基于VOIP技术的选煤厂分布式语音控制器的研究与应用

成举炳，周国宾，马松波，刘克颜

（平顶山中选自控系统有限公司，河南平顶山 467000）

1 选煤厂的语音通信、调度系统现状及VOIP简介

随着智能化选煤厂的建设，生产现场出现了多种信息提示设备，比如生产看板、语音报警广播等，为用户提供了图像、语音等交互方式。而语音调度通信仍然是使用资源最少、成本最低的通信方式，目前仍在广泛使用，尤其在特定场所，如卸料地道、通道遮挡多的地方，仍是最优交互方式。

选煤厂语音调度通信目前采用的主要是调度电话系统。系统是以程控数字调度电话系统为主，位于机房的调度电话主机柜通过向现场敷设的大对数电话电缆，在现场设分线箱并分线至各电话分机。也有选用总线型扩音电话，采用多芯电缆呈总线模式连接主机与各分机。系统总线内包含多个频道，一般有1个守候频道，其他数个全（半）双工通话频道。当主叫发出呼叫后，被叫应答，然后双方切换至通话频道，通话结束后双方复位至守候频道。

选煤厂广播系统有多种方案可供选择：一是定压扩音机加定压喇叭；二是FM发射加FM扩音喇叭；三是公众广播系统等。各种方案可添加分区器和频分设备实现分区广播。

一般使用时，主要以广播系统向现场人员发送语音指令，如需双向通话，现场人员就近使用岗位电话与集中控制室沟通；若无广播系统，则集中控制室拨号至现场岗位电话等待接听，若N次振铃后无摘机，则自动打开扩音电话进行扩播。

上述系统都是自成体系，标准各异，系统之间难以融合，制约了通信能力，降低了通信效率；还存在线缆材料较多、敷设电缆工程量大、接线复杂等缺点。

而设计基于VOIP的分布式语音控制器，不但能实现4G、Wi-Fi、有线网络覆盖区域内提供语音双向通信及分区扩音广播功能，同时可与其它控制系统连接，实现智能语音提醒、故障报警等；如与PLC控制系统联动，还能实现对特定人员和特定区域的广播、对讲等功能。

VOIP （Voice over Internet Protocol）是指在以IP协议为网络层协议的话音通话。IP电话在整个信息传递过程中，中间传输段采用IP包方式，信息根据IP协议分成一个一个分组进行传输，每个分组上都有目的地址与分组序号，分组沿不同的途径到达目的地后再还原成原来的信号（见图 1）。

图1 VOIP系统示意

目前国内选煤厂主干网络已经全面进入工业以太网阶段，VOIP技术已具备深入工业现场的条件，可以充分利用既有工业以太网络，配合4G和Wi-Fi技术即可实现全方位网络覆盖，尤其是大型或厂区分散的厂矿更为适用。

2 分布式语音控制器设计原则、方案

选择成熟技术，满足兼容性需求。尽量选购标准硬件产品，采用主流标准接口，软件以封装调用为主，以提高编程效率。

硬件方案：采用成熟设备，基于Cortex-A7架构，主频1.2G，板载标准视频、音频接口，易于扩展和连接。音频输入输出板采用标准的3.5mm音频接口，同时支持IIC模式的音频信号采集，对外输出标准的1V音频信号和采用10W音频功率放大电路；音频输入输出板具备预加重功能，用于弥补音频信号中的高频部分；蓝牙模块采用蓝牙4.0版本，能够通过蓝牙控制外部设备；固件支持 Linux和 Android。外形尺寸为118mm×71mm，可以方便的嵌入在现场设备中（见图 2）。

图2 分布式语音控制器硬件模块示意

软件方案：基于成熟的Android系统，使用强大的Android studio开发环境，具备丰富的开发包和插件。语音编码采用G.729711，使用8 k采样率时压缩16倍，码率8kbps，连续对讲1 h耗流量4MB左右。TCP／UDP自动切换，支持各种网络，延时 ＜1s。

软件实现了与服务器之间的信令处理、语音编解码、蓝牙通信、后台服务运行等事件的监听和处理等功能。软件收到音频采集接口的音频信号时，先对音频信号进行压缩编码，然后按照系统控制指令发送至另一指定音频输出口或IP地址设备。当收到其他设备的IP数据包时，对数据包进行解码后供外部音频设备播放（见图3）。

图3 分布式语音控制器软件功能示意

软件设计：软件的核心功能由一个始终后台运行的Service实现。App在运行之前，首先开启start Service或关闭bind Service，并在on Service Connected（）回调中获取到Inter Ptt Service的实例（mService）。之后，所有与对讲有关的操作、设置，均通过调用mService的接口完成。此外，当Service接收到服务器数据或本地音频、蓝牙外设等模块状态改变时，会发送回调事件。App可监听这些事件，刷新界面显示。

客户端与服务器之间基于长连接，与常见的http协议request／response不同，请求和回应都是无状态的。以创建频道为例，客户端向服务器发送create Channel消息，然后无需等待。服务器处理如果成功，会主动向客户端发送一个Channel State消息；如果失败，会发送一个错误信息（见图4）。

3 工程应用

在智能化选煤厂集中控制系统中，在每个车间的生产平面布置语音控制器，用于语音广播和通话，并对不同车间、工艺段的控制器进行分组（分区）。在集中控制室监控计算机旁布置语音控制器，用于通话和计算机通信。

当监控计算机对某台设备进行语音故障提示时，如 “301电机过热”，监控计算机将字符串经过TTS（从文本到语音（Text To Speech））转换，然后通过音频输出至语音控制器，同时置位PTT（Push To Talk），发送至现场设备旁的语音控制器进行广播，当TTS结束后，清零PTT。可选择个别广播、分区广播或全部广播。

图4 分布式语音控制器信息流程示意

当现场人员需要和集中控制室通话时，按下语音控制器的PTT按钮，可以和对方进行半双工通话。

集中控制室的语音控制器具备最高通话级别，可以插入其他级别的通话，并可对所有语音通话进行录音。

语音控制器具备远程控制功能，可远程修改，便于调试。系统调试完毕后，可实现如下功能：

（1）与控制系统、单机自动化系统间的通信与语音广播；

（2）单播、分区、全播的灵活设定；

（3）设备安装、调整位置容易，就近插入交换机即可；

（4）语音 IP可设置 Qos，保证语音通话效果；

（5）系统具备SDK接口，方便与第三方通信，实现系统融合。

4 结 论

相较传统的选煤厂调度通信和广播系统，语音控制器采用成熟的软硬件开发平台，利用了成熟的通信网络和主流的通信协议，联通了各系统的接口，接通了各个终端，信息能有效沟通，可实现语音系统与生产控制系统之间的紧密融合，提供了从固定到移动端设备语音的全面覆盖，并充分利用已有网络设备，降低了设备成本，为智能化选煤厂提供了基础语音服务。