基于WiFi的語音礦燈設計

王飛

(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)

0 引言

隨著智能礦山建設推進，大量智能裝備在煤礦井下推廣應用[1-2]。智能礦燈作為工作人員常用設備，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。許多研究者對礦燈進行了研究。張帝等[5]基于LoRa無線通信技術和物聯網操作系統RT-Thread設計了一種集井下照明、環境狀態感知、人員狀態監測與定位、無線通信與安全報警的多功能礦燈，但是通信帶寬低、無語音采集和播放功能。劉朝陽等[6]設計了一種礦用通信礦燈，將TD-LTE技術與礦燈相融合，具有語音通話功能，但是存在功耗高、硬件復雜等缺點。戴劍波[7]設計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]設計了一種基于WiFi技術的煤礦井下智能終端設備，該設備集環境信息采集、人員定位和信息交互功能于一體，但沒有語音采集和播放、雙向對講功能。綜上可知，現有礦燈大多只具有照明、定位、環境感知等功能，沒有語音對講功能。鑒此，本文設計了一種基于WiFi的語音礦燈，該語音礦燈具有照明與語音對講功能，調度臺工作人員可隨時與井下佩帶該礦燈的工作人員進行語音對講，為智能礦山建設提供了一個低成本、低功耗語音通信終端設備。

1 語音礦燈設計

1.1 工作原理

基于WiFi的語音礦燈以工業以太環網和WiFi網絡為傳輸平臺[9]，采用VoIP語音通信技術[10-11]實現語音播放、音頻采集、與調度臺對講功能。語音礦燈中的音頻編解碼芯片可實現語音模擬信號與數字信號的轉換，通過工業以太環網和WiFi網絡，采用UDP(User Datagram Protocol，用戶數據包協議)將信號傳輸至調度臺[12]，完成語音數據的雙向傳輸。基于WiFi的語音礦燈工作原理如圖1所示，主要包括調度臺、工業以太環網、WiFi基站和語音礦燈4個部分。語音礦燈接收到下行語音數據后，自動播放語音數據，當音頻采集結束后，自動將語音數據發送給調度臺，從而實現與地面調度臺雙向語音對講功能。

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

1.2 硬件設計

語音礦燈硬件包括WiFi模塊、語音模塊、LED、按鍵、麥克風及揚聲器等，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個部分，兩者通過4芯線相連接，紅藍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存儲器、音頻編解碼芯片、語音功放芯片、LED、按鍵、麥克風及揚聲器等固定在燈頭。WiFi模塊與微控制器STM32L151之間的通信接口為RS232，實現數據雙向交互。

1.2.1 WiFi模塊

語音礦燈工作時，WiFi模塊連接至WiFi基站，與調度臺實現注冊和心跳檢測[13]，為調度臺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、音頻采集和語音數據緩存與管理等。語音數據傳輸存在2種數據流：① 下行語音數據：調度臺下發至語音礦燈的數據。調度臺下發語音數據時，微控制器STM32L151先緩存語音數據至FLASH存儲器，當接收完畢后，自動播放該語音數據。② 上行語音數據：語音礦燈上傳至調度臺的數據。語音礦燈上傳語音數據時，微控制器STM32L151采集語音數據后，緩存至FLASH存儲器，同時向調度臺傳輸語音數據。當數據接收完畢后，調度臺自動播放該語音數據，如果該語音數據為組播，則轉發至組內所有語音礦燈，實現組內對講。語音模塊工作流程如圖4所示。

2 語音對講實現的關鍵技術

2.1 語音數據緩存與管理

語音數據采用UDP傳輸方式，傳輸時延受網絡環境影響較大，語音礦燈接收到語音數據后，首先對語音數據進行緩存，然后根據序列號和編碼號進行排序管理，從而保證語音播放的連續性和準確性。語音礦燈采集音頻數據時，首先緩存在FLASH存儲器中，然后發送至WiFi基站及調度臺。調度臺傳輸語音數據至語音礦燈時，語音礦燈首先將語音數據緩存在FLASH存儲器中，接收完畢后才自動播放。

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次音頻數據，編碼壓縮后語音數據有效格式的長度為24 byte,從而降低了語音數據對網絡帶寬的要求。為有效管理和可靠傳輸語音數據，需對語音數據添加一些管理信息，每段語音數據對應1個序列號(1—254)，1—254個序列號循環使用，從而避免重復下載和上傳語音數據。其中每個語音數據幀對應1個編碼號(0—65 535)，用于語音數據幀排序和重組，格式說明見表1。

表1 語音數據幀的格式說明Table 1 Format description of voice data frames

2.2 語音數據可靠傳輸機制

為了保證語音數據傳輸的可靠性，語音礦燈中的語音模塊與調度臺之間的語音數據傳輸采用應答模式[14]，語音數據可靠傳輸機制如圖5所示。調度臺傳輸下行語音數據時，首先向語音礦燈發送請求幀，然后等待接收響應幀。只有成功接收到響應幀，調度臺才發送語音數據幀。語音模塊接收到語音數據幀，校驗正確且緩存成功，則回復數據響應幀。調度臺接收到數據響應幀，只有認為發送成功，才會發送下一個語音數據幀。通過這種應答模式，調度臺將語音數據準確無誤地傳輸至語音礦燈。對于上行語音數據，語音模塊主動發送請求幀，只有成功接收到響應幀，才向調度臺發送語音數據幀。每一個語音數據幀均有對應的數據響應幀，從而保證語音礦燈與調度臺之間可靠的數據傳輸。

圖5 語音礦燈與調度臺之間的語音數據可靠傳輸機制Fig.5 Reliable transmission mechanism of voice data between voice miner's lamp and dispatching center

2.3 低功耗休眠機制

WiFi模塊開機后工作電流為70 mA左右，但是WiFi模塊僅僅在數據傳輸時需要工作，其他時間可以進行休眠，休眠時電流僅為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個部分，在沒有語音數據傳輸時，兩者均進入休眠模式。語音礦燈低功耗休眠機制如圖6所示，當WiFi模塊掃描WiFi基站時，檢測到信標幀(Beacon)中有數據請求，則立刻喚醒語音模塊，開始接收數據，同時將語音數據轉發至微控制器STM32L151。當微控制器STM32L151檢測到對講按鍵按下時，則進行音頻采集，將語音數據轉發至WiFi模塊。WiFi模塊和微控制器STM32L151進入休眠模式后，通過RS232接口(外部IO喚醒方式)喚醒對方，通知對方開始處理語音數據。

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

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

3 試驗測試與分析

為了測試語音礦燈雙向對講功能、WiFi基站通信距離和整機工作電流等，在瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室清水溪試驗巷道內搭建了測試平臺，如圖7所示。測試平臺布置了2臺WiFi基站、20個語音礦燈和1臺計算機，2臺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個語音礦燈均勻布置在巷道中間，高度約為1 m。

圖7 測試平臺Fig.7 Test platform

斷電WiFi基站B，將20個語音礦燈分為4組，分別放置在距WiFi基站A的100、200、300、400 m處。按住語音礦燈對講按鍵，錄音60 s,并發送語音數據至計算機，然后松開對講按鍵，計算機在1 s內自動播放該語音。在計算機上錄音60 s，并發送語音數據至語音礦燈，1 s后語音礦燈自動播放該語音。上電WiFi基站B，將20個語音礦燈分為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，同時發送語音數據至計算機，然后松開對講按鍵，計算機在1 s內自動播放該語音，其他語音礦燈均在3 s內播放該語音。

根據上述試驗測試結果可知，語音礦燈與WiFi基站通信距離可達400 m，語音對講音質清晰；語音礦燈與計算機之間對講傳輸時延小于1 s，語音礦燈之間的組播傳輸時延小于3 s，能夠滿足調度臺工作人員隨時與井下工作人員進行語音對講需求。

此外，采用Fluke 289萬用表測試語音礦燈的平均電流，語音對講時的平均電流為68.6 mA，WiFi模塊和微控制器STM32L151進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 結論

(1) 采用一種低成本、低功耗技術設計了基于WiFi的語音礦燈，該礦燈采用WiFi技術和VoIP語音通信技術，利用音頻編解碼芯片實現語音模擬信號與數字信號之間的轉換，具有語音播放、音頻采集、雙向對講等功能，為調度臺與井下工作人員之間提供了雙向語音對講功能。

(2) 試驗結果表明：語音礦燈與WiFi基站通信距離可達400 m，與調度臺之間的對講傳輸時延小于1 s，語音礦燈之間的組播傳輸時延小于3 s；對講時平均電流小于70 mA，空閑時平均電流小于5 mA。為智能礦山建設提供了一種低成本、低功耗、操作簡單、適用性強的語音通信終端設備。