目前，國內(nèi)的井下語音通信大多采用溝通效率較低的有線防爆電話或者成本高昂的井下3G通信[1]。由于在井下有線通信系統(tǒng)安裝復(fù)雜，而且通話裝置(如防爆話機(jī))通常位置固定，從而造成了井下作業(yè)溝通效率的低下。國內(nèi)中小型礦井眾多，井下3G無線通信系統(tǒng)成本過高，很多企業(yè)無法承擔(dān)架設(shè)費(fèi)用。因此，對搭建靈活且功耗和成本低廉的語音通信裝置的需求尤為迫切。

    本文使用新興的短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的ZigBee技術(shù)[2]以及具有高壓縮比和高還原音質(zhì)的語音壓縮算法IMA-ADPCM，解決了以往井下語音通信設(shè)備成本昂貴、使用不靈活、通信效率低的問題。經(jīng)驗(yàn)證，本語音通信終端井下實(shí)測點(diǎn)對點(diǎn)穩(wěn)定通信距離為28.76 m，語音信號傳輸誤碼率為1.95%，額定功耗為0.63 W。
1 系統(tǒng)方案和模塊原理
1.1 語音終端設(shè)計(jì)原理
    本文設(shè)計(jì)的語音終端系統(tǒng)組成原理框圖如圖1所示。其工作原理是：聲音信號由麥克風(fēng)輸入，由語音采集模塊將之轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；CPLD被設(shè)計(jì)成語音壓縮和解壓縮模塊，負(fù)責(zé)對語音數(shù)字信號進(jìn)行壓縮或者解壓縮處理。STM32W108是高性能的IEEE 802.15.4無線片上系統(tǒng)(SoC)，集成2.4 GHz IEEE 802.15.4兼容的收發(fā)器以及基于ZigBee系統(tǒng)的外設(shè)，是本系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的交互和ZigBee應(yīng)用程序管理[3]。數(shù)據(jù)由STM32W108的ZigBee外設(shè)發(fā)出，再經(jīng)過2.4 GHz射頻放大模塊進(jìn)行功率放大，最后輻射到信道中。這樣做目的是增加信號強(qiáng)度和提高有效通信距離。當(dāng)接收語音信號時，語音數(shù)據(jù)經(jīng)過CPLD進(jìn)行解壓縮后，經(jīng)由語音播放模塊輸出音頻信號。

1.2 語音壓縮及解壓縮模塊的設(shè)計(jì)
    由于ZigBee為低速率(<250 kb/s)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如果語音不經(jīng)過壓縮處理，則無法很好地適用于該技術(shù)。本設(shè)計(jì)采用IMA-ADPCM，即自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制算法，該算法壓縮比為4:1，符合低空間消耗、高質(zhì)量、高效率的要求[4]。為了降低核心MCU的負(fù)擔(dān)，語音編解碼的任務(wù)由CPLD承擔(dān)。

    基于CPLD的語音編解碼模塊的設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。該模塊由時鐘模塊、編碼器和解碼器、數(shù)據(jù)存儲器以及中央控制單元構(gòu)成。控制單元負(fù)責(zé)與STM32W108進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)交互。進(jìn)行語音編碼時，存儲器存儲ADPCM碼數(shù)據(jù)，解碼時則暫存PCM數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)由控制元傳輸至STM32W108進(jìn)行進(jìn)一步處理。

1.3 語音編解碼算法性能評估
    為模擬真實(shí)通話環(huán)境，將普通語音錄入PC，然后處理成采樣率為44.1 kHz、碼寬為16 bit、格式為wav的音頻文件。將wav文件導(dǎo)入Matlab中進(jìn)行IMA-ADPCM進(jìn)行編解碼處理，將原始語音信號和解碼還原后的語音信號進(jìn)行比對和誤碼率計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。根據(jù)波形比對和人耳辨識，語音還原質(zhì)量較高。經(jīng)計(jì)算，本設(shè)計(jì)的語音編解碼器的平均誤碼率僅為1.95%。

2 組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分析和軟件方案設(shè)計(jì)
2.1 組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)分析
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型主要有3種。第1種是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Coord)，其功能是發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，建立網(wǎng)絡(luò)，管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，備份網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息，搜尋一對節(jié)點(diǎn)間的路徑[5]。而本設(shè)計(jì)中語音終端則被設(shè)計(jì)成第2或第3種設(shè)備，即全功能設(shè)備(FFD)或者精簡功能設(shè)備(RFD)。FFD包含由標(biāo)準(zhǔn)指定的所有IEEE802.15.4功能和特性，在空閑時充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)路由器，也能作為終端設(shè)備使用。由于礦井下通信的節(jié)點(diǎn)位置隨機(jī)性高，為了保證其可靠性和穩(wěn)定性，優(yōu)先考慮將語音終端設(shè)計(jì)為FFD類型設(shè)備。為降低成本和復(fù)雜性，RFD只包含有限的功能，在網(wǎng)絡(luò)中只能用作終端設(shè)備，RFD由于省掉了內(nèi)存和其他電路，所以降低了ZigBee部件的成本。當(dāng)然，在礦井下工作位置相對固定的情況下，邊緣位置節(jié)點(diǎn)亦可以采用RFD類型的設(shè)備以達(dá)到節(jié)約成本的目的。
    本設(shè)計(jì)采用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愋蜑榫W(wǎng)狀網(wǎng)，通用情況下所有節(jié)點(diǎn)類型的組網(wǎng)如圖5所示。其中節(jié)點(diǎn)4為FFD類型設(shè)備，節(jié)點(diǎn)7為RFD類型設(shè)備。當(dāng)節(jié)點(diǎn)4和節(jié)點(diǎn)7加入網(wǎng)絡(luò)時，可能產(chǎn)生可用的新路徑如圖中虛線所示。此時，假定節(jié)點(diǎn)8向節(jié)點(diǎn)2發(fā)起通信，則路由器算法根據(jù)每個節(jié)點(diǎn)的路由表項(xiàng)信息搜索新的最佳路徑，路徑8、7、6、5、2(方向從左到右)已經(jīng)過時，最優(yōu)新路徑8、7、4、2(方向從左到右)將被采用。

    如果設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，則主動進(jìn)行該區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)組建流程，直至自組網(wǎng)建立成功方可對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)協(xié)調(diào)器檢測到新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的請求時，會轉(zhuǎn)入節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)處理。協(xié)調(diào)器還具備數(shù)據(jù)上傳功能，即可以上傳語音數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)信息到指定地面上的PC。
    如果設(shè)備是FFD類型設(shè)備，則該設(shè)備可以充當(dāng)路由器使用，初始化路由并發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請求。路由初始化成功后，F(xiàn)FD終端即可中繼數(shù)據(jù)或者充當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)接收語音數(shù)據(jù)以及進(jìn)行播放處理。最后一個分支是識別RFD設(shè)備，此時RFD設(shè)備成功入網(wǎng)后只可作為網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)，只具備語音收發(fā)播放功能而不可充當(dāng)路由器使用。

    本文針對常規(guī)井下語音通信效率低或者系統(tǒng)搭建成本過高的缺陷，提出使用先進(jìn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行語音通信的方案。針對ZigBee技術(shù)由于傳輸率低而無法適應(yīng)語音即時傳輸?shù)膯栴}，提出了使用高壓縮比的IMA-ADPCM語音壓縮算法對語音數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后傳輸，既保證了語音信號質(zhì)量也達(dá)到了低速率傳輸語音的目的。實(shí)驗(yàn)表明，本設(shè)計(jì)具備網(wǎng)絡(luò)自能特性，額定功耗為0.63 W，符合低功耗應(yīng)用場合，在礦井下通信中具有廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
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