基于ZigBee技术的井下语音通信系统设计

【摘要】为了煤矿井下工作人员更加方便的与井上人员进行通信联系，本文提出了一种基于zigbee技术的井下语音通信系统设计。本文提出了语音通信系统总体设计架构，并对ZigBee网络中传感器节点以及协调器节点进行软、硬件设计。

【关键词】ZigBee；语音通信系统；井下通信；CC2530

1.引言

煤矿井下条件复杂，井下人员之间以及井下人员与井上工作人员之间的实时通信问题是一个难题，特别是发生险情或事故时，通信问题尤其难以解决。与传统的有线调度系统相比较，采用无线通信系统不需要预先铺设线缆，对于一些地形比较复杂的区域来说，随时随地可在矿井中布置无线通信网络，将极大地提高井下人员的工作效率与发生矿难事故后的抢救效率[1]。在这种情况下，本文提出了一种基于ZigBee无线通信技术的井下语音通信系统研究，成功的将无线传感器网络的概念引入到煤矿行业应用里。

2.ZigBee网络概述

ZigBee网络是一种比较特殊的Ad-hoc网络，一般布置在布线比较困难且供电不易的地方，通过自组织的方式进行组网并通过多跳的形式进行数据发送[2]。传感器节点能够实时地采集并处理监测区域中的信息，并将采集的数据发送给远程监测中心。

在无线传感器网络中，传感器节点放置在待测区域中，不但可以收集相关的环境数据，而且能够进行简单的计算并维持节点之间的网络连接。传感器网络可以进行自组织，每个节点都经过初始的协商和通信，形成一个多跳传输数据的网络。每个无线传感器网络都必须有一个连接到传输网络的网关（协调器）。网关通过这个传输网络把从待测区域内采集的数据发送到远程监测中心。最后在上位机对采集到的数据经过处理后通过一个界面提供给监测者[3]。

3.语音系统总体设计

井下语音通信系统总体框架图如图1所示：

井上的协调器节点主要是负责整个ZigBee网络的组网，并负责整个ZigBee网络的维护工作。每一个ZigBee网络都有一个唯一的PanID号来对应，对于井下的工作人员所携带的传感器节点想要进行入网操作时，必须要进入ZigBee网络的覆盖范围内。一般ZigBee网络单点之间的传输距离大概在75米左右[4]。

传感器节点入网以后，通过装置MIC和AMBE-1000语音编码芯片采集井下工作人员的语音信号，并通过自组织的ZigBee网络发送到井上的协调器节点上，协调器节点接收到语音数据后，将数据发送到语音解码芯片上，声音的数字信号通过AD转换后通过扬声器发出声音[5]。

4.节点硬件总体设计

4.1 微处理器与射频模块电路设计

本系统选用的微处理器和射频模块芯片是TI公司的CC2530芯片，CC2530芯片是一个内部集成8051处理器和无线射频模块的真正的片上系统解决方案，其符合802.15.4标准，内置ZigBee 2007协议栈。CC2530芯片价格不高，而且拥有技术领先的RF收发器，内置工业级8051 CPU，系统内置可编程闪存，8-KB RAM，而且CC2530有四种不同的工作模式可供用户选择，运行模式之间的转换时间短进一步确保了低功耗。

4.2 电源模块电路设计

考虑到协调器的工作环境一般比较恶劣，直接供电非常不易。所以我们采用电池供电的方法。我们在电源模块电路设计中采用TPS79333+AMS1117设计方式，外部电源选用2节5V的锂电池进行供电。

4.3 AMBE-1000语音编码芯片与AD连接设计

模拟语音信号与AMBE-1000语音芯片之间要通过A/D-D/A芯片来连接。本系统使用的A/D-D/A芯片是可编程的（Lucent CSP1027），这样编程信息也可以通过命令帧传送。AMBE-1000通过引脚C_SEL[2-0]来配置与具体型号的A/D-D/A芯片的连接。当AMBE-1000的C_SEL2和C_SEL1接地，而C_SEL0接VCC时，表示AMBE-1000与CSP1027相连。

5.节点软件设计

软件编写主要是通过C语言编写，为了降低开发的难度，我们直接利用德州仪器公司的Z-Stack 2007协议栈，在协议栈的基础上进行应用层开发和设计。

5.1 传感器节点软件设计

传感器节点采用中断工作模式，当节点上电完成后首先进入到PM2低功耗模式，当发现有语音信号接收时，系统会自动转到主动模式，并进行数据传输工作，当数据传输工作完成后然后进入PM2模式，尽最大程度实现低功耗。

传感器节点接通电源上电后，进行软件初始化，接着循环扫描是否已经有可加入的网络，若发现有ZigBee，则节点根据我们组建的ZigBee网络的PanID号向ZigBee协调器发送入网请求，通过请求后成为此ZigBee网络的子节点。传感器节点加入网络成功后，开始等待语音信号的接收，并把接收到的语音信号发送到协调器节点上。

5.2 协调器节点软件设计

协调器节点软件设计的功能是接收传感器节点发送的语音编码数据，并把语音编码数据发送到语音解码芯片上解码，解码后的数据通过AD转换成模拟信号并发送到扬声器，同时CC2530还需要控制协调器的一些外设装备如液晶屏等，在功能上可以分成两部分，分别为ZigBee通信程序和AMBE-1000通信程序。

（1）ZigBee通信程序

ZigBee通信程序是进行协调器上的CC2530与传感器节点上的CC2530之间的通信，主要是负责接收由传感器节点发来的语音编码数据，即如果协调器上的CC2530收到语音编码数据，将激活协调器节点执行相应的命令。ZigBee通信程序采用了超时重发的机制，传感器节点每次通过射频模块发送数据到协调器，都会等待协调器节点一个确认帧，若协调器节点没发送确认帧，则ZigBee协调器默认通信失败，传感器节点会继续向协调器节点发送数据，同样协调器节点通过串口通信有线的方式将语音信号发送到上位机也需要确认帧进行数据确认。

（2）AMBE-1000通信程序

AMBE-1000通信程序的主要任务是完成CC2530芯片向AMBE-1000解码芯片发送语音数据的功能。CC2530向AMBE-1000解码器发送信息时需要对语音信息加上5个字的帧头信息。AMBE的发送帧和接收帧结构类似。帧头也是2个字节的0x13EC。地址ID有很多种情况，例如地址ID为0x01时是用软件进行语音编码速率的设置；当地址ID为0x00时表示的是语音数据。控制0（Control_0）在地址ID的值在0x00，0x01，0x02的情况下才有意义，它的功能由收到的状态0（Status_0）的值确定的。

6.结论

本文所提出的煤矿井下无线语音通信系统，采用的是现在流行的ZigBee无线传感器网络技术，在井下的传感器节点上装备语音芯片和MIC来采集语音信号，并把采集后的语音信号通过ZigBee网络上传到井上的协调器节点上，整套系统避免的传统方式的布线、建立中转站等繁琐过程。由于ZigBee网络的自组织性，使得下端的传感器节点可以随时随地的入网并进行语音通话，是一套低成本又实用的井下语音通信系统，具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]何志业.面向水环境监测的无线传感器网络网关设计[D].杭州：杭州电子科技大学，2010.

[2]严丽平.基于ZigBee与GPRS的嵌入式水质监测系统设计[J].计算机工程与设计，2011，32（5）：1638-1640.

[3]蒋鹏.基于无线传感器网络的湿地水环境远程实时监测系统关键技术研究[J].传感技术学报，2007，20（1）：183-186.

[4]蒋鹏.基于无线传感器网络的湿地水环境数据视频监测系统[J].传感技术学报，2009，22（2）：244-248.

[5]蒋鹏.基于WSN的水环境监测网关设计[J].计算机工程，2010，36（16）：213-215.