CN114363810A - 基于uwb技术的语音定位传输装置及语音定位传输方法 - Google Patents

基于uwb技术的语音定位传输装置及语音定位传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于UWB技术的语音定位传输装置及语音定位传输方法，涉及煤矿井下定位及语音传输技术领域。该装置包括现有的UWB基站和基于UWB技术的语音定位卡；基于UWB技术的语音定位卡包括UWB射频芯片、MCU、电源管理模块、电池、存储器、语音芯片、AD/DA转换器、麦克风和扬声器；语音定位卡中的UWB射频芯片向UWB基站每奇数秒发射一次定位脉冲，每偶数秒发射报名信号；UWB基站收到来自UWB射频芯片发送的定位脉冲信号时，回复定位回应脉冲，收到语音报名时，回复确认信号，并转发给上位机；收到一般报名时，判断自身内存中是否有来自上位机的数字语音包待发送。该装置及方法将井下人员定位系统和通信联络系统融合为一体。

Description

基于UWB技术的语音定位传输装置及语音定位传输方法
技术领域
本发明涉及煤矿井下定位及语音传输技术领域，尤其涉及一种基于UWB技术的语音定位传输装置及语音定位传输方法。
背景技术
由于矿井下的特殊地理环境，一旦发生事故，救援人员往往难以了解井下的实际情况和被困人员的准确位置，使得抢险救灾工作异常困难。基于超宽带(UWB)无线通信的精确测距和定位技术，由于具有结构简单、成本低、体积小、功耗低、多径分辨率高、抗噪声和抗干扰能力强等优势成为井下定位的研究重点；采用UWB技术构建井下定位系统，是当前较先进的定位与识别方式。该系统能及时、准确地将井下各个区域人员的动态情况反映到地面的监控计算机，使管理人员能随时掌握井下人员的分布状况和每个矿工的运动轨迹，以便进行更加合理的调度管理。
但目前UWB技术主要用于位置定位，在紧急情况下地面救援人员可以通过该技术了解井下人员具体位置，但没有办法通过语音方式了解井下实际情况，实施精准救援；在平日生产时，地面调度及井下人员也没法用每人必备的UWB技术装备进行有效沟通，需要用去找固定点有线防爆电话或者用防爆手机才能通话，煤矿井下很少有手机无线网络覆盖，即使有信号覆盖也仅仅部分带班组长或领导才会配备防爆手机，非常不方便。
现有的技术无法用UWB同时传输定位及语音信息，无法将井下人员定位系统和通信联络系统融合为一体。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于UWB技术的语音定位传输装置及语音定位传输方法，通过UWB定位技术传递语音，同时实现精确定位和语音通信。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一方面，本发明提供一种基于UWB技术的语音定位传输装置，包括现有的UWB基站和基于UWB技术的语音定位卡；
所述基于UWB技术的语音定位卡，包括UWB射频芯片、MCU、电源管理模块、电池、存储器、语音芯片、AD/DA转换器、麦克风、扬声器；
其中，电源管理模块与MCU连接，为其他设备提供电源，并对电池进行充放电管理；MCU与存储器、UWB射频芯片、语音芯片连接；所述AD/DA转换器与语音芯片连接，扬声器的输入端与AD/DA转换器的输出端连接，麦克风的输出端与AD/DA转换器的输入端连接；
语音定位卡接收UWB基站发送来的数字语音包时，数字语音包通过UWB射频芯片接收传递给MCU，MCU将数字语音包转存至存储器，收到播放指令后MCU从存储器中取出数字语音包将其解析为文字发送给语音芯片，语音芯片将MCU解析的文字信息转换为声音编码传递给AD/DA转换器，AD/DA转换器将声音编码转换为声音发送给扬声器播放；
语音定位卡有语音需发送时，AD/DA转换器将麦克风采集的声音转为声音编码传递给语音芯片，语音芯片将声音编码翻译为文字信息传递给MCU，MCU将语音芯片处理过后的文字信息编译成数字语音包存储于存储器中，待收到可以发送语音包指令后，MCU从存储器中取出数字语音包传递给UWB射频芯片，再由UWB射频芯片通过无线发送给UWB基站，UWB基站接收后通过工业以太网传递给上位机；
优选地，所述UWB射频芯片，使用UWB第五通道，频率范围为6240-6739.2MHz，带宽为499.2MHz。
优选地，所述MCU，使用32位ARM Cortex-M4处理器，配置168MHz时钟，支持FPU和DSP指令，具有1024K FLASH，192K SRAM，具有睡眠、停止和待机三种低功耗模式，用电池为RTC和备份寄存器供电，具有3个I2C接口，6个串口，3个SPI接口，2个CAN2.0，2个USB OTG和1个SDIO接口。
优选地，所述电源管理模块，具备锂电池充放电管理功能，充电电流最大为1A；所述电池，具备煤安证和防爆证，容量为2Ah。
优选地，所述存储器，标配为4G，能够通过SD模式扩展，最大能够扩展至64G；
优选地，所述语音芯片，具备12位PWM纯音频输出，能够直接驱动8欧/0.5W喇叭和蜂鸣器，采用DAC音频输出输入。
优选地，所述AD/DA转换器，采样率为192KHz，信噪比为110dB，具有立体声平衡式模拟输入输出接口，具有同轴SPDIF数字输入输出端口；所述麦克风，具备双麦降噪功能；所述扬声器，阻抗为8欧，功率为0.5瓦。
另一方面，本发明还提供一种基于UWB技术的语音定位传输方法，能够同时传输语音及定位数据，包括语音定位卡的工作方法和UWB基站的工作方法两部分；
所述语音定位卡的工作方法为：
步骤1、语音定位卡的UWB射频芯片向UWB基站每奇数秒发射一次定位脉冲，每偶数秒发射报名信号，报名信号分为语音报名和一般报名；
步骤2、发送定位脉冲情况下，设定时间内，如果语音定位卡的UWB射频芯片收到UWB基站回复的定位回应脉冲，则再次向UWB基站发送一次定位脉冲，后进入休眠；若超过设定时间未收到任何回应，则直接进入休眠；
步骤3、发送报名信号情况下，如果语音定位卡中的存储器中有未发送的数字语音包，则向语音定位卡中的UWB射频芯片向UWB基站发送语音报名，设定时间内，语音定位卡中的UWB射频芯片接收到UWB基站回复的确认信号，语音定位卡中的MCU从存储器中取出未发送的数字语音包传递给UWB射频芯片，UWB射频芯片发送该数字语音包给UWB基站，发送完成后语音定位卡中的MCU控制存储器删除该数字语音包后进入休眠；若超过设定时间，语音定位卡中的UWB射频芯片未收到任何回应，则直接进入休眠；
步骤4、发送报名信号情况下，如果语音定位卡中的存储器没有待发送的数字语音包，则语音定位卡中的UWB射频芯片向UWB基站发送一般报名，设定时间内，如语音定位卡中的UWB射频芯片接收到UWB基站发送的数字语音包，数字语音包通过UWB射频芯片接收后传递给MCU，MCU将数字语音包转存至存储器，语音定位卡中的UWB射频芯片向UWB基站发送确认信号后进入休眠状态；若超过设定时间，语音定位卡中的UWB射频芯片未收到任何回应，则直接进入休眠。
所述UWB基站的工作方法为：
步骤S1、UWB基站收到来自语音定位卡中的UWB射频芯片发送的定位脉冲信号时，回复定位回应脉冲，如果设定时间内再次收到语音定位卡中的UWB射频芯片发送的定位脉冲，通过前后2次定位脉冲的飞行时间计算出语音定位卡和UWB基站之间的距离，将结果发送上位机；
步骤S2、UWB基站收到来自语音定位卡中的UWB射频芯片发送的的语音报名时，回复确认信号，如设定时间内接收语音定位卡中的UWB射频芯片发送的数字语音包，并转发给上位机；
步骤S3、UWB基站收到来自语音定位卡中的UWB射频芯片发送的的一般报名时，判断自身内存中是否有来自上位机的数字语音包待发送，如果有数字语音包，则发送该数字语音包给语音定位卡中的UWB射频芯片，UWB基站收到设定位时间内收到语音定位卡中的UWB射频芯片发送的确认信号后，从基站内存中删除该条已发送的数字语音包；如果没有数字语音包，则不回应。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种基于UWB技术的语音定位传输装置及语音定位传输方法，基于UWB技术，在现有UWB基站的基础上，通过语音定位卡实现语音定位及语音传输，将井下人员定位系统和通信联络系统融合为一体，无需无线网络覆盖就能够实现井下人员的定位及语音传输。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于UWB技术的语音定位传输装置的结构框图；
图2为本发明实施例提供的语音定位卡的工作流程图
图3为本发明实施例提供的UWB基站的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
一种基于UWB技术的语音定位传输装置，如图1所示，包括现有的UWB基站和基于UWB技术的语音定位卡；
所述基于UWB技术的语音定位卡，包括UWB射频芯片、MCU、电源管理模块、电池、存储器、语音芯片、AD/DA转换器、麦克风、扬声器；
其中，电源管理模块与MCU连接，为其他设备提供电源，并对电池进行充放电管理；MCU与存储器、UWB射频芯片、语音芯片连接；所述AD/DA转换器与语音芯片连接，扬声器的输入端与AD/DA转换器的输出端连接，麦克风的输出端与AD/DA转换器的输入端连接；
语音定位卡接收UWB基站发送来的数字语音包时，数字语音包通过UWB射频芯片接收传递给MCU，MCU将数字语音包转存至存储器，收到播放指令后MCU从存储器中取出数字语音包将其解析为文字发送给语音芯片，语音芯片将MCU解析的文字信息转换为声音编码传递给AD/DA转换器，AD/DA转换器将声音编码转换为声音发送给扬声器播放；
语音定位卡有语音需发送时，AD/DA转换器将麦克风采集的声音转为声音编码传递给语音芯片，语音芯片将声音编码翻译为文字信息传递给MCU，MCU将语音芯片处理过后的文字信息编译成数字语音包存储于存储器中，待收到可以发送语音包指令后，MCU从存储器中取出数字语音包传递给UWB射频芯片，再由UWB射频芯片通过无线发送给UWB基站，UWB基站接收后通过工业以太网传递给上位机。
本实施例中，UWB射频芯片使用UWB第五通道，频率范围为6240-6739.2MHz，带宽为499.2MHz。MCU使用32位高性能ARM Cortex-M4处理器，配置168MHz时钟，支持FPU(浮点运算)和DSP指令，具有1024K FLASH，192K SRAM，具有睡眠、停止和待机三种低功耗模式，用电池为RTC和备份寄存器供电，具有3个I2C接口，6个串口，3个SPI接口，2个CAN2.0，2个USBOTG和1个SDIO接口。电源管理模块具备锂电池充放电管理功能，充电电流最大1A；电池具备煤安证和防爆证，容量为2Ah。存储器标配为4G，可通过SD模式扩展，最大可扩展至64G。语音芯片具备12位PWM纯音频输出，可直接驱动8欧/0.5W喇叭和蜂鸣器，采用DAC音频输出输入。AD/DA转换器采样率为192KHz，信噪比为110dB，具有立体声平衡式模拟输入输出接口，具有同轴SPDIF数字输入输出端口；麦克风具备双麦降噪功能；扬声器阻抗为8欧，功率为0.5瓦。
另一方面，本发明还提供一种基于UWB技术的语音定位传输方法，能够同时传输语音及定位数据，包括语音定位卡的工作方法和UWB基站的工作方法两部分；
所述语音定位卡的工作方法如图2所示，具体为：
步骤1、语音定位卡的UWB射频芯片向UWB基站每奇数秒发射一次定位脉冲，每偶数秒发射报名信号，报名信号分为语音报名和一般报名；
步骤2、发送定位脉冲情况下，设定时间内(本实施例中，设定时间为20ms)，如果语音定位卡的UWB射频芯片收到UWB基站回复的定位回应脉冲，则再次向UWB基站发送一次定位脉冲，后进入休眠；若超过设定时间未收到任何回应，则直接进入休眠；
步骤3、发送报名信号情况下，如果语音定位卡中的存储器中有未发送的数字语音包，则向语音定位卡中的UWB射频芯片向UWB基站发送语音报名，设定时间内，语音定位卡中的UWB射频芯片接收到UWB基站回复的确认信号，语音定位卡中的MCU从存储器中取出未发送的数字语音包传递给UWB射频芯片，UWB射频芯片发送该数字语音包给UWB基站，发送完成后语音定位卡中的MCU控制存储器删除该数字语音包后进入休眠；若超过设定时间，语音定位卡中的UWB射频芯片未收到任何回应，则直接进入休眠；
步骤4、发送报名信号情况下，如果语音定位卡中的存储器没有待发送的数字语音包，则语音定位卡中的UWB射频芯片向UWB基站发送一般报名，设定时间内，如语音定位卡中的UWB射频芯片接收到UWB基站发送的数字语音包，数字语音包通过UWB射频芯片接收后传递给MCU，MCU将数字语音包转存至存储器，语音定位卡中的UWB射频芯片向UWB基站发送确认信号后进入休眠状态；若超过设定时间，语音定位卡中的UWB射频芯片未收到任何回应，则直接进入休眠。
所述UWB基站的工作方法如图3所示，具体为：
步骤S1、UWB基站收到来自语音定位卡中的UWB射频芯片发送的的定位脉冲信号时，回复定位回应脉冲，如设定时间内再次收到语音定位卡中的UWB射频芯片发送的定位脉冲，通过前后2次定位脉冲的飞行时间计算出语音定位卡和UWB基站之间的距离，将距离结果发送上位机；
步骤S2、UWB基站收到来自语音定位卡中的UWB射频芯片发送的的语音报名时，回复确认信号，如设定时间内接收语音定位卡中的UWB射频芯片发送的数字语音包，并转发给上位机；
步骤S3、UWB基站收到来自语音定位卡中的UWB射频芯片发送的的一般报名时，判断自身内存中是否有来自上位机的数字语音包待发送，如果有数字语音包，则发送该数字语音包给语音定位卡中的UWB射频芯片，UWB基站收到设定位时间内收到语音定位卡中的UWB射频芯片发送的确认信号后，从基站内存中删除该条已发送的数字语音包；如果没有数字语音包，则不回应。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (9)

1.一种基于UWB技术的语音定位传输装置，包括现有的UWB基站和基于UWB技术的语音定位卡，其特征在于：
所述基于UWB技术的语音定位卡，包括UWB射频芯片、MCU、电源管理模块、电池、存储器、语音芯片、AD/DA转换器、麦克风和扬声器；
其中，电源管理模块与MCU连接，为其他设备提供电源，并对电池进行充放电管理；MCU与存储器、UWB射频芯片、语音芯片连接；所述AD/DA转换器与语音芯片连接，扬声器的输入端与AD/DA转换器的输出端连接，麦克风的输出端与AD/DA转换器的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于UWB技术的语音定位装置，其特征在于：所述语音定位传输装置实现语音定位及传输的方法为：
语音定位卡接收UWB基站发送来的数字语音包时，数字语音包通过UWB射频芯片接收传递给MCU，MCU将数字语音包转存至存储器，收到播放指令后MCU从存储器中取出数字语音包将其解析为文字发送给语音芯片，语音芯片将MCU解析的文字信息转换为声音编码传递给AD/DA转换器，AD/DA转换器将声音编码转换为声音发送给扬声器播放；
语音定位卡有语音需发送时，AD/DA转换器将麦克风采集的声音转为声音编码传递给语音芯片，语音芯片将声音编码翻译为文字信息传递给MCU，MCU将语音芯片处理过后的文字信息编译成数字语音包存储于存储器中，待收到可以发送语音包指令后，MCU从存储器中取出数字语音包传递给UWB射频芯片，再由UWB射频芯片通过无线发送给UWB基站，UWB基站接收后通过工业以太网传递给上位机。
3.根据权利要求1所述的一种基于UWB技术的语音定位装置，其特征在于：所述UWB射频芯片，使用UWB第五通道，频率范围为6240-6739.2MHz，带宽为499.2MHz。
4.根据权利要求1所述的一种基于UWB技术的语音定位装置，其特征在于：所述MCU，使用32位ARM Cortex-M4处理器，配置168MHz时钟，支持FPU和DSP指令，具有1024K FLASH，192K SRAM，具有睡眠、停止和待机三种低功耗模式，用电池为RTC和备份寄存器供电，具有3个I2C接口，6个串口，3个SPI接口，2个CAN2.0，2个USB OTG和1个SDIO接口。
5.根据权利要求1所述的一种基于UWB技术的语音定位装置，其特征在于：所述电源管理模块，具备锂电池充放电管理功能，充电电流最大为1A；所述电池，具备煤安证和防爆证，容量为2Ah。
6.根据权利要求1所述的一种基于UWB技术的语音定位装置，其特征在于：所述存储器，标配为4G，能够通过SD模式扩展，最大能够扩展至64G。
7.根据权利要求1所述的一种基于UWB技术的语音定位装置，其特征在于：所述语音芯片，具备12位PWM纯音频输出，能够直接驱动8欧/0.5W喇叭和蜂鸣器，采用DAC音频输出输入。
8.根据权利要求1所述的一种基于UWB技术的语音定位装置，其特征在于：所述AD/DA转换器，采样率为192KHz，信噪比为110dB，具有立体声平衡式模拟输入输出接口，具有同轴SPDIF数字输入输出端口；所述麦克风，具备双麦降噪功能；所述扬声器，阻抗为8欧，功率为0.5瓦。
9.一种基于UWB技术的语音定位传输方法，基于权利要求1所述装置实现，包括语音定位卡的工作方法和UWB基站的工作方法两部分，其特征在于：
所述语音定位卡的工作方法为：
步骤1、语音定位卡的UWB射频芯片向UWB基站每奇数秒发射一次定位脉冲，每偶数秒发射报名信号，报名信号分为语音报名和一般报名；
步骤2、发送定位脉冲情况下，设定时间内，如果语音定位卡的UWB射频芯片收到UWB基站回复的定位回应脉冲，则再次向UWB基站发送一次定位脉冲，后进入休眠；若超过设定时间未收到任何回应，则直接进入休眠；
步骤3、发送报名信号情况下，如果语音定位卡中的存储器中有未发送的数字语音包，则向语音定位卡中的UWB射频芯片向UWB基站发送语音报名，设定时间内，语音定位卡中的UWB射频芯片接收到UWB基站回复的确认信号，语音定位卡中的MCU从存储器中取出未发送的数字语音包传递给UWB射频芯片，UWB射频芯片发送该数字语音包给UWB基站，发送完成后语音定位卡中的MCU控制存储器删除该数字语音包后进入休眠；若超过设定时间，语音定位卡中的UWB射频芯片未收到任何回应，则直接进入休眠；
步骤4、发送报名信号情况下，如果语音定位卡中的存储器没有待发送的数字语音包，则语音定位卡中的UWB射频芯片向UWB基站发送一般报名，设定时间内，如语音定位卡中的UWB射频芯片接收到UWB基站发送的数字语音包，数字语音包通过UWB射频芯片接收后传递给MCU，MCU将数字语音包转存至存储器，语音定位卡中的UWB射频芯片向UWB基站发送确认信号后进入休眠状态；若超过设定时间，语音定位卡中的UWB射频芯片未收到任何回应，则直接进入休眠；
所述UWB基站的工作方法为：
步骤S1、UWB基站收到来自语音定位卡中的UWB射频芯片发送的定位脉冲信号时，回复定位回应脉冲，如设定时间内再次收到语音定位卡中的UWB射频芯片发送的定位脉冲，通过前后2次定位脉冲的飞行时间计算出语音定位卡和UWB基站之间的距离，将结果发送上位机；
步骤S2、UWB基站收到来自语音定位卡中的UWB射频芯片发送的语音报名时，回复确认信号，如设定时间内接收语音定位卡中的UWB射频芯片发送的数字语音包，并转发给上位机；
步骤S3、UWB基站收到来自语音定位卡中的UWB射频芯片发送的一般报名时，判断自身内存中是否有来自上位机的数字语音包待发送，如果有数字语音包，则发送该数字语音包给语音定位卡中的UWB射频芯片，UWB基站收到设定位时间内收到语音定位卡中的UWB射频芯片发送的确认信号后，从基站内存中删除该条已发送的数字语音包；如果没有数字语音包，则不回应。
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