矿用IP广播对讲系统设计.pdf

第 1 1 期 2 0 1 1年 n 月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n No ．1 1 NO V ． 2 0 1 1 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 1 1 1 0 0 0 4 0 3 DO I C NKI 3 2 1 6 2 7 ／ T P ． 2 0 1 1 1 1 0 2 ． 1 5 3 5 ． 0 0 2 矿用I P广播对讲系统设计 王树 强 ， 江云。 ， 徐 炜 ， 顾 义 东 1 ． 中煤科工集团常州 自动化研究院 ， 江苏 常州 2 1 3 0 1 5 ； 2 ． 山西离柳焦煤集团有限公司兑镇煤矿，山西 孝义0 3 2 3 0 2 摘 要 提 出了一 种本 质安全 型矿 用 I P广播 对讲 系统 的设 计 方案 ， 详 细介 绍 了该 系统 的结构 组成 、 主要 功 能和主要设备的设计 。该 系统基 于煤矿现有的以太环 网传输平 台和 T C P ／ I P协议 ， 综合应用计算机 、 网络、 VO I P 、 嵌入式 系统等技术将语音信号转换成标准的 I P包在以太网上传输， 系统连接 简单， 布线方便， 传输距 离远 ， 音质好 ， 稳定可靠。该 系统除具备传统的广播功能外， 还可以实现双向扩音对讲功能， 为煤矿安全生产 调度 、 安 全避 险和 应急救 援提供 了有 力的保 障 。 关键 词 煤矿 通信 ；扩 音广播 ；对讲 系统 ；I P 电话 ；以太 网 ； 安 全避 险 ；六 大 系统 中图分类号 TD 6 5 5 文献标识码 A 网络出版时间 2 0 1 1 1 1 0 2 1 5 3 5 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k e ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 1 1 1 0 2 ． 1 5 3 5 ． 0 0 2 ． h t ml De s i g n o f Mi n e us e d I P Br o a d c a s t a n d Ta l k b a c k S y s t e m WANG S h u q i a n g ， J I ANG Yu n ， XU We i ， GU Yi d o n g 1 ． Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n Re s e a r c h I n s t i t u t e o f C h i n a C o a l Te c h n o l o g y a n d En g i n e e r i n g Gr o up Cor p o r a t i o n，Cha n gz ho u 2 1 3 01 5，Ch i na．2． Du i z h e n Co a l M i ne o f Sha nxi Li l i u Co k i n g Co a l Gr o u p Co ． ，Lt d． ，Xi a o y i 0 3 2 3 0 2 ，C h i n a Ab s t r a c t Th e p a p e r p r o p o s e d a d e s i g n s c h e me o f i n t r i n s i c a l l y s a f e mi n e u s e d I P b r o a d c a s t a n d t a l k b a c k s y s t e m ，a nd de s c r i be d c on s t i t ut i on，ma i n f unc t i on s a nd de s i g n o f ma i n d e v i c e s o f t he s ys t e m ．The s y s t e m i s b a s e d o n e x i s t i n g Et h e r n e t p l a t f o r m i n c o a l mi n e a n d TCP ／ I P p r o t o c o l ，a n d c o n v e r t s v o i c e s i g n a l t o s t a nd a r d I P pa c ke t t o t r a ns m i t i n Et he r n e t by us e of t e c h no l o gi e s o f c o m p ut e r ， ne t wo r k， VOI P a nd e m b e d d e d s ys t e m ．The s ys t e m i s s i m p l e i n c o nne c t i on，c o n ve ni e nt i n l a y ou t ，f a r i n t r an s mi s s i on di s t a n c e a n d g o o d i n v o i c e q u a l i t y，s t a b l e a n d r e l i a b l e ，a n d c a n r e a l i z e f u n c t i o n s o f s o u n d a mp l i f y i n g b r o a d c a s t a n d t a l k b a c k，wh i c h p r o v i d e s g u a r a n t e e f o r c o a 1 mi n e s a f e t y p r o d u c t i o n a n d d i s p a t c h，s a f e a v o i d a n c e o f d a n g e r a nd e m e r ge n c e r e s c ue． Ke y wo r d sc o a l mi ne c o m mu ni c a t i on， s ou nd a mpl i f yi ng b r oa dc a s t ， t a l k ba c k s y s t e m ， I P p ho ne ， E t h e r n e t ，s a f e a v o i d a n c e o f d a n g e r ，s i x s y s t e ms 0 引言 国务院和国家安全生产监督管理总局相继提出 建设和完善煤矿安全避险“ 六大系统” 井下人员定 位系统 、 监测监控 系统、 紧急避险系统、 压风 自救系 收稿 日期 2 0 1 1 一O 7 2 O 基 金项 目 科技部院所技术开发专项基金项 目 2 0 1 I E G1 2 2 2 0 1 作者简介 王树强 1 9 8 0 一 ， 男 ， 江苏沛县人 ， 助理工程师 ， 研究 方向为矿用通信联络系统。E ma i l c a r i w s q 1 2 6 ． c o rn 统、 供水施救系统和通信联络系统 的要求 。关于通 信联络系统， 国家安全生产监督管理总局要求煤矿 企业必须按照 煤矿安全规程 的要求建设井下通信 系统 ， 并按照在灾变期 间能够及时通知人员撤离并 实现与避险人员通话 的要求 ， 进一步建设和完善通 信联络系统[ 1 ] 。矿井通信联络系统又称矿井通信 系统 ， 包括矿用调度通信系统、 矿井广播通信系统 、 矿井移动通信系统 、 矿用 I P电话通信系统等 ， 是煤 矿安全生产调度、 安全避 险和应急救援的重要工具 。 矿井广播通信系统种类繁多 ， 有模拟定压广播 2 0 1 1年第 1 1期 王树强等 矿 用 I P广播对讲 系统设计 5 方式 、 I P扩音电话模式、 C AN总线模式广播等。模 拟定压广播方式传输的语 音信号是模拟信号 ， 存在 传输距离短 、 扩展性差 、 抗干扰性能差、 音质差、 节 目 容量小 、 不能寻址控制 、 无法满足同时广播和分区广 播、 无法实现点对点寻址广播等缺点[ 3 ] ， 并且该方式 一 般是 自上而下的单向广播 ， 不具备双向对讲功能。 I P扩音电话模式和 C AN总线模式广播传输 的是窄 带模式的数字信号 ， 虽然解决 了模拟信号抗干扰能 力差 、 不能寻址控制等缺点 ， 但是在系统架设时需要 专门的网关设备， 受其带 宽的限制而采用高压缩率 的数字音频信号， 使得音质效果一般 ， 同时广播通信 线路数 目少 ， 难 以实现任 意分 区的智能广播和点对 点的双 向对讲通信等功能[ 4 ] 。 针对上述问题 ， 笔者设计 了一种本质安全型的 矿用 I P广播对讲系统 。 1 矿 用 I P广播 对讲 系统 总体 设 计 1 ． 1结构 组成 及 工作 原理 矿用 I P广播对讲系统结构如图 1所示 。该 系 统分为地面和井下两部分 ， 井上 、 井下设备通过煤矿 以太环网相连。地面设备主要有控制主机 音频服 务器 、 麦克风、 音箱等 ， 井下设备主要有广播对讲终 端 和广播对讲分机等 。每台广播对讲终端具有独立 的 I P地址 ， 可进行任意分组和定时广播 ， 并且能够 实现点对点的扩音对讲 。广播对讲终端和广播对讲 分机既可安装在大巷 内， 也可安装在井下矿工 比较 集 中的采掘工作面等场所。广播对讲终端可以连接 广播对讲分机 ， 将控制 主机的广播 内容传送给广播 对讲分机进行扩音广播 ， 也可以将广播对讲分机的 语音内容转发给控制主机或其它广播对讲终端和广 播对讲分机 。 地面广播中心’ 音频服务器 环网交换机 T C P ／ I P 电 T C P ／ I P 一 勰 电 口I曲 环 网接 入器 I 嘲 T 尤 妇 广 播 对 讲 终 端或光 口 嘲广 播 对 讲 终 端 广 播 对l讲 终端 ■ -广播 对 讲分 机 l 图 1 矿用 I P广播 对讲 系统结构 1 ． 2功 能设 计 在煤矿 日常工作 中， 可利用该系统的广播功能 在井下巷道、 车场 、 工作 面等地点播 放安全知 识教 育 、 背景音乐、 新闻报道等 内容 ， 也 可将该系统作为 调度通信系统的补充 ， 利用其对讲功能完成调度监 控中心与工作面等井下现场的信息交流。当煤矿井 下发生瓦斯超限、 瓦斯爆炸、 瓦斯突出、 透水、 火灾、 顶板冒落等事故时 ， 调度监控中心在对煤矿井下灾 情的危害程度、 分布地点作出分析， 并制定出撤离逃 生路线和安全救援措施之后 ， 可通过该系统将制定 的应急避灾方案及 时、 准确地广播给井下各区域作 业人员 ] ， 井下作业人员也可利用对讲功能将井下 情况及时地向调度室汇报 ， 提高在灾变情况下井下 受困人员的逃生率 。 2 控制主机功能设计 矿用 I P广播对讲系统控制主机是系统 的控制 中心 ， 实现终端管理 、 音频管理 、 交换服务等功能 。 1 终端管理功能 在控制主机上可以配置广播对讲 系统的构成， 管理广播对讲终端 的网络配置 ， 配置广播对讲终端 与分机的任意分区， 巡检广播对讲终端状态等。 2 音频管理功能 控制主机可实现与广播对讲终端的实时双 向语 音对讲 ， 计算机将麦克风接收的语音信号进行非压 缩数字音频数据处理并传输给广播对讲终端播放 ， 并将广播对讲终端传来 的标准 I P包转换成音频信 号送入音箱扩音广播 ； 可为各广播对讲终端提供实 时广播 、 定时播放控制服务 ， 将预设的安全教育宣传 片 、 MP 3音乐等数字音频文件传输给指定 的广播对 讲终端 ， 并定 制广播对讲终端 的播放 时间、 循环次 数 、 音量等； 具备完善的实时监 听功能 ， 可监 听广播 对讲终端的现场环境 ； 可将调度员在广播对讲终端 的讲话形成录音文件进行存储 ， 以便查询 。 3 交换服务功能 控制主机可以实现广播对讲终端之间的信息转 发交换 ； 实现多路模拟音频信号输入、 输出及 TC P ／ I P网络数字信号输出， 兼容任意传统模拟广播设备 转换 ； 实现与调度通信系统 、 矿井移动通信系统、 矿 用 I P电话通信系统的语音交换。 3井下设 备设 计 3 ． 1广播 对讲 终端 矿用 I P广播对讲 系统井下广播对讲终端通过 以太网接 口接人井下环网 ， 接收广播控制主机控制。 广播对讲终端之间可 以级联， 也可以连接广播对讲 分机 ， 完成广播、 对讲、 监听等任务 ， 并且广播对讲终 端 、 广播对讲分机之 间也可以进行双 向的扩音对讲。 6 工矿 自动化 2 0 1 1年 1 1月 广播对讲终端采用 A RM 处理器作为控制核心， 由 AR M 处理器 、 以太网接 口电路、 语音编解码 电路、 F L AS H存储器 、 音频功放 、 广播对讲分机接 口电路 及按键、 送话器 、 扬声器等组成 ， 如图 2所示 。 I 亟 恒 悃 一卤卤 图 2 广播对讲终端组成 以太网接 口电路可使广播对讲 终端接入 I P网 络， 并实现其与控制主机 的通信。以太网接 口具备 光纤接 口、 网线接 口、 电缆接 口三种连接方式 ， 采用 1 0 M／ 1 0 0 M 自适 应传输 方式 ， 通信协议采用标准 的 TC P ／ I P协议 。 语音编解码 电路实现模拟语音信号与数字音频 信号 的转换 以及 MP 3等格式数字音频信号 的编解 码功能。当 AR M 处理器接收到控制主机或其它终 端的广播命令时， 对网络传来的标准 I P数据包进行 解析 ， 将数字音频信号送入语音编解码 电路 ， 并通过 解码和 D A转换将其转换为模拟语音信号。模拟语 音信号一方面送人功放进行扩音广播， 一方面通过 分机接 口电路送入广播对讲分机进行扩音广播。当 广播对讲分机有讲话或者广播对讲终端送话器送来 模拟信 号时， AR M 处理器控制语音编解码 电路采 样模拟语音信号 ， 通过 AD转换和编码将模拟语音 信号转换成数字音频信号， 然后 由 AR M 处理器封 装成标准 的 I P包送人以太 网传输 。当广播对讲终 端接收到音频服务器发出的播放安全教育宣传音频 或者 MP 3音 乐 的 命 令 时 ， AR M 处 理 器 读 取 F L AS H存储器中的音频文件 ， 并将其送入语音编 解码 电路进行解码 ， 还原成模拟音频信号进行广播， 同时送给广播对讲分机进行扩音广播 。 F L AS H存储器实现广播 内容 的存取 ； 广 播对 讲分机接 口实现与广播对讲分机的语音交互； 送话 器 、 功放等实现模拟语音的输入和扩音广播的输出。 3 ． 2广播 对 讲分机 矿用 I P广播对讲系统广播对讲分机与广播对 讲终端相连 ， 能够接收广播对讲终端传来的 MP 3音 乐 、 语音等信号并进行扩音广播 ， 井下人员也可通过 广播对讲分机主动与调度室或其它广播对讲终端、 广播对讲分机对讲。广播对讲分机具有功耗低 、 连 接方便等特点 ， 适用于工作面、 顺槽 、 胶带沿线等区 域 。广播对讲分机 由 AR M 处理器、 广播对讲终端 接 口电路、 音频功放及按键、 送话器 、 扬声器等组成 ， 如 图 3 所 示 。 图 3 广播对讲分机组成 当广播对讲分机通过终端接 口电路检测到广播 对讲终端的扩音命令时 ， 控制音频功放工作 ， 并将终 端传来的语音信号放大后进行扩音广播 ， 实现广播 功能。当井下作业人员需要 向调度监控中心汇报井 下情况时， 可按下讲话按键 ， AR M 处理器打开送话 器工作电路 ， 将井下作业人员的语音信号送 入音频 功放进行放大， 然后通过广播对讲终端接 V 1 传送给 广播对讲终端 ， 由广播对讲终端通过 I P网络传送给 调度控制 中心 ， 实现对讲功能。 4 结语 本质安全型矿用 I P广播对讲系统基于煤矿现 有的以太环网传输平台， 采用标准的 TC P ／ I P协议 ， 综合应用计算机、 网络、 VOI P 、 嵌入式系统等技术将 语音信号转换成标准的 I P包在以太 网上传输 ， 系统 连接简单 ， 布线方便， 传输距离远 ， 音质好 ， 稳定可 靠 ， 能够为矿井提供高品质的语音扩音、 对讲服务。 该系统在 国内广播对讲领域技术领先 ， 目前 已在多 个煤矿安装使用， 运行状态良好 ， 为煤矿安全生产调 度 、 安全避 险和应急救援提供了有力的保障。 参考文献 [ 1 ] 国家安全生产 监督管理 总局． 国家安全监 管总局 国家 煤矿 安监局关 于建设 完善煤 矿井下安 全避 险“ 六大 系 统” 的 通 知 安 监 总 煤 装 [ 2 0 1 0 ]1 4 6号 [ E B ／ OL ] ． 2 0 1 0～ 0 8 2 6 [ 2 0 1 1 0 5 1 0 ] ．h t t p ／ ／ ww w． c hi na s a f e t y ． go v． c n ． [ 2 ] 孙继平． 煤矿井下安 全避险“ 六大 系统” 的作用 和配置 方案 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 0 1 1 1 4 ． [ 3 ] 张起贵． 基于以太 网的可寻址 广播 系统 的设计 E J ] ． 科 技情报开发与经济 ， 2 0 0 6 1 6 2 2 0 2 2 1 ． [ 4 ] 丁恩杰 ， 苗曙光 ， 朱 微维 ， 等． 一 种基于 C AN总 线的煤 矿数字化 扩音 电话 系统 的设计 [ J ] ． 工 矿 自动 化， 2 0 1 0 1 6 6 - 6 9 ． [ 5 ] 谢安． 一种新 型矿井广播 电话 系统 的研 究[ J ] ． 科技 信 息 ， 2 0 l O 2 8 1 3 0 1 3 1 ．