基于CAN和WSN的煤矿语音通信系统设计

送出去。当没有声音信号输入时，它能够检测到静音并写入标志位。在解码器部分，当它检测到丢失一帧语音数据时，它能够依据上一帧数据尽量真实地预测下一帧语音数据，给出适当的语音信号，本系统选用AMBE2000的编码速率为2.4 kbps。AMBE2000的工作原理如图6所示。

2.3 CAN通信模块

CC2530没有集成CAN控制器，本设计选用了带有SPI接口的独立CAN控制器MCP2515，可方便与CC2530连接。本设计选用的是周立功公司的集成光耦、DC/DC隔离CAN收发器的CTM8251，该收发器具有DC 2500 V的隔离功能。CAN通信模块的电路如图7所示。

3 系统软件设计

系统的软件设计采用模块化设计方法，系统的工作流程为：

①模块初始化。模块初始化主要包括CC2530初始化、引脚初始化、无线模块初始化、CAN模块初始化、AMBE2000初始化等。

②正常工作模式。正常工作模式下采用的是CAN通信，因此无线模块处于休眠状态。系统检测通信按钮是否按下，当按钮按下时，启动语音处理及编解码模块，并通过CAN模块发送出去。当CAN模块接收到总线数据时，产生中断，CAN模块接收数据并送到语音处理模块进行解码。

③紧急状况模式。当系统出现异常情况时，会导致电源中断，通信电缆被切断，甚至有些节点遭到损坏无法正常工作。语音节点的无线模块启动，自动进行组网，改为通过无线来传输语音信号。同时在节点遭到损坏的区域，人工布置传感器节点，这些节点与语音节点自组织组网，形成新的无线传感器网络，来恢复和保障语音通信。

由于语音通信对系统的实时性要求比较高，而对传输过程中短暂的丢包和错误具有较高的容错率，因此传统的可靠传输控制协议并不完全适用于语音通信系统。本设计中，采用了一次握手，多个数据连续通信的不可靠数据报文传输机制，来保证语音通信的实时性。

4 系统测试

为了验证系统的语音通信性能，特别是无线语音通信性能，对系统进行了定量和定性两种试验测试。试验设备由语音节点、电源模块、信号发生器、声级计、扫频仪等组成。

4.1 定量试验一

系统试验方法为：两个节点通过无线传输，其中1号节点通过信号发生器输入不同幅值的1 kHz的正弦信号，通过分贝计在2号节点的喇叭正前方1 m处测试语音声强。测试连接示意图如图8所示。

经测试，语音声强可达到85dB，语音失真度小于15%。调节音频信号发生器，使信号频率从350～3 000 Hz变化，测得频响优于±6dB。

4.2 定量试验二

经过定量试验后，再对系统的语音质量进行定性测试。测试方法为：将接收节点固定，对发送节点距离不同情况下的语音音质、语音流畅度的情况进行定性判断。具体测试情况如表1所列。

经过测试，当节点距离在20 m内时，语音流畅、音质较好;在25 m内时开始出现颤音，但仍能满足语音通信的要求;在30 m时，语音质量开始下降;40 m时音质较差，无法满足语音通信要求。因此语音节点布置距离应保证在25 m以内，条件允许时应尽量保证在20 m内为宜。

结语

本文设计的井下语音通信系统，充分结合了有线通信和无线通信的优点，正常情况下采用CAN通信来传输语音信号，保证系统的稳定性和可靠性。紧急情况下采用无线通信来传输语音信号，并且能够通过人工布点的方式接续被破坏的节点，保障紧急情况下的语音通信。通过实验证明了系统声强、失真度、频响等性能指标均符合现场使用的要求，且现场布置时节点间距离以不大于25 m为宜。