低功耗精确定位语音对讲信息矿灯设计

戴剑波

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039）

2020 年7 月，山西省发布《智能煤矿建设规范》省级地方标准，人员安全部分明确要求：应具备精准定位，无线语音通话功能，危险状态下逃生信息的实时获取，应对各种灾害的可靠逃生信息等[1]。2020 年由孙继平起草的中华人民共和国安全生产行业标准《煤矿井下人员定位系统通用技术条件》，明确了人员定位技术指标，并提出定位标识卡须具有发出事故报警，接收事故撤人命令、并声光报警等功能[2]。

目前，市场上具有精确定位，同时附加语音通信、视频拍照、视频监控功能的信息矿灯基本采用WiFi 无线通信传输，语音采集处理采用处理器、编解码器、功放器等分立元件实现方式，产品设计成本较高，不适宜普遍推广，同时其功耗较大，缩短矿灯照明时间，影响矿工井下安全工作；由于受矿灯灯盒空间限制，WiFi 无线传输及语音采集处理模块安装于矿灯灯头部分，长时间WiFi 信号产生电磁辐射会对人体产生伤害。为此，设计了一种低功耗精确定位语音对讲信息矿灯，将UWB 高精度定位、WiFi 无线通信传输、语音信号压缩编码等技术相结合，内置矿灯中，减少入井作业人员携带产品的数量，实现井下矿工高精度位置服务、与地面调度中心对讲、分组对讲、撤离语音提示、逃生路线导播等多功能融合，同时，矿灯具有无线程序升级功能，避免修改功能频繁拆卸矿灯[3-6]。

1 精确定位语音对讲信息矿灯原理及硬件

精确定位语音对讲信息矿灯整机设计针对《矿用产品安全标志审核发放实施规则：矿灯及其附件》中内容要求“通信部分不应安装在矿灯灯头部分”的规定，将无线通信部分UWB 精确定位单元、语音对讲无线传输单元、主CPU 处理单元、FLASH 存储器（存储无线升级程序及语音缓存数据）、定位指示灯、求救按键、蜂鸣器等电路设计安装在矿灯电池盒；语音信号编解码处理单元、语音信号放大单元、语音信号采集麦克、语音信号播放喇叭、从CPU 处理单元、FLASH 存储器、语音状态指示灯、语音功能按键等电路设计安装在灯头，灯头与电池盒之间电路采用4 芯矿用本质安全型电缆连接。整机设计原理框图如图1。

图1 整机设计原理框图Fig.1 Block diagram of the whole machine

1.1 精确定位单元

精确定位单元主要实现井下作业人员位置信息获取，硬件采用DecaWave 公司生产DW1000 芯片设计，符合IEEE 802.15.4-2011 超宽带标准，满足实时、高精度、高可靠的定位要求，采用飞行时间测距算法（TOF），其定位精度静态条件下理论值为30 cm，采用到达时间差算法（TDOA），其定位精度静态条件下理论值为10 cm，定位精度满足标准要求[7-9]。UWB 精确定位硬件设计原理图如图2。

图2 UWB 精确定位硬件设计原理图Fig.2 Schematic diagram of UWB precise positioning hardware design

为保证精确定位语音对讲矿灯在井下复杂环境通信可靠性，射频输出设计功率放大器，采用亚德诺（ADI）公司HMC326 功率放大芯片，硬件设计从2个方面降低功耗，针对功率放大器，在发送时，通过GPIO4 管脚开启U9，射频信号经过放大发送出去，在接收时，通过GPIO4 管脚关闭U9，射频信号经过C60旁路接收，从而降低功耗；针对DW1000 芯片内核供电VDDLDOD、VDDLDOD，首先用1.8 V 低压模式供电，同时，通过EXTON 引脚控制外部DC-DC转换芯片U3开启和关闭，当DW1000 处于睡眠或深度睡眠状态时,禁用内核供电来进一步降低功耗，U8和U10为收发切换射频开关，U7为收发切换控制信号反相器，U6实现DW1000 差分射频信号转换为单端射频信号。

1.2 语音无线传输单元

语音无线传输采用国产乐鑫公司ESP8266EX WiFi 芯片，CPU 时钟速度最高可达160 MHz，支持实时操作系统（RTOS）和WiFi 协议栈，集成了32位Tensilica 处理器、标准数字外设接口、天线开关、射频巴伦、功率放大器、低噪放大器和电源管理模块等，只需要很少的外围电路即可实现WiFi 无线传输，WiFi 无线传输硬件设计原理图如图3。图3 中，U2为射频收发天线，C6滤除二次谐波，L2和C7配合C6对天线进行阻抗匹配。

图3 WiFi 语音无线传输单元设计原理图Fig.3 Schematic diagram of WiFi voice wireless transmission unit

软件设置不同工作模式可降低功耗，井下有WiFi 网络且有语音业务时，芯片接收、发送语音数据，平均工作电流105.2 mA；有WiFi 网络但无语音业务时，进入调制解调休眠模式，此时芯片CPU 运行，在2 次DTIM Beacon 间隔时间内，关闭芯片WiFi 模块电路，在下一次Beacon 到来前自动唤醒，休眠时间由基站的DTIM Beacon 时间决定，平均工作电流19 mA；当在无WiFi 网络环境下，进入深度睡眠模式，此时只有RTC 正常工作，芯片的所有其他组件都断电，通过定时唤醒芯片工作，工作电流为20 μA。通过这3 种休眠模式的应用，信息矿灯功耗可以大大降低，保证矿灯最大负载条件下连续工作11 h 后，定位卡还能继续工作199 h 以上。

1.3 语音信号处理单元

现行应用较多的语音编解码方式是G.711、G.729 等，语音质量较好，但编码算法复杂、传输带宽较高等缺点。将AMBE（多带激励）超低速率语音编解算法引入到煤矿井下语音对讲系统中，可以降低语音编解码算法的复杂度和降低语音编码所需的带宽，在固定带宽内增加传输的信息量，传送更多路数话音压缩数据，扩大通信容量，达到相同甚至更高的语音质量，适合应用于超低功耗无线传输终端中，可以延长信息矿灯使用时间，同时，声码器可单芯片实现语音的实时编解码，内置编码译码器，可直接外接麦克风和喇叭，单芯片实现语音编解码，降低产品设计成本[10]。语音信号处理电路如图4。

图4 语音信号处理单元设计原理图Fig.4 Schematic diagram of the voice signal processing unit

图4 中，U1为语音编解码芯片，采用AMBE 编解码压缩方式，可将模拟语音信号数字化后压缩至2～9.6 kbps，并同时实现解码过程，合成为模拟语音信号输出，比普通语音传输格式占用带宽降低10 倍以上，外置铁电存储器缓存，提高语音播放连续性；C5、C17分别为音频信号输入、输出隔直电容，煤矿井下环境噪音较大，音频采集及输出分别增加放大电路，提高声音输出响度；U2为麦克放大芯片，改变R5、R6的阻值调节声音采集放大倍数；U3为喇叭输出放大芯片，通过调节PA_SD 管脚脉冲，实现不同增益选择，可分别设置增益为12、16、24、27.5 dB 4种状态，同时开启防破音功能。当PA_SD 信号拉低持续500 μs，U3芯片进入关断模式，电源电流低至0.1 μA 以下，MOS 管Q1控制语音信号处理单元供电，在没有语音业务时，处于关闭状态，降低功耗。

2 精确定位语音对讲信息矿灯软件

信息矿灯软件采用基于ARM 嵌入式平台开发，主要由数据采集、数据处理及传输、数据业务应用服务3 部分组成。软件设计示意框图如图5。

图5 软件设计示意框图Fig.5 Schematic block diagram of software design

数据采集部分主要实现A/D 采样接口采集电池电量信息、语音编解码芯片通过麦克风采集语音信息、井下作业人员位置信息及不同功能按键信息；数据处理及传输部分实现信息矿灯各单元模块低功耗休眠、唤醒，语音数据编解码压缩传输、通过无线方式程序升级、采集位置信息通过定位测距算法处理及传输等；数据业务应用服务部分实现精确定位信息上传、紧急情况上传呼救、紧急情况下发接收撤离、地面与井下调度对讲、地面对井下环境调度监听、井下同一班组分组对讲、地面对井下同一班组分组广播消息、危险紧急情况下，调度中心根据危险源位置信息对周围作业人员下发播放语音逃生路线信息、紧急撤离时语音提示等。

3 结 语

精确定位语音对讲信息矿灯的设计从功耗、成本、无线信号置于灯头信号辐射等方面解决了目前市场上已有产品存在的问题；同时为了提高产品维护的便捷性，采用无限循环多次广播机制发送升级包数据，支持多设备、远距离、不受限同时无线升级，能够满足煤矿现场精确定位升级改造维护的需求。信息矿灯方便作业人员随身携带，在煤矿安全生产事故的紧急情况下，通过地面调度指挥中心可以统一调度安排，对井下作业人员定点、定区域或全体广播，使其井下作业人员及时撤离到达指定安全地点，筑牢井下作业安全防线，为煤矿安全生产保驾护航。