低功耗精確定位語音對講信息礦燈設計

戴劍波

（1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

2020 年7 月，山西省發布《智能煤礦建設規范》省級地方標準，人員安全部分明確要求：應具備精準定位，無線語音通話功能，危險狀態下逃生信息的實時獲取，應對各種災害的可靠逃生信息等[1]。2020 年由孫繼平起草的中華人民共和國安全生產行業標準《煤礦井下人員定位系統通用技術條件》，明確了人員定位技術指標，并提出定位標識卡須具有發出事故報警，接收事故撤人命令、并聲光報警等功能[2]。

目前，市場上具有精確定位，同時附加語音通信、視頻拍照、視頻監控功能的信息礦燈基本采用WiFi 無線通信傳輸，語音采集處理采用處理器、編解碼器、功放器等分立元件實現方式，產品設計成本較高，不適宜普遍推廣，同時其功耗較大，縮短礦燈照明時間，影響礦工井下安全工作；由于受礦燈燈盒空間限制，WiFi 無線傳輸及語音采集處理模塊安裝于礦燈燈頭部分，長時間WiFi 信號產生電磁輻射會對人體產生傷害。為此，設計了一種低功耗精確定位語音對講信息礦燈，將UWB 高精度定位、WiFi 無線通信傳輸、語音信號壓縮編碼等技術相結合，內置礦燈中，減少入井作業人員攜帶產品的數量，實現井下礦工高精度位置服務、與地面調度中心對講、分組對講、撤離語音提示、逃生路線導播等多功能融合，同時，礦燈具有無線程序升級功能，避免修改功能頻繁拆卸礦燈[3-6]。

1 精確定位語音對講信息礦燈原理及硬件

精確定位語音對講信息礦燈整機設計針對《礦用產品安全標志審核發放實施規則：礦燈及其附件》中內容要求“通信部分不應安裝在礦燈燈頭部分”的規定，將無線通信部分UWB 精確定位單元、語音對講無線傳輸單元、主CPU 處理單元、FLASH 存儲器（存儲無線升級程序及語音緩存數據）、定位指示燈、求救按鍵、蜂鳴器等電路設計安裝在礦燈電池盒；語音信號編解碼處理單元、語音信號放大單元、語音信號采集麥克、語音信號播放喇叭、從CPU 處理單元、FLASH 存儲器、語音狀態指示燈、語音功能按鍵等電路設計安裝在燈頭，燈頭與電池盒之間電路采用4 芯礦用本質安全型電纜連接。整機設計原理框圖如圖1。

圖1 整機設計原理框圖Fig.1 Block diagram of the whole machine

1.1 精確定位單元

精確定位單元主要實現井下作業人員位置信息獲取，硬件采用DecaWave 公司生產DW1000 芯片設計，符合IEEE 802.15.4-2011 超寬帶標準，滿足實時、高精度、高可靠的定位要求，采用飛行時間測距算法（TOF），其定位精度靜態條件下理論值為30 cm，采用到達時間差算法（TDOA），其定位精度靜態條件下理論值為10 cm，定位精度滿足標準要求[7-9]。UWB 精確定位硬件設計原理圖如圖2。

圖2 UWB 精確定位硬件設計原理圖Fig.2 Schematic diagram of UWB precise positioning hardware design

為保證精確定位語音對講礦燈在井下復雜環境通信可靠性，射頻輸出設計功率放大器，采用亞德諾（ADI）公司HMC326 功率放大芯片，硬件設計從2個方面降低功耗，針對功率放大器，在發送時，通過GPIO4 管腳開啟U9，射頻信號經過放大發送出去，在接收時，通過GPIO4 管腳關閉U9，射頻信號經過C60旁路接收，從而降低功耗；針對DW1000 芯片內核供電VDDLDOD、VDDLDOD，首先用1.8 V 低壓模式供電，同時，通過EXTON 引腳控制外部DC-DC轉換芯片U3開啟和關閉，當DW1000 處于睡眠或深度睡眠狀態時,禁用內核供電來進一步降低功耗，U8和U10為收發切換射頻開關，U7為收發切換控制信號反相器，U6實現DW1000 差分射頻信號轉換為單端射頻信號。

1.2 語音無線傳輸單元

語音無線傳輸采用國產樂鑫公司ESP8266EX WiFi 芯片，CPU 時鐘速度最高可達160 MHz，支持實時操作系統（RTOS）和WiFi 協議棧，集成了32位Tensilica 處理器、標準數字外設接口、天線開關、射頻巴倫、功率放大器、低噪放大器和電源管理模塊等，只需要很少的外圍電路即可實現WiFi 無線傳輸，WiFi 無線傳輸硬件設計原理圖如圖3。圖3 中，U2為射頻收發天線，C6濾除二次諧波，L2和C7配合C6對天線進行阻抗匹配。

圖3 WiFi 語音無線傳輸單元設計原理圖Fig.3 Schematic diagram of WiFi voice wireless transmission unit

軟件設置不同工作模式可降低功耗，井下有WiFi 網絡且有語音業務時，芯片接收、發送語音數據，平均工作電流105.2 mA；有WiFi 網絡但無語音業務時，進入調制解調休眠模式，此時芯片CPU 運行，在2 次DTIM Beacon 間隔時間內，關閉芯片WiFi 模塊電路，在下一次Beacon 到來前自動喚醒，休眠時間由基站的DTIM Beacon 時間決定，平均工作電流19 mA；當在無WiFi 網絡環境下，進入深度睡眠模式，此時只有RTC 正常工作，芯片的所有其他組件都斷電，通過定時喚醒芯片工作，工作電流為20 μA。通過這3 種休眠模式的應用，信息礦燈功耗可以大大降低，保證礦燈最大負載條件下連續工作11 h 后，定位卡還能繼續工作199 h 以上。

1.3 語音信號處理單元

現行應用較多的語音編解碼方式是G.711、G.729 等，語音質量較好，但編碼算法復雜、傳輸帶寬較高等缺點。將AMBE（多帶激勵）超低速率語音編解算法引入到煤礦井下語音對講系統中，可以降低語音編解碼算法的復雜度和降低語音編碼所需的帶寬，在固定帶寬內增加傳輸的信息量，傳送更多路數話音壓縮數據，擴大通信容量，達到相同甚至更高的語音質量，適合應用于超低功耗無線傳輸終端中，可以延長信息礦燈使用時間，同時，聲碼器可單芯片實現語音的實時編解碼，內置編碼譯碼器，可直接外接麥克風和喇叭，單芯片實現語音編解碼，降低產品設計成本[10]。語音信號處理電路如圖4。

圖4 語音信號處理單元設計原理圖Fig.4 Schematic diagram of the voice signal processing unit

圖4 中，U1為語音編解碼芯片，采用AMBE 編解碼壓縮方式，可將模擬語音信號數字化后壓縮至2～9.6 kbps，并同時實現解碼過程，合成為模擬語音信號輸出，比普通語音傳輸格式占用帶寬降低10 倍以上，外置鐵電存儲器緩存，提高語音播放連續性；C5、C17分別為音頻信號輸入、輸出隔直電容，煤礦井下環境噪音較大，音頻采集及輸出分別增加放大電路，提高聲音輸出響度；U2為麥克放大芯片，改變R5、R6的阻值調節聲音采集放大倍數；U3為喇叭輸出放大芯片，通過調節PA_SD 管腳脈沖，實現不同增益選擇，可分別設置增益為12、16、24、27.5 dB 4種狀態，同時開啟防破音功能。當PA_SD 信號拉低持續500 μs，U3芯片進入關斷模式，電源電流低至0.1 μA 以下，MOS 管Q1控制語音信號處理單元供電，在沒有語音業務時，處于關閉狀態，降低功耗。

2 精確定位語音對講信息礦燈軟件

信息礦燈軟件采用基于ARM 嵌入式平臺開發，主要由數據采集、數據處理及傳輸、數據業務應用服務3 部分組成。軟件設計示意框圖如圖5。

圖5 軟件設計示意框圖Fig.5 Schematic block diagram of software design

數據采集部分主要實現A/D 采樣接口采集電池電量信息、語音編解碼芯片通過麥克風采集語音信息、井下作業人員位置信息及不同功能按鍵信息；數據處理及傳輸部分實現信息礦燈各單元模塊低功耗休眠、喚醒，語音數據編解碼壓縮傳輸、通過無線方式程序升級、采集位置信息通過定位測距算法處理及傳輸等；數據業務應用服務部分實現精確定位信息上傳、緊急情況上傳呼救、緊急情況下發接收撤離、地面與井下調度對講、地面對井下環境調度監聽、井下同一班組分組對講、地面對井下同一班組分組廣播消息、危險緊急情況下，調度中心根據危險源位置信息對周圍作業人員下發播放語音逃生路線信息、緊急撤離時語音提示等。

3 結 語

精確定位語音對講信息礦燈的設計從功耗、成本、無線信號置于燈頭信號輻射等方面解決了目前市場上已有產品存在的問題；同時為了提高產品維護的便捷性，采用無限循環多次廣播機制發送升級包數據，支持多設備、遠距離、不受限同時無線升級，能夠滿足煤礦現場精確定位升級改造維護的需求。信息礦燈方便作業人員隨身攜帶，在煤礦安全生產事故的緊急情況下，通過地面調度指揮中心可以統一調度安排，對井下作業人員定點、定區域或全體廣播，使其井下作業人員及時撤離到達指定安全地點，筑牢井下作業安全防線，為煤礦安全生產保駕護航。