CN107947824B - 一种振动和无线双冗余应急通信的设备 - Google Patents

一种振动和无线双冗余应急通信的设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种振动和无线双冗余应急通信的设备，包括核心CPU、发射机电路、接收机电路；所述发射机电路包括发射机输入电路、发射机输出电路，所述接收机电路包括接收机输入电路、接收机输出电路；均采用轨道振动信号通道和无线信道双冗余通道作为信息传输通道。本发明的目的在于为解决隧道类塌方矿难事故发生时，坑道被堵塞，通信设施损坏，常规有线、无线通信网络不能正常工作的问题，利用轨道振动信号通道和无线信道双冗余通道作为信息传输通道，实现救灾队伍与被困人员的语音通信、文本通信，使救援人员及时获取准确的事故现场信息，采取最优救援方案，达到减小人员伤亡与财产损失的目的。

Description

一种振动和无线双冗余应急通信的设备
技术领域
本发明涉及一种矿难应急通信设备，尤其涉及一种基于轨道振动信号通道和无线信道的振动和无线双冗余应急通信的设备。
背景技术
进入21世纪以来，我国对于能源：如煤、石油、天然气等的需求与日俱增。然而，随着对能源开采与基础建设投入的加大，各种矿难生产事故也频频发生，成为阻碍中国经济快速发展的障碍之一。
当矿难发生后，原有井下常规通信设备基本无法使用，经常是完全瘫痪。作为煤矿正常生产时使用的有线电缆的通讯方式，会因为电缆易受挤压而发生形变、断裂、短路，中继设备易受到损坏而造成通信中断。而室外使用的无线电磁的通讯方式，由于电波穿透能力有限，发生煤矿事故时，巷道堵塞，设备损坏等导致电波不能得以传播，单纯依靠有线或者无线一种通信方式，很难真正实现救援人员与矿工的通信。
而轨道在坑道中是比较常见的设施，因此可以选择轨道作为振动信号通信信道，进行信息的传输。同时考虑到轨道之间的缝隙在事故时候由于形变等原因可能会加大，导致振动信号衰减过大，所以在原有的轨道缝隙处采用短距离无线收发和在振动通道双侧振动的通信方式进行信号的转发，使设备具有中继功能。在通常情况下，坑道堵塞不太可能发生完全堵塞的情况，此时使用无线信道进行通信能够更快，更安全的进行信号传输。因此使用轨道振动信号信道和无线传输信号互为冗余通信信道的应急通信系统，可以更好的保障通信的可靠性。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，克服电缆易受挤压而发生形变、断裂、短路，中继设备易受到损坏而造成通信中断，能及时进行通信的基于轨道振动信号通道和无线信道的振动和无线双冗余应急通信的设备和方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种振动和无线双冗余应急通信的设备，包括核心CPU、发射机电路、接收机电路；
所述发射机电路包括发射机输入电路、发射机输出电路；
所述发射机输入电路包括语音获取装置和文本获取装置、所述语音获取装置经语音信号调理电路、第一A/D采集电路与核心CPU连接，所述文本获取装置直接与核心CPU无线通信；
语音信号经语音获取装置转换为电信号，由语音信号调理电路滤波后，再由第一A/D采集电路采样，采样后的语音信号发送至核心CPU，所述核心CPU将采样后的语音信号进行码激励线性预测编码，编码后的数据IP成帧形成，所述文本信号经文本获取装置发送至核心CPU，由核心CPU直接IP成帧；
所述发射机输出电路包括轨道通信发射模块和无线通信发射模块，所述轨道通信发射模块包括依次连接的FSK调制电路，发送信号调理电路和激振器，所述FSK调制电路与核心CPU连接，所述无线通信发射模块包括第一RF模块，所述第一RF模块一端经RS-232接口与核心CPU连接，另一端连接一天线；
IP成帧后的信号同时经轨道通信发射模块和无线通信发射模块发送，所述轨道通信发射模块中，IP成帧后的信号经FSK调制电路进行FSK调制，再经发射信号调理电路进行功率放大，最后送到激振器中以驱动激振器敲击轨道，产生振动信号；所述无线通信发射模块中，IP成帧后的信号经第一RF模块发射；
所述接收机电路包括接收机输入电路、接收机输出电路；
所述接收机输入电路包括轨道通信接收模块和无线通信接收模块；
所述轨道通信接收模块包括重力加速度传感器，所述重力加速度传感器经调理电路和第二A/D采集电路与核心CPU连接，所述无线通信接收模块包括第二RF模块，所述第二RF模块一端连接一天线，另一端经RS-232接口与核心CPU连接；
其中重力加速度传感器用于获取振动信号并转化为电信号，经调理电路进行幅度放大，噪声滤除，再经第二A/D采集电路进行数模转换，送入核心CPU中进行FSK解调，解调后的数据再进行解帧处理，第二RF模块经天线获取无线第一RF模块发射的信号，并送入核心CPU进行解帧处理；
所述接收机输出电路包括与核心CPU连接的语音播放器和一显示器，所述语音播放器用于播放解帧处理后的语音信号，所述显示器用于显示解帧处理。
作为优选：所述天线为SMA鞭状天线，所述FSK调制电路采用AD9852芯片，所述第一RF模块和第二RF模块均采用集成化JZX891无线数传模块。
作为优选：所述语音信号调理电路使用抗混叠滤波器，用于滤除50KHz以上的信号；所述第一A/D采集电路的采样频率为100K，采样位数为10bits。
作为优选：IP成帧时，帧长度为512个字节，帧净荷的第一个字节设置为发送方式，“0”表示发送方式采用振动通道，“1” 表示发送方式采用无线通道，第2个字节代表发送信号振幅强度，第3个字节表示信息格式，“0”为文本，“1”为语音，其它净荷数据为实际有效数据。
与现有技术相比，本发明的优点在于：解决隧道类塌方矿难事故发生时，坑道被堵塞，通信设施损坏，常规有线、无线通信网络不能正常工作的问题，利用轨道振动信号通道和无线信道双冗余通道作为信息传输通道，实现救灾队伍与被困人员的语音通信、文本通信，使救援人员及时获取准确的事故现场信息，采取最优救援方案，达到减小人员伤亡与财产损失的目的。
附图说明
图1为本发明整机框图；
图2为发射机电路的电路原理图；
图3为接收机电路的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：参见图1到图3，一种振动和无线双冗余应急通信的设备，包括核心CPU、发射机电路、接收机电路和轨道；
所述发射机电路包括发射机输入电路、发射机输出电路；
所述发射机输入电路包括语音获取装置和文本获取装置、所述语音获取装置经语音信号调理电路、第一A/D采集电路与核心CPU连接，所述文本获取装置直接与核心CPU无线通信；
语音信号经语音获取装置转换为电信号，由语音信号调理电路滤波后，再由第一A/D采集电路采样，采样后的语音信号发送至核心CPU，所述核心CPU将采样后的语音信号进行码激励线性预测编码，编码后的数据IP成帧形成，所述文本信号经文本获取装置发送至核心CPU，由核心CPU直接IP成帧；
所述发射机输出电路包括轨道通信发射模块和无线通信发射模块，所述轨道通信发射模块包括依次连接的FSK调制电路，发送信号调理电路和激振器，所述FSK调制电路与核心CPU连接，所述无线通信发射模块包括第一RF模块，所述第一RF模块一端经RS-232接口与核心CPU连接，另一端连接一天线；
IP成帧后的信号同时经轨道通信发射模块和无线通信发射模块发送，所述轨道通信发射模块中，IP成帧后的信号经FSK调制电路进行FSK调制，再经发射信号调理电路进行功率放大，最后送到激振器中以驱动激振器敲击轨道，产生振动信号；所述无线通信发射模块中，IP成帧后的信号经第一RF模块发射；
所述接收机电路包括接收机输入电路、接收机输出电路；
所述接收机输入电路包括轨道通信接收模块和无线通信接收模块；
所述轨道通信接收模块包括重力加速度传感器，所述重力加速度传感器经调理电路和第二A/D采集电路与核心CPU连接，所述无线通信接收模块包括第二RF模块，所述第二RF模块一端连接一天线，另一端经RS-232接口与核心CPU连接；
其中重力加速度传感器用于获取振动信号并转化为电信号，经调理电路进行幅度放大，噪声滤除，再经第二A/D采集电路进行数模转换，送入核心CPU中进行FSK解调，解调后的数据再进行解帧处理，第二RF模块经天线获取无线第一RF模块发射的信号，并送入核心CPU进行解帧处理；
所述接收机输出电路包括与核心CPU连接的语音播放器和一显示器，所述语音播放器用于播放解帧处理后的语音信号，所述显示器用于显示解帧处理。
本发明中：所述天线为SMA鞭状天线，所述FSK调制电路采用AD9852芯片，所述第一RF模块和第二RF模块均采用集成化JZX891无线数传模块；
所述语音信号调理电路使用抗混叠滤波器，用于滤除50KHz以上的信号；所述第一A/D采集电路的采样频率为100K，采样位数为10bits；
IP成帧时，帧长度为512个字节，帧净荷的第一个字节设置为发送方式， “0”表示发送方式采用振动通道，“1” 表示发送方式采用无线通道，第2个字节代表发送信号振幅强度，第3个字节表示信息格式，“0”为文本，“1”为语音，其它净荷数据为实际有效数据。
本发明的目的是当矿难发生时候，常规有线信道被损坏，无线信道、装置被损坏或阻塞而不能正常通信时，以轨道作为低频振动信号通信信道，无线信道作为冗余通信信道，实现被困人员与救援队伍的通信，也可以通过软件实现主通道和冗余通道的相互切换。
图1是本发明整机框图，整机电路由电源模块电路，发射机输入电路，发射机输出电路，接收机输入电路，接收机输出电路，核心控制模块组成。电源模块主要是提供整机的电源，采用电池供电和外部电源供电两种方式工作。当插入外部电源时候，使用外部电源进行整机供电，同时实现对电池的充电。当拔掉外部电源时候，自动切换到电池供电。
图2为发射机电路的电路原理图；考虑到振动信道的传输带宽较低，信道振动截止带宽约50K左右，作为信源的激振器最高激振频率约10K，而且整个振动信道工作环境比较复杂，信噪比较低，因此当该系统工作于振动方式时候，很难实现语音的全双工通信方式。所以设备进行发射时候，信息输入采用两种方式：文本和语音方式，其中文本方式优先，语音通信采取的是非实时通信方式进行，即先在本地端进行数据的采集和存贮，经处理后再对语音数据进行整体的转发。
当输入信号为文本信号时，文本获取装置可以为触摸屏和虚拟键盘，将此信号作为核心控制板的输入，在核心CPU中通过软件成帧模块成帧。输入信号为语音信号时，语音获取装置可以为MIC，先通过MIC进行语音信号到电信号的转换，然后通过语音信号调理电路实现信号幅度的控制，在调理电路中使用抗混叠滤波器滤除50KHz以上的信号，将此滤波后的信号送到第一A/D采集电路中进行采集，此滤波器采样频率为100K，采样位数为10bits。A/D采样后的语音信号送到核心CPU后，在核心平台上首先对无损语音数字信号进行抽样，以降低需要传输的数据量，经过实验得知，在抽取率为10的时候，语音仍然可以被清楚的识别，在此设备中对原始采样的语音信号进行了10倍的下抽样滤波。对抽样后的语音信号进一步采用码激励线性预测编码压缩语音的数据量，编码后的数据送入软件成帧模块进行成帧。成帧后的数据可以通过两个主通道和冗余通道同时发送出去。
对于轨道振动通道而言，将成帧后的数据送到后级的AD9852芯片进行FSK调制。调制后的正弦信号在发射信号调理电路中进行功率放大，放大后的功率信号送到激振器中以驱动激振器敲击轨道，产生振动信号。
对无线通道而言，核心CPU通过RS-232接口将成帧后数据送到集成化JZX891无线数传模块，通过鞭状天线将无线信号发射出去。
图3为接收机电路的电路原理图；接收信道包括轨道振动信道和无线接收信道。根据需要，两者可以互为冗余通信信道。
对轨道振动通道，振动信号通过重力加速度传感器将振动信号转换为电信号，然后在信号调理电路中对该点信号进行幅度放大，噪声滤除，再将处理后的信号送入第二A/D采集电路前端进行数模转换，然后在核心板中对信号进行FSK解调，解调后的数据送入IP解帧模块中进行解帧处理。
对无线通道，无线信号通过天线进入JZX891模块，经过该模块得到数据信号，然后将该信号通过RS-232接口送入核心板中的IP解帧模块。
在核心板中进行IP数据解帧处理后，具体选择采用无线信道还是振动信道信息，根据IP帧的序号和FCS校验结果而定。选择确定后的数据，根据收到的数据是文本还是语音信息，由核心CPU进行下一步的处理。
解帧后的数据是语音信号，进行码激励线性预测解码，重组后送到语音输出电路进行语音输出。
解帧后的数据是文本信号，则直接进行文本信号的重组，送LCD进行显示输出。
本发明实际使用过程中，可以工作在两种工作模式：终端工作方式和中继转发方式。
设备工作在终端方式时，整机即实现普通收发机的功能，实现语音或者文本信号的输入输出。

Claims (4)

1.一种振动和无线双冗余应急通信的设备，其特征在于：包括核心CPU、发射机电路、接收机电路；
所述发射机电路包括发射机输入电路、发射机输出电路；
所述发射机输入电路包括语音获取装置和文本获取装置、所述语音获取装置经语音信号调理电路、第一A/D采集电路与核心CPU连接，所述文本获取装置直接与核心CPU无线通信，所述文本获取装置用于获取文本信号；
语音信号经语音获取装置转换为电信号，由语音信号调理电路滤波后，再由第一A/D采集电路采样，采样后的语音信号发送至核心CPU，所述核心CPU将采样后的语音信号进行码激励线性预测编码，编码后的数据IP成帧形成，所述文本信号经文本获取装置发送至核心CPU，由核心CPU直接IP成帧；
所述发射机输出电路包括轨道通信发射模块和无线通信发射模块，所述轨道通信发射模块包括依次连接的FSK调制电路，发送信号调理电路和激振器，所述FSK调制电路与核心CPU连接，所述无线通信发射模块包括第一RF模块，所述第一RF模块一端经RS-232接口与核心CPU连接，另一端连接一天线；
IP成帧后的信号同时经轨道通信发射模块和无线通信发射模块发送，所述轨道通信发射模块中，IP成帧后的信号经FSK调制电路进行FSK调制，再经发射信号调理电路进行功率放大，最后送到激振器中以驱动激振器敲击轨道，产生振动信号；所述无线通信发射模块中，IP成帧后的信号经第一RF模块发射；
所述接收机电路包括接收机输入电路、接收机输出电路；
所述接收机输入电路包括轨道通信接收模块和无线通信接收模块；
所述轨道通信接收模块包括重力加速度传感器，所述重力加速度传感器经调理电路和第二A/D采集电路与核心CPU连接，所述无线通信接收模块包括第二RF模块，所述第二RF模块一端连接一天线，另一端经RS-232接口与核心CPU连接；
其中重力加速度传感器用于获取振动信号并转化为电信号，经调理电路进行幅度放大，噪声滤除，再经第二A/D采集电路进行数模转换，送入核心CPU中进行FSK解调，解调后的数据再进行解帧处理，第二RF模块经天线获取无线第一RF模块发射的信号，并送入核心CPU进行解帧处理；
所述接收机输出电路包括与核心CPU连接的语音播放器和一显示器，所述语音播放器用于播放解帧处理后的语音信号，所述显示器用于显示解帧处理。
2.根据权利要求1所述的一种振动和无线双冗余应急通信的设备，其特征在于：所述天线为SMA鞭状天线，所述FSK调制电路采用AD9852芯片，所述第一RF模块和第二RF模块均采用集成化JZX891无线数传模块。
3.根据权利要求1所述的一种振动和无线双冗余应急通信的设备，其特征在于：所述语音信号调理电路使用抗混叠滤波器，用于滤除50KHz以上的信号；所述第一A/D采集电路的采样频率为100K，采样位数为10bits。
4.根据权利要求1所述的一种振动和无线双冗余应急通信的设备，其特征在于：IP成帧时，帧长度为512个字节，帧净荷的第一个字节设置为发送方式， “0”表示发送方式采用振动通道，“1” 表示发送方式采用无线通道，第2个字节代表发送信号振幅强度，第3个字节表示信息格式，“0”为文本，“1”为语音，其它净荷数据为实际有效数据。
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