Vibration monitoring and analysis of ranging target based on laser self-mixing interference
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摘要: 为防范顶板松动、断裂等危险，需要对煤矿巷道、涵洞和隧道的顶底板距离及两帮之间的距离或接近程度进行动态监测。常规激光测距传感器容易受到外部因素的干扰，特别是由目标振动造成的信号频谱展宽，严重影响监测精度。针对上述问题，设计了基于激光自混合干涉的测距系统，能够通过监测目标的振动来实现测距误差的补偿。仿真结果表明：实际位移与设定参数之间显示相同的变化规律，幅值偏差表现出波动变化特征；对相位信号进行余弦转换，再对其频谱测试，经过补偿处理后可对信号频谱展宽起到显著的抑制作用。用扬声器模拟振动，实验结果表明：补偿后的信号形成了良好的相位线性度，有效避免了振动对信号频谱的展宽，实现了测距精度的显著提升。由于该系统无需重新匹配激光器的性能，可以满足较大范围的测试需求，同时光路组件相对简单，满足煤矿巷道等复杂环境的测试需求。
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0. 引言
随着智能矿山建设推进，大量智能装备在煤矿井下推广应用[1-2]。智能矿灯作为工作人员常用设备，具有照明、语音通话、人员定位和视频拍照等多种功能[3-4]，为矿工的安全提供了重要保证。许多研究者对矿灯进行了研究。张帝等[5]基于LoRa无线通信技术和物联网操作系统RT−Thread设计了一种集井下照明、环境状态感知、人员状态监测与定位、无线通信与安全报警的多功能矿灯，但是通信带宽低、无语音采集和播放功能。刘朝阳等[6] 设计了一种矿用通信矿灯，将TD−LTE技术与矿灯相融合，具有语音通话功能，但是存在功耗高、硬件复杂等缺点。戴剑波[7]设计了一种低功耗多模定位矿灯，仅集成了定位功能。吴静然等[8]设计了一种基于WiFi技术的煤矿井下智能终端设备，该设备集环境信息采集、人员定位和信息交互功能于一体，但没有语音采集和播放、双向对讲功能。综上可知，现有矿灯大多只具有照明、定位、环境感知等功能，没有语音对讲功能。鉴此，本文设计了一种基于WiFi的语音矿灯，该语音矿灯具有照明与语音对讲功能，调度台工作人员可以随时与井下佩带该矿灯的工作人员进行语音对讲，为智能矿山建设提供了一个低成本、低功耗语音通信终端设备。
1. 语音矿灯设计
1.1 工作原理
基于WiFi的语音矿灯以工业以太环网和WiFi网络为传输平台[9]，采用VoIP语音通信技术[10-11]实现语音播放、音频采集、与调度台对讲功能。语音矿灯中的音频编解码芯片可实现语音模拟信号与数字信号的转换，通过工业以太环网和WiFi网络，采用UDP(User Datagram Protocol，用户数据包协议)将信号传输至调度台[12]，完成语音数据的双向传输。基于WiFi的语音矿灯工作原理如图1所示，主要包括调度台、工业以太环网、WiFi基站和语音矿灯4个部分。语音矿灯接收到下行数据后，自动播放语音数据，当音频采集结束后，自动将语音数据发送给调度台，从而实现与地面调度台双向语音对讲功能。
1.2 硬件设计
语音矿灯硬件包括WiFi模块、语音模块、LED、按键、麦克风及扬声器等，如图2所示。
语音矿灯包含灯头和灯座2个部分，两者通过4芯线相连接，红蓝2根线用于供电、白绿2根线用于RS232通信。语音模块主要由微控制器STM32L151、FLASH存储器、音频编解码芯片和语音功放芯片组成。WiFi模块及天线固定在灯座，微控制器STM32L151、FLASH存储器、音频编解码芯片、语音功放芯片、LED、按键、麦克风及扬声器等固定在灯头。WiFi模块与微控制器STM32L151之间的通信接口为RS232，实现数据双向交互。
1.2.1 WiFi模块
语音矿灯工作时，WiFi模块连接至WiFi基站，与调度台实现注册和心跳检测[13]，为调度台与语音模块之间提供透明传输通道。WiFi模块工作流程如图3所示。
1.2.2 语音模块
语音模块采用STM32L151芯片，主要用于语音播放、音频采集和语音数据缓存与管理等。语音数据传输存在2种数据流：① 下行语音数据：调度台下发至语音矿灯的数据。调度台下发语音数据时，微控制器STM32L151先缓存语音数据至FLASH存储器，当接收完毕后，自动播放该语音数据。② 上行语音数据：语音矿灯上传至调度台的数据。语音矿灯上传语音数据时，微控制器STM32L151采集语音数据后，缓存至FLASH存储器，同时向调度台传输语音数据。当数据接收完毕后，调度台自动播放该语音数据，如果该语音数据为组播，则转发至组内所有语音矿灯，实现组内对讲。语音模块工作流程如图4所示。
2. 语音对讲实现的关键技术
2.1 语音数据缓存与管理
语音数据采用UDP传输方式，传输时延受网络环境影响较大，语音矿灯接收到语音数据后，首先对语音数据进行缓存，然后根据序列号和编码号进行排序管理，从而保证语音播放的连续性和准确性。语音矿灯采集音频数据时，首先缓存在FLASH存储器中，然后发送至WiFi基站及调度台。调度台传输语音数据至语音矿灯时，语音矿灯首先将语音数据缓存在FLASH存储器中，接收完毕后才自动播放。
语音矿灯每隔20 ms采样1次音频数据，编码压缩后语音数据有效格式的长度为24 byte，从而降低了语音数据对网络带宽的要求。为有效管理和可靠传输语音数据，需对语音数据添加一些管理信息，每段语音数据对应1个序列号(1
$ —$ 254)，1$ —$ 254个序列号循环使用，从而避免重复下载和上传语音数据。其中每个语音数据帧对应1个编码号(0$ —$ 65 535)，用于语音数据帧排序和重组，格式说明见表1。表 1 语音数据帧的格式说明Table 1. Format description of voice data frames序号 内容 长度/byte 说明 1 序列号 1 每段语音数据对应1个序列号 2 编码号 2 每个语音数据帧对应1个编码号 3 语音数据 24 有效的语音数据 2.2 语音数据可靠传输机制
为了保证语音数据传输的可靠性，语音矿灯中的语音模块与调度台之间的语音数据传输采用应答模式[14]，语音数据可靠传输机制如图5所示。调度台传输下行语音数据时，首先向语音矿灯发送请求帧，然后等待接收响应帧。只有成功接收到响应帧，调度台才发送语音数据帧。语音模块接收到语音数据帧，校验正确且缓存成功，则回复数据响应帧。调度台接收到数据响应帧，只有认为发送成功，才会发送下一个语音数据帧。通过这种应答模式，调度台将语音数据准确无误地传输至语音矿灯。对于上行语音数据，语音模块主动发送请求帧，只有成功接收到响应帧，才向调度台发送语音数据帧。每一个语音数据帧均有对应的数据响应帧，从而保证语音矿灯与调度台之间可靠的数据传输。
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图 5 语音矿灯与调度台之间的语音数据可靠传输机制Figure 5. Reliable transmission mechanism of voice data between voice miner's lamp and dispatching center2.3 低功耗休眠机制
WiFi模块开机后工作电流为70 mA左右，但是WiFi模块仅仅在数据传输时需要工作，其他时间可以进行休眠，休眠时电流仅为5 mA左右，从而降低了语音矿灯的平均功耗。语音矿灯低功耗休眠包含WiFi模块和语音模块休眠2个部分，在没有语音数据传输时，两者均进入休眠模式。语音矿灯低功耗休眠机制如图6所示，当WiFi模块扫描WiFi基站时，检测到信标帧(Beacon)中有数据请求，则立刻唤醒语音模块，开始接收数据，同时将语音数据转发至微控制器STM32L151。当微控制器STM32L151检测到对讲按键按下时，则进行音频采集，将语音数据转发至WiFi模块。WiFi模块和微控制器STM32L151进入休眠模式后，通过RS232接口(外部IO唤醒方式)唤醒对方，通知对方开始处理语音数据。
3. 试验测试与分析
为了测试语音矿灯双向对讲功能、WiFi基站通信距离和整机工作电流等，在瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室清水溪试验巷道内搭建了测试平台，如图7所示。测试平台布置了2台WiFi基站、20个语音矿灯和1台计算机，2台WiFi基站之间的距离约为400 m，均采用增益为16 dB的定向天线，天线安置高度约为2 m、距巷道壁约为0.8 m。20个语音矿灯均匀布置在巷道中间，高度约为1 m。
断电WiFi基站B，将20个语音矿灯分为4组，分别放置在距WiFi基站A的100、200、300、400 m处。按住语音矿灯对讲按键，录音60 s，并发送语音数据至计算机，然后松开对讲按键，计算机在1 s内自动播放该语音。在计算机上录音60 s，并发送语音数据至语音矿灯，1 s后语音矿灯自动播放该语音。上电WiFi基站B，将20个语音矿灯分为2组，分别放置在距WiFi基站A的400 m处和WiFi基站B的300 m处。按住语音矿灯组播按键，录音60 s，并发送语音数据至计算机，然后松开对讲按键，计算机在1 s内自动播放该语音，其他语音矿灯均在3 s内播放该语音。
根据上述试验测试结果可知，语音矿灯与WiFi基站通信距离可达400 m，语音对讲音质清晰；语音矿灯与计算机之间对讲传输时延小于1 s，语音矿灯之间的组播传输时延小于3 s，能够满足调度台工作人员随时与井下工作人员进行语音对讲需求。
此外，采用Fluke 289万用表测试语音矿灯的平均电流，语音对讲时平均电流为68.6 mA，空闲时，即WiFi模块和微控制器STM32L151进入休眠模式后的平均电流为4.2 mA，满足低成本、低功耗的要求。
4. 结论
(1) 采用一种低成本、低功耗技术设计了基于WiFi的语音矿灯，该矿灯采用WiFi技术和VoIP语音通信技术，利用音频编解码芯片实现语音模拟信号与数字信号之间的转换，具有语音播放、音频采集、双向对讲等功能，为调度台与井下工作人员之间提供了双向语音对讲功能。
(2) 试验结果表明：语音矿灯与WiFi基站通信距离可达400 m，与调度台之间的对讲传输时延小于1 s，矿灯之间的组播传输时延小于3 s；对讲时平均电流小于70 mA，空闲时平均电流小于5 mA。为智能矿山建设提供了一种低成本、低功耗、操作简单、适用性强的语音通信终端设备。
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