成舉炳，周國賓，馬松波，劉克顏

（平頂山中選自控系統(tǒng)有限公司，河南平頂山 467000）

1 選煤廠的語音通信、調(diào)度系統(tǒng)現(xiàn)狀及VOIP簡介

隨著智能化選煤廠的建設(shè)，生產(chǎn)現(xiàn)場出現(xiàn)了多種信息提示設(shè)備，比如生產(chǎn)看板、語音報警廣播等，為用戶提供了圖像、語音等交互方式。而語音調(diào)度通信仍然是使用資源最少、成本最低的通信方式，目前仍在廣泛使用，尤其在特定場所，如卸料地道、通道遮擋多的地方，仍是最優(yōu)交互方式。

選煤廠語音調(diào)度通信目前采用的主要是調(diào)度電話系統(tǒng)。系統(tǒng)是以程控數(shù)字調(diào)度電話系統(tǒng)為主，位于機(jī)房的調(diào)度電話主機(jī)柜通過向現(xiàn)場敷設(shè)的大對數(shù)電話電纜，在現(xiàn)場設(shè)分線箱并分線至各電話分機(jī)。也有選用總線型擴(kuò)音電話，采用多芯電纜呈總線模式連接主機(jī)與各分機(jī)。系統(tǒng)總線內(nèi)包含多個頻道，一般有1個守候頻道，其他數(shù)個全（半）雙工通話頻道。當(dāng)主叫發(fā)出呼叫后，被叫應(yīng)答，然后雙方切換至通話頻道，通話結(jié)束后雙方復(fù)位至守候頻道。

選煤廠廣播系統(tǒng)有多種方案可供選擇：一是定壓擴(kuò)音機(jī)加定壓喇叭；二是FM發(fā)射加FM擴(kuò)音喇叭；三是公眾廣播系統(tǒng)等。各種方案可添加分區(qū)器和頻分設(shè)備實現(xiàn)分區(qū)廣播。

一般使用時，主要以廣播系統(tǒng)向現(xiàn)場人員發(fā)送語音指令，如需雙向通話，現(xiàn)場人員就近使用崗位電話與集中控制室溝通；若無廣播系統(tǒng)，則集中控制室撥號至現(xiàn)場崗位電話等待接聽，若N次振鈴后無摘機(jī)，則自動打開擴(kuò)音電話進(jìn)行擴(kuò)播。

上述系統(tǒng)都是自成體系，標(biāo)準(zhǔn)各異，系統(tǒng)之間難以融合，制約了通信能力，降低了通信效率；還存在線纜材料較多、敷設(shè)電纜工程量大、接線復(fù)雜等缺點。

而設(shè)計基于VOIP的分布式語音控制器，不但能實現(xiàn)4G、Wi-Fi、有線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)提供語音雙向通信及分區(qū)擴(kuò)音廣播功能，同時可與其它控制系統(tǒng)連接，實現(xiàn)智能語音提醒、故障報警等；如與PLC控制系統(tǒng)聯(lián)動，還能實現(xiàn)對特定人員和特定區(qū)域的廣播、對講等功能。

VOIP （Voice over Internet Protocol）是指在以IP協(xié)議為網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的話音通話。IP電話在整個信息傳遞過程中，中間傳輸段采用IP包方式，信息根據(jù)IP協(xié)議分成一個一個分組進(jìn)行傳輸，每個分組上都有目的地址與分組序號，分組沿不同的途徑到達(dá)目的地后再還原成原來的信號（見圖 1）。

圖1 VOIP系統(tǒng)示意

目前國內(nèi)選煤廠主干網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)全面進(jìn)入工業(yè)以太網(wǎng)階段，VOIP技術(shù)已具備深入工業(yè)現(xiàn)場的條件，可以充分利用既有工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，配合4G和Wi-Fi技術(shù)即可實現(xiàn)全方位網(wǎng)絡(luò)覆蓋，尤其是大型或廠區(qū)分散的廠礦更為適用。

2 分布式語音控制器設(shè)計原則、方案

選擇成熟技術(shù)，滿足兼容性需求。盡量選購標(biāo)準(zhǔn)硬件產(chǎn)品，采用主流標(biāo)準(zhǔn)接口，軟件以封裝調(diào)用為主，以提高編程效率。

硬件方案：采用成熟設(shè)備，基于Cortex-A7架構(gòu)，主頻1.2G，板載標(biāo)準(zhǔn)視頻、音頻接口，易于擴(kuò)展和連接。音頻輸入輸出板采用標(biāo)準(zhǔn)的3.5mm音頻接口，同時支持IIC模式的音頻信號采集，對外輸出標(biāo)準(zhǔn)的1V音頻信號和采用10W音頻功率放大電路；音頻輸入輸出板具備預(yù)加重功能，用于彌補(bǔ)音頻信號中的高頻部分；藍(lán)牙模塊采用藍(lán)牙4.0版本，能夠通過藍(lán)牙控制外部設(shè)備；固件支持 Linux和 Android。外形尺寸為118mm×71mm，可以方便的嵌入在現(xiàn)場設(shè)備中（見圖 2）。

圖2 分布式語音控制器硬件模塊示意

軟件方案：基于成熟的Android系統(tǒng)，使用強(qiáng)大的Android studio開發(fā)環(huán)境，具備豐富的開發(fā)包和插件。語音編碼采用G.729711，使用8 k采樣率時壓縮16倍，碼率8kbps，連續(xù)對講1 h耗流量4MB左右。TCP／UDP自動切換，支持各種網(wǎng)絡(luò)，延時 ＜1s。

軟件實現(xiàn)了與服務(wù)器之間的信令處理、語音編解碼、藍(lán)牙通信、后臺服務(wù)運(yùn)行等事件的監(jiān)聽和處理等功能。軟件收到音頻采集接口的音頻信號時，先對音頻信號進(jìn)行壓縮編碼，然后按照系統(tǒng)控制指令發(fā)送至另一指定音頻輸出口或IP地址設(shè)備。當(dāng)收到其他設(shè)備的IP數(shù)據(jù)包時，對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼后供外部音頻設(shè)備播放（見圖3）。

圖3 分布式語音控制器軟件功能示意

軟件設(shè)計：軟件的核心功能由一個始終后臺運(yùn)行的Service實現(xiàn)。App在運(yùn)行之前，首先開啟start Service或關(guān)閉bind Service，并在on Service Connected（）回調(diào)中獲取到Inter Ptt Service的實例（mService）。之后，所有與對講有關(guān)的操作、設(shè)置，均通過調(diào)用mService的接口完成。此外，當(dāng)Service接收到服務(wù)器數(shù)據(jù)或本地音頻、藍(lán)牙外設(shè)等模塊狀態(tài)改變時，會發(fā)送回調(diào)事件。App可監(jiān)聽這些事件，刷新界面顯示。

客戶端與服務(wù)器之間基于長連接，與常見的http協(xié)議request／response不同，請求和回應(yīng)都是無狀態(tài)的。以創(chuàng)建頻道為例，客戶端向服務(wù)器發(fā)送create Channel消息，然后無需等待。服務(wù)器處理如果成功，會主動向客戶端發(fā)送一個Channel State消息；如果失敗，會發(fā)送一個錯誤信息（見圖4）。

3 工程應(yīng)用

在智能化選煤廠集中控制系統(tǒng)中，在每個車間的生產(chǎn)平面布置語音控制器，用于語音廣播和通話，并對不同車間、工藝段的控制器進(jìn)行分組（分區(qū)）。在集中控制室監(jiān)控計算機(jī)旁布置語音控制器，用于通話和計算機(jī)通信。

當(dāng)監(jiān)控計算機(jī)對某臺設(shè)備進(jìn)行語音故障提示時，如 “301電機(jī)過熱”，監(jiān)控計算機(jī)將字符串經(jīng)過TTS（從文本到語音（Text To Speech））轉(zhuǎn)換，然后通過音頻輸出至語音控制器，同時置位PTT（Push To Talk），發(fā)送至現(xiàn)場設(shè)備旁的語音控制器進(jìn)行廣播，當(dāng)TTS結(jié)束后，清零PTT?？蛇x擇個別廣播、分區(qū)廣播或全部廣播。

圖4 分布式語音控制器信息流程示意

當(dāng)現(xiàn)場人員需要和集中控制室通話時，按下語音控制器的PTT按鈕，可以和對方進(jìn)行半雙工通話。

集中控制室的語音控制器具備最高通話級別，可以插入其他級別的通話，并可對所有語音通話進(jìn)行錄音。

語音控制器具備遠(yuǎn)程控制功能，可遠(yuǎn)程修改，便于調(diào)試。系統(tǒng)調(diào)試完畢后，可實現(xiàn)如下功能：

（1）與控制系統(tǒng)、單機(jī)自動化系統(tǒng)間的通信與語音廣播；

（2）單播、分區(qū)、全播的靈活設(shè)定；

（3）設(shè)備安裝、調(diào)整位置容易，就近插入交換機(jī)即可；

（4）語音 IP可設(shè)置 Qos，保證語音通話效果；

（5）系統(tǒng)具備SDK接口，方便與第三方通信，實現(xiàn)系統(tǒng)融合。

4 結(jié) 論

相較傳統(tǒng)的選煤廠調(diào)度通信和廣播系統(tǒng)，語音控制器采用成熟的軟硬件開發(fā)平臺，利用了成熟的通信網(wǎng)絡(luò)和主流的通信協(xié)議，聯(lián)通了各系統(tǒng)的接口，接通了各個終端，信息能有效溝通，可實現(xiàn)語音系統(tǒng)與生產(chǎn)控制系統(tǒng)之間的緊密融合，提供了從固定到移動端設(shè)備語音的全面覆蓋，并充分利用已有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，降低了設(shè)備成本，為智能化選煤廠提供了基礎(chǔ)語音服務(wù)。