煤矿井下语音通信与广播网络系统

陈春虎，蔡红专，许 林

（西京学院 理学院，陕西 西安 710000）

0 引言

煤炭是我国具有战略意义的最重要的不可再生能源之一，占到我国能源总量的60%以上。随着我国经济的快速发展，其消耗量也变得越来越大。根据五年煤炭生产计划，目前市场对煤炭的高需求增加了煤炭安全生产的压力。我国煤炭市场需求预计到2020年将达到70亿吨。我国的煤炭资源丰富，但是在开发利用过程中存在一定风险[1]。

国内外在语音通信领域做出了大量的工作并取得了不少成果。美国的学者于20世纪20年代开始，最先发起了对应用在矿井下的电磁波传输的研究和讨论。早起的井下通信研究都集中在有线方面，直到20世纪20年代，美国的矿业工程部门最早开始对矿井下的有线通信进行研究，而直到40年代末，矿井有线通信的研究才慢慢地广泛开展起来。随后在1968年，ESCS，USBM开始对矿井语音通信进行研究，并取得了一些理论成果。我国现有的通信技术最主要的形式为感应通信、动力线载波通信以及漏泄无线通信。但是这几种通信方式都有很大的缺陷[2]。

基于上述背景，本文设计了一种基于光纤传输的数字信号传输的煤矿井下语音通信系统和广播网络系统，系统充分考虑煤矿井下应用环境，采用光纤对数据进行传输，有效提高了系统的传输效率和抗干扰能力。

1 系统总体设计方案

本文设计的语音通信系统可以实现井下和井上的实时语音对讲及广播，成本低，效果好，采用光纤传输抗干扰能力强。其中终端由网络对讲模块、网络交换模块、语音功率放大模块以及音频服务端软件组成。语音对讲终端的功能如图1所示。

图1 对讲终端功能

2 系统硬件设计方案

根据系统设计的总体思路，主要的硬件模块包括主控模块、网络交换机模块、对讲及音频服务器、语音功率放大模块和电源模块。

2.1 主控模块电路

主控模块使用ST公司的ST M 32作为主控芯片。STM32是一款高性能、低成本、低功耗的微控制器。首先，STM32使用的ARM内核包含了非常通用和丰富的接口，方便开发人员利用引脚功能进行硬件开发。STM32尤其在功耗这方面控制得比较好，其次，实时性比较强，与语音通信系统开发的契合度高。与51单片机相比，STM32单片机对拥有更高的数据处理速度，与FPGA相比拥有更低的功耗。

2.2 网络交换机模块

以太网交换机是网桥技术跨时代的发展结果。本终端使用的网络交换机是航嘉光通的二光四电1 100M以太网光纤交换模块，可以实现远距离网络传输。用户可以选择全光端口配置，也可以选择光电端口混合配置，访问光纤介质可以是单模光纤或多模光纤。

以太网卡使用的是RTL8201F，一种快速以太网物理层收发器，48引脚单芯片。RTL8210F在安防，网络播放器等行业中都有广泛的运用，为语音系统的开发提供了很好的经验，目前广泛应用于以太网集线器和以太网交换机。

2.3 对讲及音频服务器

网络语音对讲模块是终端的核心，主要实现输入语音数据的采集和压缩编码、语音数据的解码输出以及以太网通信功能，例如深圳锐科达电子有限公司生产的2013C型网络语音对讲模块（见图2），该模块由于有网络功能，需配合上位机网管软件对各个终端的IP地址进行分配以及对对讲、广播、播放等功能进行控制。

图2 2013C型 网络语音对讲模块

2.4 音频功率放大模块

D类功率放大器是一种体积小、效率高的新型功率放大器。这种功率放大器理论上非常高效，最大功率可以接近100%，实际电路中接近达到90%，可轻松实现大电压和大电流的输出。D类功率放大器输出方波信号的频率远高于实际输入的信号频率、晶体管开关的操作方式等对输出功率管提出了较高的要求。这在很大程度上解释了D类放大器在音频放大领域没有得到广泛应用的原因。未来功率放大元器件的发展趋势是要求高效节能，因此D类元器件具有很大的研究潜力和实用价值。本文采用的就是PAM8610 D类音频功率板，符合本文的设计理念。

PAM8610是双声道D类音频功率放大模块，内含振荡器、双声道驱动和功率输出功率MOSFET开关管。内部振荡器250 kHZ，工作电压范围7～15V，推荐工作电压13V时，负载电阻8Ω情况下，输出功率10kW;工作效率达90%，设有过载保护、过热保护、短路保护电路。

音频解码部分使用的VS1003，它是一个单片MP3/WMA/MIDI音频解码器和ADPCM编码器。它包含一个高性能、自主产权的低功耗DSP处理器核VS_DSP，工作数据存储器，为用户应用提供5KB的指令RAM和0.5KB的数据RAM。麦克风输入信息经过单声道解码器VS1003处理后，再通过PAM8610功放板将语音信息传输至扬声器部分。

3 光纤通信

光纤通信原理主要基于光纤、光源、光检测，通过以光纤组成的光缆作为信息传播的传输线来达到信息传播。同传统技术相比，一是光纤通信技术的优点是通信容量大，二是通信损耗低，三是抗电磁干扰能力强，四是安全性高。光纤通信的优点完全契合煤矿井上井下实时语音通信的要求[3]。基本原理如图3所示。

图3 光纤通信基本原理

4 广播系统

矿井的广播网络系统在设计上应大体遵循3项原则：一是技术先进，功能实用。在煤矿井下最重要的就是能够及时高效地进行通话，并且在井下恶劣的环境下，保障传输的可靠性是最重要的；二是材料先进，保质保量，井下通信不同于普通通信，要求传输介质能够在井下平稳有效地工作；三是界面清晰直观，可高效进行检索信息，方便地面控制人员能够及时地把信息传送到特定的矿区[4]。矿区广播网络的流程如图4所示。

图4 广播流程

5 结语

该系统充分结合STM32处理速度快和DSP处理信号强的特点，实现了煤井上下实时语音通信的功能，基本解决了当前通信技术存在的单一和传输不稳定的特点。使用光纤传输极大地提高了灵敏度，几乎不会受到电磁噪声干扰。同时该系统通过对对讲模块的优化设计，使系统噪声大幅度下降。但是由于光纤质地脆，机械强度差，并且光线的切断和接续需要一定的工具、设备和技术。该系统提高了煤矿井下的安全性，取得了显著的社会效益。