低功耗精確定位語音對講信息礦燈設(shè)計

戴劍波

（1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)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(fā)布《智能煤礦建設(shè)規(guī)范》省級地方標準，人員安全部分明確要求：應(yīng)具備精準定位，無線語音通話功能，危險狀態(tài)下逃生信息的實時獲取，應(yīng)對各種災(zāi)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(chǎn)行業(yè)標準《煤礦井下人員定位系統(tǒng)通用技術(shù)條件》，明確了人員定位技術(shù)指標，并提出定位標識卡須具有發(fā)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(jiān)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(xiàn)方式，產(chǎn)品設(shè)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(chǎn)生電磁輻射會對人體產(chǎn)生傷害。為此，設(shè)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(shù)相結(jié)合，內(nèi)置礦燈中，減少入井作業(yè)人員攜帶產(chǎn)品的數(shù)量，實現(xiàn)井下礦工高精度位置服務(wù)、與地面調(diào)度中心對講、分組對講、撤離語音提示、逃生路線導(dǎo)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(shè)計針對《礦用產(chǎn)品安全標志審核發(fā)放實施規(guī)則：礦燈及其附件》中內(nèi)容要求“通信部分不應(yīng)安裝在礦燈燈頭部分”的規(guī)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(shù)據(jù)）、定位指示燈、求救按鍵、蜂鳴器等電路設(shè)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(tài)指示燈、語音功能按鍵等電路設(shè)計安裝在燈頭，燈頭與電池盒之間電路采用4 芯礦用本質(zhì)安全型電纜連接。整機設(shè)計原理框圖如圖1。

圖1 整機設(shè)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(xiàn)井下作業(yè)人員位置信息獲取，硬件采用DecaWave 公司生產(chǎn)DW1000 芯片設(shè)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(tài)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(tài)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(shè)計原理圖如圖2。

圖2 UWB 精確定位硬件設(shè)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(fù)雜環(huán)境通信可靠性，射頻輸出設(shè)計功率放大器，采用亞德諾（ADI）公司HMC326 功率放大芯片，硬件設(shè)計從2個方面降低功耗，針對功率放大器，在發(fā)送時，通過GPIO4 管腳開啟U9，射頻信號經(jīng)過放大發(fā)送出去，在接收時，通過GPIO4 管腳關(guān)閉U9，射頻信號經(jīng)過C60旁路接收，從而降低功耗；針對DW1000 芯片內(nèi)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(zhuǎn)換芯片U3開啟和關(guān)閉，當(dāng)DW1000 處于睡眠或深度睡眠狀態(tài)時,禁用內(nèi)核供電來進一步降低功耗，U8和U10為收發(fā)切換射頻開關(guān)，U7為收發(fā)切換控制信號反相器，U6實現(xiàn)DW1000 差分射頻信號轉(zhuǎn)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(chǎn)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(tǒng)（RTOS）和WiFi 協(xié)議棧，集成了32位Tensilica 處理器、標準數(shù)字外設(shè)接口、天線開關(guān)、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(xiàn)WiFi 無線傳輸，WiFi 無線傳輸硬件設(shè)計原理圖如圖3。圖3 中，U2為射頻收發(fā)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(shè)計原理圖Fig.3 Schematic diagram of WiFi voice wireless transmission unit

軟件設(shè)置不同工作模式可降低功耗，井下有WiFi 網(wǎng)絡(luò)且有語音業(yè)務(wù)時，芯片接收、發(fā)送語音數(shù)據(jù)，平均工作電流105.2 mA；有WiFi 網(wǎng)絡(luò)但無語音業(yè)務(wù)時，進入調(diào)制解調(diào)休眠模式，此時芯片CPU 運行，在2 次DTIM Beacon 間隔時間內(nèi)，關(guān)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(dāng)在無WiFi 網(wǎng)絡(luò)環(huán)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(yīng)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(xù)工作11 h 后，定位卡還能繼續(xù)工作199 h 以上。

1.3 語音信號處理單元

現(xiàn)行應(yīng)用較多的語音編解碼方式是G.711、G.729 等，語音質(zhì)量較好，但編碼算法復(fù)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(tǒng)中，可以降低語音編解碼算法的復(fù)雜度和降低語音編碼所需的帶寬，在固定帶寬內(nèi)增加傳輸?shù)男畔⒘?，傳送更多路?shù)話音壓縮數(shù)據(jù)，擴大通信容量，達到相同甚至更高的語音質(zhì)量，適合應(yīng)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(xiàn)語音的實時編解碼，內(nèi)置編碼譯碼器，可直接外接麥克風(fēng)和喇叭，單芯片實現(xiàn)語音編解碼，降低產(chǎn)品設(shè)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(shè)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(shù)字化后壓縮至2～9.6 kbps，并同時實現(xiàn)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(xù)性；C5、C17分別為音頻信號輸入、輸出隔直電容，煤礦井下環(huán)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(diào)節(jié)聲音采集放大倍數(shù)；U3為喇叭輸出放大芯片，通過調(diào)節(jié)PA_SD 管腳脈沖，實現(xiàn)不同增益選擇，可分別設(shè)置增益為12、16、24、27.5 dB 4種狀態(tài)，同時開啟防破音功能。當(dāng)PA_SD 信號拉低持續(xù)500 μs，U3芯片進入關(guān)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(yè)務(wù)時，處于關(guān)閉狀態(tài)，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(fā)，主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及傳輸、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)3 部分組成。軟件設(shè)計示意框圖如圖5。

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

數(shù)據(jù)采集部分主要實現(xiàn)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(fēng)采集語音信息、井下作業(yè)人員位置信息及不同功能按鍵信息；數(shù)據(jù)處理及傳輸部分實現(xiàn)信息礦燈各單元模塊低功耗休眠、喚醒，語音數(shù)據(jù)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?shù)?；?shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)部分實現(xiàn)精確定位信息上傳、緊急情況上傳呼救、緊急情況下發(fā)接收撤離、地面與井下調(diào)度對講、地面對井下環(huán)境調(diào)度監(jiān)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(diào)度中心根據(jù)危險源位置信息對周圍作業(yè)人員下發(fā)播放語音逃生路線信息、緊急撤離時語音提示等。

3 結(jié) 語

精確定位語音對講信息礦燈的設(shè)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(chǎn)品存在的問題；同時為了提高產(chǎn)品維護的便捷性，采用無限循環(huán)多次廣播機制發(fā)送升級包數(shù)據(jù)，支持多設(shè)備、遠距離、不受限同時無線升級，能夠滿足煤礦現(xiàn)場精確定位升級改造維護的需求。信息礦燈方便作業(yè)人員隨身攜帶，在煤礦安全生產(chǎn)事故的緊急情況下，通過地面調(diào)度指揮中心可以統(tǒng)一調(diào)度安排，對井下作業(yè)人員定點、定區(qū)域或全體廣播，使其井下作業(yè)人員及時撤離到達指定安全地點，筑牢井下作業(yè)安全防線，為煤礦安全生產(chǎn)保駕護航。