本站原创摘 要 ：根据煤矿救灾应急的实际需要,提出了一种新型井下语音应急广播系统的设计方案,详细介绍该系统的设计原理、结构、主要功能和软硬件设计,重点阐述了系统发送端与接收端两个子系统实现的关键技术.运行结果表明,该系统稳定、可靠,音频播放流畅,能够满足矿井现场的实际需要.
关 键 词 ：煤矿；矿井安全；数字广播系统；网络广播；工业以太网
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）04-0850-03
随着能源需求的不断增大,国家增加了煤炭的开采量；与此同时,煤矿事故突发概率也随之增加.煤矿井下多发水、火、瓦斯、冲击地压等突发事故,危害性大,易造成人员伤害和财产损失.其中, 一些煤矿的井下通信设备的不完善是影响事故营救的主要因素.通常,当井下发生重大事故时,需要相关人员进行紧急撤离,显然这时候需要在第一时间通报到井下全部人员；而现有的调度往往很难做到这一点,因而会造成部分需要撤离人员收不到应急通知,延误救灾脱险的时机,或是因为得不到正确的撤离、避险的指挥引导而发生意外.为确保矿井突发灾害情况下,井下人员在第一时间内实现撤离,从而最大限度降低人员和财税损失,研发一套适用于现场实际情况,实用、便捷的煤矿井下语音应急广播系统成为了十分紧迫的任务.在本系统中,通过广播发送端和接受端,利用井下工业以太网作为传播介质,实现了井下语音广播终端实现了双工音频怎么写作；系统以标准IP 包的形式传送音频数据,可以较好地利用以太网解决语音信号远距离传输难题,并在此基础上实现了广播和双向通话功能.
1.系统设计原理与目标
由于煤矿井下环境潮湿,噪音较大；同时,区域分布广,环境安全要求特殊,传统的广播技术难以满足矿井要求.因此,煤矿井下语音应急扩播系统基于数字IP网络广播系统的设计原理进行构建与设计[1-2].数字IP网络广播系统,是基于 TCP/IP 协议的公共广播系统,采用 IP 局域网或 Inter 广域网作为数据传输平台.该系统具有以下特点：网络好,可实现Inter传输；音质好,系统支持音频码率8Kbps-320Kbps自适应,支持全部MP3格式文件的播放；稳定性好,系统支持TCP、IP、UDP网络协议,支持组播接收音频数据.
在数字IP网络广播系统中,是将经数字化的音频信号,在数字状态下进行压缩、编码、打包等处理.在本系统中,将模拟音频信号经过采集、量化、编码、压缩后形成的MP3格式的数字音频文件,以数据包形式按照自定义的MP3_Phone传输协议将音频文件通过工业以太网传送到井下语音广播终端,然后在广播终端进行D/A转换成还原成音频信号,经放大后驱动喇叭工作.
本系统的总体设计目标为：
1） 分区广播：可以同时对单点、多点或全部区域进行广播.
2） 全体广播：可以对所有终端进行广播.
3） 定时广播：可以按作息时间写作广播节目,定时播放.
4） 应急广播：拿起麦克风即可广播.
5） 宣传广播：可以播放背景音乐、领导讲话、语音宣传等.
2.系统设计方案
本系统基于TCP/IP、UDP协议,通过矿井的工业以太网在井上和井下之间传递数字音频数据,实现数字网络广播功能.系统主要由IP网络广播控制工控机、井下广播终端、井下广播音箱、光缆、电缆等组成.煤矿井下语音应急广播系统的整体结构如图1所示.同时,系统严格按照国家煤矿安全标准进行的安全技术设计,完全符合井下使用的设备防爆本安安全要求.
该系统采用C/S结构,煤矿井下语音应急广播系统的主要组成部分如下：
1）IP网络广播控制工控机,是本系统的核心,包含工控主机、基于ARM架构的语音采集终端、广播话筒、警告接口等.在工控机上上,安装自主开发的怎么写作器软件,可以对各个广播终端实现应急广播、实时广播、宣传广播、定时广播、分区广播、双向对讲等功能实施管理与控制.通过语音采集终端对音频数据进行采集,对将传输到井下各广播终端的音频流数据,按照自定义的MP3_Phone传输协议进行数字音频数据的打包处理.
2）井下广播终端,主要包括矿用本安型广播通信主机和矿用本安型广播分站两部分,此两部分设备同样基于ARM架构进行设计.矿用本安型广播通信主机可安装至井下工作面、大巷、迎头等高危地区,对广播控制工控机发送来的音频信号进行解析处理、解码并播放,并可对井下的异常情况进行报警,还可通过广播终端实现双向对讲功能,将该区域异常情况向控制室实现即时汇报.矿用本安型广播分站可安装至井下工作面、大巷等高危区域沿线,对广播通信主机解析处理后的音频信号进行广播,还可通过广播分站进行紧急呼叫,可实现和控制室的双向对讲功能,将该区域情况即时汇报.
3.关键技术及实现
煤矿井下语音应急广播系统由3个子系统所组成,分别是广播发送端子系统、以太网传输子系统和广播接收端子系统[3].其中,以太网传输子系统主要是指支持TCP/IP、UDP协议的矿井以太网网络.在此,传输子系统不作为系统研究的重点,重点讨论的是广播发送端子系统和广播接收端子系统两方面.广播发送端子系统主要负责语音数据的采集、压缩及实时发送,而广播接收端子系统则主要负责语音数据的接收、解压缩以及广播.
3.1 广播发送端子系统设计
广播发送端子系统主要由IP网络广播控制工控机和ARM语音采集终端构成,发送终端与接受终端的硬件与软件结构基本相似.其主要任务包括语音数据的采集与压缩,以及以利用UDP协议组播方式发送经压缩的语音数据.要实现实时语音组播的功能,就必须使上述的3个任务并发执行.为了实现此目的,在系统实现的过程中,需采用边采集、边压缩、边发送的并发执行方式.具体而言,一边通过ARM语音采集终端对下一个时间片的语音数据进行采集,形成N + 1块数据块；同时,广播控制工控机开始对上一个时间片的语音数据进行压缩,并把压缩后的数据,所形成N块数据块,以组播方式发送至矿井工业以太网上.在此,将每一个时间片采样的数据划分为一个数据块,则可以用图2来描述发送端子系统的工作流程. 3.2 接收端子系统设计
接受端的硬件CPU采用LuminaryMicro公司Cortex-M3内核的LM3S8962,内部集成10/100M以太网接口和SD/MMC读卡接口,语音的编码与解码芯片采用AMBE1000+CSP1027,MP3文件的解码采用VS1003芯片,接受端的软件架构采用国内RT-Thread开源的实时操作系统.与发送端子系统的工作任务相对应,接收端子系统并发处理过程中的工作任务同样包括3个任务,一是从以矿井太网络上接收数据,二是对接收得到的数据进行解压缩操作,最后是把已解压缩后的语音数据进行广播.其工作流程如下所述,每接收到一个数据包之后就拆包和解码,然后播放声音,从而形成一个完整的首尾相衔接流水式过程,实现多任务并发处理,可解决系统传输的间隙时间,避免播放过程中的卡音、停顿、卡死等现象的出现.接收端子系统的工作流程如图3所示.
3.3 MP3_Phone传输协议
在本系统中,通过Socket的数据传输方式,实现发送端和接收端之间的物理连接,基于UDP协议进行数据传输.Socket处于网络协议的传输层.Socket 传输具有以下的优点： 传输数据为字节级,传输数据可自定义；传输数据时间短,性能高；适合于客户端和怎么写作器端之间的信息实时交互；可以加密,以提高数据传输的安全性.
为了合理、有序协调发送端和接收端的Socket传输,在系统中,自定义了MP3_Phone传输协议,用于传送音频数据块.该传输协议的格式如表1所示,其中,数据块第1至4个字节为数据块的帧头校验位；音频数据块为传输的音频数据；数据块第8005和8806个字节为数据块的帧尾校验位.
4.结束语
煤矿井下语音应急广播系统利用井下工业以太网作为传播介质,实现了发送端与井下广播终端长距离的双工音频怎么写作和双向通话功能.系统在突发事故发生时,起到指引遇险的井下人员及时撤离避险的作用；同时,通过宣传广播、播放音乐的方式,在日常生产管理、舒缓井下人员情绪方面发挥了重要作用.工业现场应用表明：系统数据传输距离长、音频播放流畅、安全稳定性强.