基于ZigBee技术的井下语音通信系统设计

基于ZigBee技术的井下语音通信系统设计作者：曾永华

来源：《电子世界》2013年第14期

【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