目前，國內的井下語音通信大多采用溝通效率較低的有線防爆電話或者成本高昂的井下3G通信[1]。由于在井下有線通信系統安裝復雜，而且通話裝置(如防爆話機)通常位置固定，從而造成了井下作業溝通效率的低下。國內中小型礦井眾多，井下3G無線通信系統成本過高，很多企業無法承擔架設費用。因此，對搭建靈活且功耗和成本低廉的語音通信裝置的需求尤為迫切。

    本文使用新興的短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的ZigBee技術[2]以及具有高壓縮比和高還原音質的語音壓縮算法IMA-ADPCM，解決了以往井下語音通信設備成本昂貴、使用不靈活、通信效率低的問題。經驗證，本語音通信終端井下實測點對點穩定通信距離為28.76 m，語音信號傳輸誤碼率為1.95%，額定功耗為0.63 W。
1 系統方案和模塊原理
1.1 語音終端設計原理
    本文設計的語音終端系統組成原理框圖如圖1所示。其工作原理是：聲音信號由麥克風輸入，由語音采集模塊將之轉換成數字信號；CPLD被設計成語音壓縮和解壓縮模塊，負責對語音數字信號進行壓縮或者解壓縮處理。STM32W108是高性能的IEEE 802.15.4無線片上系統(SoC)，集成2.4 GHz IEEE 802.15.4兼容的收發器以及基于ZigBee系統的外設，是本系統的核心，負責數據的交互和ZigBee應用程序管理[3]。數據由STM32W108的ZigBee外設發出，再經過2.4 GHz射頻放大模塊進行功率放大，最后輻射到信道中。這樣做目的是增加信號強度和提高有效通信距離。當接收語音信號時，語音數據經過CPLD進行解壓縮后，經由語音播放模塊輸出音頻信號。

1.2 語音壓縮及解壓縮模塊的設計
    由于ZigBee為低速率(<250 kb/s)無線網絡技術，如果語音不經過壓縮處理，則無法很好地適用于該技術。本設計采用IMA-ADPCM，即自適應差分脈沖編碼調制算法，該算法壓縮比為4:1，符合低空間消耗、高質量、高效率的要求[4]。為了降低核心MCU的負擔，語音編解碼的任務由CPLD承擔。

    基于CPLD的語音編解碼模塊的設計框圖如圖3所示。該模塊由時鐘模塊、編碼器和解碼器、數據存儲器以及中央控制單元構成。控制單元負責與STM32W108進行控制和數據交互。進行語音編碼時，存儲器存儲ADPCM碼數據，解碼時則暫存PCM數據，數據經由控制元傳輸至STM32W108進行進一步處理。

1.3 語音編解碼算法性能評估
    為模擬真實通話環境，將普通語音錄入PC，然后處理成采樣率為44.1 kHz、碼寬為16 bit、格式為wav的音頻文件。將wav文件導入Matlab中進行IMA-ADPCM進行編解碼處理，將原始語音信號和解碼還原后的語音信號進行比對和誤碼率計算，結果如圖4所示。根據波形比對和人耳辨識，語音還原質量較高。經計算，本設計的語音編解碼器的平均誤碼率僅為1.95%。

2 組網節點分析和軟件方案設計
2.1 組網節點分析
    ZigBee網絡設備類型主要有3種。第1種是網絡協調器(Coord)，其功能是發送網絡信標，建立網絡，管理網絡節點，備份網絡節點信息，搜尋一對節點間的路徑[5]。而本設計中語音終端則被設計成第2或第3種設備，即全功能設備(FFD)或者精簡功能設備(RFD)。FFD包含由標準指定的所有IEEE802.15.4功能和特性，在空閑時充當網絡路由器，也能作為終端設備使用。由于礦井下通信的節點位置隨機性高，為了保證其可靠性和穩定性，優先考慮將語音終端設計為FFD類型設備。為降低成本和復雜性，RFD只包含有限的功能，在網絡中只能用作終端設備，RFD由于省掉了內存和其他電路，所以降低了ZigBee部件的成本。當然，在礦井下工作位置相對固定的情況下，邊緣位置節點亦可以采用RFD類型的設備以達到節約成本的目的。
    本設計采用的網絡拓撲類型為網狀網，通用情況下所有節點類型的組網如圖5所示。其中節點4為FFD類型設備，節點7為RFD類型設備。當節點4和節點7加入網絡時，可能產生可用的新路徑如圖中虛線所示。此時，假定節點8向節點2發起通信，則路由器算法根據每個節點的路由表項信息搜索新的最佳路徑，路徑8、7、6、5、2(方向從左到右)已經過時，最優新路徑8、7、4、2(方向從左到右)將被采用。

    如果設備是網絡協調器，則主動進行該區域的網絡組建流程，直至自組網建立成功方可對網絡狀態進行監控。當協調器檢測到新節點加入網絡的請求時，會轉入節點入網處理。協調器還具備數據上傳功能，即可以上傳語音數據和網絡信息到指定地面上的PC。
    如果設備是FFD類型設備，則該設備可以充當路由器使用，初始化路由并發送加入網絡請求。路由初始化成功后，FFD終端即可中繼數據或者充當目的節點接收語音數據以及進行播放處理。最后一個分支是識別RFD設備，此時RFD設備成功入網后只可作為網絡邊緣節點，只具備語音收發播放功能而不可充當路由器使用。

    本文針對常規井下語音通信效率低或者系統搭建成本過高的缺陷，提出使用先進的ZigBee網絡技術進行語音通信的方案。針對ZigBee技術由于傳輸率低而無法適應語音即時傳輸的問題，提出了使用高壓縮比的IMA-ADPCM語音壓縮算法對語音數據進行壓縮后傳輸，既保證了語音信號質量也達到了低速率傳輸語音的目的。實驗表明，本設計具備網絡自能特性，額定功耗為0.63 W，符合低功耗應用場合，在礦井下通信中具有廣闊的應用前景。
參考文獻
[1] 汪海濤，曹娜.淺談基于TD-SCDMA技術的KT151無線通信系統在煤礦中的應用[J].Intelligent Building & City Information，2011(9)：15-17.
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[3] 沈建華，郝立平.STM32W無線射頻ZigBee單片機原理與應用[M].北京：北京航空航天大學，2010.
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[5] MAHMOUD A Q，JEEDELLA J，MAJID S.An integrated wireless indoor navigation system for visually impaired[J]. Systems Conference(SysCon)，2011 IEEE International，4-7，2011(4):17-23.