CN105872274A - 无主机控制基于数字通讯的语音与数据混合通讯系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无主机控制基于数字通讯的语音与数据混合通讯系统，由节点、数字通讯链路、采集设备以及终端组成，采集设备采集语音、播放、文字、图像和传感器信息，节点包括管理节点、分支节点和交换节点，采集设备与对应的节点相连，数字通讯链路为双向通讯结构，每段通讯链路仅连接相邻两节点，整个网络拓扑采用散射形式，无闭合回路，回路以终端为终点。系统解决线路成本高的问题，又便于系统安装。可用于腐蚀、多尘、潮湿、高噪、气体爆炸危险等各种特殊环境下的语音与数据传输。该系统采用分散多跳式数字通讯方法，具有成本低廉、功能完善、扩充容易、话音清晰、运行稳定、操作灵活、维护简便，故障隔离等特点。

Description

无主机控制基于数字通讯的语音与数据混合通讯系统

技术领域

本发明涉及一种通讯系统，特别涉及一种无主机控制基于数字通讯的语音与数据混合通讯系统。

背景技术

传统防爆领域的无主机通话系统为每路语音信道单独开辟一根电缆,由于无主机系统没有交换机设备,所以传统方案仅通过单独控制电缆(信号电缆或数字通讯电缆)控制继电器操作实现信道语音的播放、切换、拨号、挂断等操作，占用了大量的电缆，另一方面，由于防爆厂区安全需要，相邻话机的间隔距离较长，防爆电缆的消耗非常客观。

发明内容

本发明是针对传统防爆领域的无主机通话系统存在的问题，提出了一种无主机控制基于数字通讯的语音与数据混合通讯系统，系统中各通讯设备的信息通过节点和数字通讯链路传输，仅利用一根通讯链路就同时实现了终端控制、实时语音、数字消息的综合传输，即解决线路成本高的问题，又便于系统安装，大大节约了布线成本。

本发明的技术方案为：一种无主机控制基于数字通讯的语音与数据混合通讯系统，由节点、数字通讯链路、采集设备以及终端组成，采集设备采集语音、播放、文字、图像和传感器信息，节点包括管理节点、分支节点和交换节点，采集设备与对应的节点相连，数字通讯链路为双向通讯结构，每段通讯链路仅连接相邻两节点，整个网络拓扑采用散射形式，无闭合回路，回路以终端为终点。

所述终端为末端设备或软件设置的节点接口。

所述系统中数字通讯链路采用485总线、422总线、CAN总线、网线、光纤串行总线、多路串行总线中的任意一种或多种。

所述交换节点实现相邻两边节点的数据交换传输，分支节点实现多路数据交换传输，管理节点用于系统监控，各个节点的协议栈结构相同。

所述交换节点的协议栈包括底层的数据链路层、中间层和应用层，语音数据与数字数据统一使用数据链路层进行对外数据传输；中间层承上启下对语音数据信道解析无应答传输、对数字数据应答传输；应用层对语音数据进行信号处理和播放，应用层对数字数据录入、显示及控制响应。

所述管理节点对整个系统进行管理，解析和监听网络中其它节点传播的语音数据，监测其他节点发布的数字消息。

本发明的有益效果在于：本发明无主机控制基于数字通讯的语音与数据混合通讯系统，该套通讯系统可用于腐蚀、多尘、潮湿、高噪、气体爆炸危险等各种特殊环境下的语音与数据传输。从而实现高品质的扩音呼叫与对讲通讯服务，文本信息显示服务，现场传感信号采集服务等。该系统采用分散多跳式数字通讯方法，具有成本低廉、功能完善、扩充容易、话音清晰、运行稳定、操作灵活、维护简便，故障隔离等特点。在此系统基础上可实现实时多通道双方或多方双工通话、组呼、全呼、广播、分区、火灾报警、录音、程控、文本显示、传感数据汇集、网络分布式控制等功能。

附图说明

图1为本发明无主机控制基于数字通讯的语音与数据混合通讯系统拓扑示意图；

图2为本发明三交换节点协议栈示意图；

图3为本发明三交换节点单通道语音数据应用层功能示意图；

图4为本发明分支节点语音数据应用层功能示意图；

图5为本发明数字数据网络层处理过程示意图。

具体实施方式

本混合通讯系统组成如图1所示，系统主要由节点和数字通讯链路以及相应语音采集、播放设备，文字信息录入、显示设备，分布式传感器等采集设备组成。

节点与数字通讯链路是该系统的主要组成部分，其中节点包括管理节点（①），分支节点（④、⑩），交换节点（②、③、⑤、⑦、⑧、⑨、⑪、⑬）。数字通讯链路为双向通讯结构，每段通讯链路仅连接相邻两节点，不直接相连，通讯数据需要通过节点进行交换，节点处可安装信息收集和显示设备；语音数据相关设备包括电话听筒，拾音器，放大设备为扩音器；数字相关设备包括显示器、大屏幕、键盘等。整个网络拓扑采用散射形式，无闭合回路，终端可以使用末端设备标志（⑥、⑫、⑭），也可以通过软件设置节点接口为终端。系统可主要采用总线串联形式拓扑，节省系统安装电缆，如图1主回路①-②-③-④-⑦-⑧-⑨-⑩-⑬所示，其他分支节点可以形成分支子线路。

相对于传统总线式无主机语音电话系统，本通讯系统无论语音信息还是数据信息均采用相同数字信道进行复用通讯，其中数字通讯链路可采用485总线（单工两线）、422总线（双工4线）、CAN总线（单工两线）、网线（屏蔽非屏蔽网线）、光纤等串行总线，也可为增加带宽，使用多路串行总线来实现两节点通讯。

节点实现了数据的转发与处理，其中交换节点可以实现相邻两边节点的数据交换传输，分支节点可以实现3路数据交换传输，而管理节点用于系统监控。以交换节点为例，其协议栈结构如图2所示。

图2示例了三个交换节点的数据传输，其中每个交换节点的协议栈包括底层的数据链路层、中间层和应用层。系统对语音数据与数字（文本）数据采用了不同处理方式，但是统一使用数据链路层进行数据传输。

本系统在节点的数据链路层进行连接，连接拓扑形式包括串联和树形连接，构成了一个信息多跳的数据传播网络。其中语音数据与数字数据的处理与传输机制有显著不同，但是底层利用了统一的数据链路层进行数据通讯。

语音数据传输：由于语音数据具有实时性，而且对于语音接收者而言，小的语音传输错误不影响语义的理解。所以本系统中间层协议栈采用了无应答的语音传输服务。类似传统模拟电话系统采用硬件通讯线路来复用模拟信道，本系统使用数据链路层语音数据传播、融合的方式来构建类似模拟混合线路的数字通道。

以图1节点③为例，对于语音数据，其接收节点②传播过来的语音数据再实时融合自己采集的语音数据一并传递给节点④，反过来，节点③也同时接收节点④的语音数据，然后实时融合本节点的语音数据再发送给节点②，这样就实现了语音数据的双向扩散传播，融合方法采用数字加法，在协议栈的应用层实现，如图2所示；对于分支节点④，语音数据需要使用同样的交换方法来向③⑤⑦节点传输。在数据链路层传输的语音数据帧还区分了语音信道，以实现类似模拟电话系统的不同信道复用通讯的效果。为提高传输速度，需要对语音数据进行压缩传输，在节点处进行解压混合，压缩算法可以采用音频有损压缩方法，以提高压缩率。

语音数据应用层：以交换节点为例，单通道语音应用层功能示意如图3所示。语音数据的下层协议栈接口为图2的中间层和底层，经过这两层协议栈解析，可以获得但通道的1个采样段的语音压缩数据报文，对该报文进行解压，混合本节点在同样时段长度内实时采集的语音数据，再将混合后的数据进行压缩交换到另一个端的下层协议栈接口去，从而实现了语音数据得交换。两端口的语音压缩数据解压后再混合，由电话听筒或者扬声器对混合后的数据进行播放。本系统采用统一的语音采样频率8kbps，每固定时间间隙（30ms）的语音数据进行压缩，形成相同长度的语音压缩包用于传输。

分支节点的语音数据应用层结构如图4所示，本系统分支节点采用3通道（应不限于3通道），将同时对3个通道的语音数据进行解压、相互混合、压缩交换、混合播放。解压、压缩模块1、2、3分别从底层数据链路层和中间层获取语音数据报文，同时也发射对应的语音数据报文，最终实现3路数据链路的语音传播连接。系统语音数据应用层可以在数字线路上建立实时通话语音信道，在数据链路层带宽足够的前提下，能获得较好的通话质量，并且也有利于数字语音增强算法的应用。

数字数据传输及其应用层：数字数据用于系统控制，监视，系统节点传感数据读取与节点出信息大屏幕显示。其中数字控制信息可用于拨号控制、打开节点扬声器进行广播、挂断提醒等功能；文本数据可用于大屏幕文字信息显示，如图1⑰所示；节点附近传感器可以将收集的环境信息以数据的形式传送到控制室，形成传感器网络，图1显示了传感器的分布形式。

如图2所示，数字数据传输在底层与语音数据共用数据链路层，以数据帧的形式向外发射数据流；数字数据的网络层可以为每个节点定义网络地址，并针对该地址进行网络报文内消息的组合与解析，接收属于自己网络地址的消息可供传输层、应用层使用；数字数据的传输层为文本通讯提供了可靠的数据应答服务，即数据发射方发出数据请求，经过传播成功到达接收方后，会对该请求产生应答，以确保数据成功传输，如果长时间没有收到应答，会进行数据重新发射。数字数据的应用层主要用于信息录入、信息显示以及信息处理。

数据链路层（底层）：本系统的数据链路层的主要功能是建立相邻两通讯节点的通讯连接，实现帧同步、传输差错检测、帧序号监测、帧长度控制等功能，其接收上层的语音报文与文本数据报文，封装成帧结构进行传输，具体帧结构如表1所示。

表1

帧同步标志

帧长度

帧序号

上层数据报文

帧校验

帧同步标志(可选)

其中帧同步标志位用于区分数据帧的开始与结束，帧长度描述全帧数据的长度，帧序号用于检测帧发射、接收的连续性，帧校验用于检测帧传输错误，上层数据报文包含语音信道数据和文本数据消息。

语音信道解析与数字数据可靠传输：如图2所示，本系统节点的中间层对语音数据与数字数据作了分别有不同的处理。

语音数据中间层：语音数据的中间层主要根据语音信道构成语音报文，语音信道的划分相当于模拟电话系统的模拟线路与复用信道，该层协议栈将不同信道的语音压缩数据融合向下通过数据链路层发送，向上解析不同信道给语音数据应用层使用。语音报文结构如表2所示。

表2

报文类型标志

报文长度

信道号标志

信道语音压缩数据

其中报文类型标志标识报文是语音数据还是数字数据，报文长度表示整体报文的数据长度，信道标志标识该报文所含语音数据所在信道，信道语音压缩数据按照信道号排列，由于每个信道的语音数据长度固定，该部分数据是单个信道数据的整数倍。

数字数据中间层（网络层）：数字数据的中间层包括网络层与传输层两部分，其中网络层提供了节点的网络地址，能够实现数据报文构成，应用层数据消息编队成组，网络曾根据地址从接收消息组中提取消息，其他目的节点的消息组以报文的形式存储转发，网络层报文结构如表3所示，报文结构的第一部分与表2所示的语音数据报文结构一致，报文类型标志标识了报文的类型属于数字（文本）数据内容，报文的消息个数表示该报文包含应用层消息的数目。最后为该报文所包含所有消息的内容。

表3

报文类型标志

消息个数

应用层消息组

其中消息组是由消息组成的，消息结构如表4所示。包括源地址、目的地址 、消息名、消息长度、消息附加数据，其中源地址表示消息来源，目的地址表示消息目的，消息名标识了消息接收方需要执行什么样的服务，消息长度与消息数据描述了该消息服务执行所必需的数据。

表4

源地址

目的地址

消息名

消息长度

消息附加数据

数字数据网络层处理过程如图5所示，节点的网络层会根据自身网络地址来匹配接收到的消息组，并取出目的地址与自身地址相同的消息向应用层推送，然后从消息组中删除该消息，其余消息继续向后交换传递，数字数据应用层形成的消息同样加上源地址与目的地址，然后附加到要传递的消息组中，再以网络报文的形式向其他节点传递。可在分支节点上设计路由表，帮助网络报文的传输找到正确的传输端口。

数字（文本）数据中间层（传输层）：当需要网络中两点通讯作可靠数据传输时，就需要使用请求应答机制，本系统使用数字数据的传输层来实现数据基于应答的可靠传输，当网络中某节点向另一节点发送数据，另一节点接收到该消息后，传输层会对该消息的来源端口进行应答，当发送方收到该请求的正确应答，则认为消息正确发送，否则重新有限次试探发送，直到发送成功为止。

管理机制：管理节点用于对整个系统进行管理，其具有与其它节点相同的协议栈结构，能够解析和监听网络中其它节点传播的语音数据，监测其他节点发布的数字(文本)消息，可实现如下主要功能：在控制室内部进行语音广播，系统节点拓扑建立，传感器数据汇集显示，节点失效错误管理等。

数字(文本)数据广播：管理节点布置在控制室内，其可以发送目的地址为0的文本消息用于文本消息和控制消息广播，其他节点接收到该广播报文后，都会取出地址为0的消息进行响应，并且不删除该消息，令该消息一直传播到网络终端，从而实现全局广播控制。

节点拓扑建立（路由表建立）：管理节点发送建立路由广播，其他节点接收到该广播后，向邻居节点发送地址为1的消息，消息内容为请求邻居节点地址，并附带自身网络地址，邻居节点接收到该网络报文后，便将该报文中的邻居信息提取，将消息内部的邻居地址注册成节点对应数据链路层端口的地址，并从报文中清除该消息，然后将自身地址，数据链路层的端口号与其对应的邻居网络地址打包成消息向管理节点发送，最后在管理节点绘制节点拓扑。

管理节点将拓扑结构建立完毕后，会通过广播将拓扑结构发送到每个节点，每个节点以此建立各端口的路由表，用于文本数据的高效发送。

节点失效管理：每个节点的协议栈数据链路层由专用控制芯片实现，以保证数据链路层的通讯效率与可靠性，协议栈中间层与应用层由带有操作系统的控制器实现，当操作系统上的节点程序发生阻塞，无法定时复位底层控制芯片的看门狗程序时，底层通讯控制芯片将直接将各端口接收的数据链路层帧发送到其他端口。

管理节点定期向网络节点广播状态请求，当无法收到网络节点状态时，报警故障，并通知维修人员进行故障排除。

传感器信息显示：每个网络节点都可以配别传感器采集数据，并以一定的频率向管理节点发送该数据，发送频率需要满足如下约束，即产生的数据量应该小于网络文本数据的吞吐量，最后在控制室管理节点处显示所有工厂网络传感数据。

大屏幕显示：管理节点向大屏幕节点（如图1⑦所示）发送显示文本数据，由显示节点显示在大屏幕上。

保护数字化无主机通讯系统的结构拓扑的实现方法，该实现区别于以往模拟无主机电话系统，将语音数据压缩成数据包，一多跳得形式向外传播，每个节点接收多跳信息解压后混合自身数据，在向外传输。同时数字（文本、控制）消息也通过相同的电缆一并传输，这样做可大量节省电缆资源，对于长距离的布线具有十分重要的经济意义，实验效果良好。

保护语音与数字数据协议栈结构，首先两部分数据共用数据链路层，实现语音与数据使用相同硬件线路同时传输。然后语音数据与数字数据采用了不同方式的协议栈中间层和应用层，实现了两种数据的有效交换，并且在保证语音数据交换实时性基础上节省了语音数据的通讯带宽，这是因为我们通过语音数据节点处混合的方法，使得相同时间接收和采集的语音数据可以融合成一个数据包进行发送，减少了语音数据的通讯量，利用计算复杂代替了通讯复杂。

数字数据利用消息组打包成报文进行交换、转发，并利用网络层与传输层，实现了数字线路的可靠广播与点对点通讯机制。

管理节点利用广播和各节点响应可以建立本系统节点的拓扑，利用广播机制可以获取节点的工作状态，利用文本通讯的方式可以显示网络上的传感信息和消息的大屏幕显示。这些功能都是实现在该数字通讯系统上的。

Claims (6)

1.一种无主机控制基于数字通讯的语音与数据混合通讯系统，其特征在于，由节点、数字通讯链路、采集设备以及终端组成，采集设备采集语音、播放、文字、图像和传感器信息，节点包括管理节点、分支节点和交换节点，采集设备与对应的节点相连，数字通讯链路为双向通讯结构，每段通讯链路仅连接相邻两节点，整个网络拓扑采用散射形式，无闭合回路，回路以终端为终点。

2.根据权利要求1所述无主机控制基于数字通讯的语音与数据混合通讯系统，其特征在于，所述终端为末端设备或软件设置的节点接口。

3.根据权利要求1所述无主机控制基于数字通讯的语音与数据混合通讯系统，其特征在于，所述系统中数字通讯链路采用485总线、422总线、CAN总线、网线、光纤串行总线、多路串行总线中的任意一种或多种。

4.根据权利要求1所述无主机控制基于数字通讯的语音与数据混合通讯系统，其特征在于，所述交换节点实现相邻两边节点的数据交换传输，分支节点实现多路数据交换传输，管理节点用于系统监控，各个节点的协议栈结构相同。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述无主机控制基于数字通讯的语音与数据混合通讯系统，其特征在于，所述交换节点的协议栈包括底层的数据链路层、中间层和应用层，语音数据与数字数据统一使用数据链路层进行对外数据传输；中间层承上启下对语音数据信道解析无应答传输、对数字数据应答传输；应用层对语音数据进行信号处理和播放，应用层对数字数据录入、显示及控制响应。

6.根据权利要求5所述无主机控制基于数字通讯的语音与数据混合通讯系统，其特征在于，所述管理节点对整个系统进行管理，解析和监听网络中其它节点传播的语音数据，监测其他节点发布的数字消息。