機軟件、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。系統可提供本地用戶接入，也可以通過局域網連接IP終端設備，或通過環路中繼接口連接原有的傳統PBX設備。語音控制板支持WiFi制式的接入，內置PBX、DISPATCH、CDR、SMC，支持漫游、切換等功能。通過語音控制板提供的調度功能，能夠輕松的實現強插、強掛、群呼、群答、會議、監聽、錄音等一系列的調度應用。

通信分站采用KTK113（B）實現擴音電話和網絡傳輸接口的語音通信[4]。由于擴音電話是CAN總線通信協議，擴音電話與網絡傳輸接口通信CAN總線協議需要轉換為標準的TCP/IP協議。KTK113（B）通信分站通過對CAN轉以太網模塊的開發，實現擴音電話與以太網協議的互通。KTK113（B）通信分站作為音頻播放分站，具有擴音電話的功能，融合了CAN廣播的功能和IP電話的功能。通信分站發起語音通信時，將拾取的模擬語音進行A/D轉換，再通過語音處理模塊對數據壓縮后傳送到CAN總線；通信分站收聽時，將CAN總線的語音數據經過解壓縮，再進行D/A轉換后輸出語音信號。同時，通信分站遵從SIP協議，通過以太網實現全雙工語音對講。

3.2 移動終端的設計與實現

基于WiFi的移動終端通過VoIP技術實現IP語音通信。VoIP是應用最廣的一種IP網上語音通信傳輸的實現方式，其通過語音壓縮算法對語音數據進行壓縮編碼處理，把這些語音數據按IP等相關協議進行打包，經過IP網絡把數據包傳輸到接收地，再把這些語音數據包串起來，經過解碼解壓處理后，恢復成原來的語音信號，從而達到由IP網絡傳送語音的目的。IP語音通信的服務質量保障和信令問題關鍵是碼流的信令控制和服務質量，本終端采用的VoIP信令協議為SIP協議，用客戶/服務器分布式呼叫控制和能力協商。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，內部包含回聲消除、音量可調等多種功能。G729碼率8kbps，算法提供了幀丟失和分組丟失的隱藏處理機制，而G711碼率64kbps且沒有幀丟失和分組丟失的處理機制，考慮到無線網絡的不穩定性及丟包可恢復性，本系統中采用G729語音編碼。 ML7204具有Operation和Deep sleep兩種工作模式，當該芯片處于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實現，芯片內部主要由前置放大器、數字低通濾波器、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點。BR261中前置放大器的放大倍數和輸出放大器的放大倍數是可配的，最高都可以達到30dB，因此在實際應用中都會對其進行配置。配置流程圖如圖4所示。

移動終端的工作原理如下：

接收語音數據時，人講話的聲音被 MIC捕捉后會轉化為電信號，該信號首先會經過降噪芯片進行周圍環境噪聲的濾除，隨后會送到語音CODEC芯片語音編碼芯片進行G729語音編碼，經過編碼后的數據最終會通過主控芯片發射出去。

發射語音數據時，首先主控芯片實現語音信號的接收，接收到的信號隨后送到語音編碼芯片進行語音解碼以及DAC，解析出來的語音信號最終通過喇叭和耳機播放出來。耳機功放TPA6111A2和喇叭功放LM4675為音頻功放，用于驅動耳機和喇叭。

3.3 智能擴音電話的設計與實現

智能擴音電話產品采用CAN總線通訊，具有語音通訊、系統預警報警、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 轉換器部分以及一些外圍電路。智能擴音電話的實現框圖如圖5所示。

語音數據通過麥克風輸入后進行A/D轉換，再通過語音處理模塊將數據壓縮打包傳送給微處理器，微處理器通過CAN收發器將數據傳到總線上；總線上的信息通過收發器傳送給微處理器，通過微處理器傳至語音處理模塊，由其解壓縮，再進行D/A轉換，最后由功放喇叭輸出語音信號。

4 聯調與測試

本文研制工作與調度臺進行了成功聯調，滿足了預期的功能和性能要求，并進行了實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域，各持一個移動終端設備，一人向另一人發起語音通信，測試振鈴狀態和通話音質，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說話，另一名人員持擴音電話沿煤礦井下操作線行進，現場測試結果為沿途的擴音電話聲音清晰。

5 結語

本文將WiFi技術應用于煤礦井下語音通信系統，利用語音通信標準VoIP技術實現傳統的語音通信，使用的通信協議SIP協議具有很強的擴展能力。研制系統通過傳輸控制中心的傳播處理實現移動終端之間語音通信以及移動終端與智能擴音電話的語音廣播，提高煤礦井下工作的安全性，取得了顯著的經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1]劉晨輝，譚文群.基于WIFI技術的礦井下無線語音通信系統[J].科技廣場，2014（7）：96-98.

[2]張世超，季仲梅，崔維嘉.基于STBC的MIMO-OFDM系統中自適應調制技術研究[J].計算機應用與軟件，2011，28（10）：69-71.

[3]王樂菲，張瑞華.基于Alamouti空時編碼傳輸的低耗能無線傳感網絡[C]//cwsn2009中國傳感器網絡學術會議，2009.

[4]賈奇昆.KTK113數字語音廣播系統在長平公司的應用[C].中國煤礦信息化與自動化高層論壇，2012.endprint