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摘要：针对现有数字对讲机仅仅支持语音通话等基础功能，无法实现更多智能数据业务的情况，提出了借助智能手机和蓝牙技术，构建智能对讲机的解决方法。该方法利用智能手机，蓝牙技术，嵌入式技术，通过对传统对讲机音频输入输出，以及数据连接服务的接管，完成了对讲机使用智能手机进行配置，位置信息发送和查看，运动轨迹记录等扩展业务，实现了数字对讲机的智能化改造。经过多人试验证明，使用智能化的对讲机，可以在户外探险，作业等活动中，方便追踪组员位置，发送紧急求救信息，大大提高了户外运动的安全性。
关键词： 智能对讲机；蓝牙；离线地图；轨迹记录；户外救援
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）03-0225-04
Design and Implementation Method of Smart Two-way Radios
ZHANG Zhi-quan
（Zhengzhou Foreign Language School， Zhengzhou 450001，China）
Abstract：To solve the problem that now available digital two-way radio is only able to support some basic functions ， such as voice call instead of realizing more data services ， an solution has come up that with the help of smartphone and the Bluetooth ， a kind of smart two-way radio can be built up. The technology of smartphones， Bluetooth and embed is used. By managing the output and input of the voice call of the two-way radio and data connection， the task that the smartphone can control the two-way radio and offer other extended services such as sending and receiving location information and recording trails is completed. It makes the two-way radio smart .As it is proved in experiments， using the smart two-way radio is convenient to locate team members and send ‘SOS’ messages when making outdoor exploration and outdoor working. The safety of outdoor sports is greatly increased.
Key words：smart 2-way radio； bluetooth； offline maps； track record； outdoor relief
对讲机可以为现场指挥和集群调度提供最佳的通信体验。数字对讲机除了支持语音业务，还可以承载更多的数据通信业务，但支持数据业务的数字对讲机，价格昂贵，用户体验一般。
为实现传统数字对讲机的智能数据业务，项目结合智能手机、蓝牙无线通信技術，提出了一个传统数字对讲机的改造方案：在不改变现有对讲机硬件前提下，通过添加蓝牙智能硬件，基于智能手机及其中运行的APP软件，实现了基于数字对讲机位置追踪，轨迹记录，短消息收发等业务。
1系统概述
一般的应用场景下，多个对讲机组成一个对讲机本地网络，互相之间可以发送群呼，个呼等语音信息。其主要架构如图1所示。
在此架构下，每个智能对讲单元可以和有效距离范围内的任意终端通信；因此依赖该数据网络的通信业务，也可以在此本地网络中完成信息交换。
图1 智能对讲机网络系统组成
每一个智能对讲机单元由智能扩展板，数字对讲机，智能手机组成，其组成关系如图2所示。
数字对讲机提供网络通信的基础。其中，写频串口用来接收来自手机的指令，对讲机根据指令完成相应动作；音频输入输出接口用于实现声音信号的接管。这两种信号最终均通过蓝牙模块传输到手机。
智能扩展板是连接数字对讲机和手机之间的桥梁。智能扩展板通过内置的蓝牙模块收取手机的协议指令，经过单片机处理转换后通过串口发送给对讲机；同时，如果按下PTT按键，则扩展板将从蓝牙输入音频发送到对讲机的麦克接口；而如果对讲机收到语音信息，也会通过蓝牙传输给智能手机，手机实现接收音频的播放。
智能手机则为对讲机的业务扩展提供了丰富的硬件外设和软件执行环境。手机的GPS，陀螺仪，气压计等硬件提供的信息，可以通过对讲机网络进行传输；运行智能对讲机专用的配套软件后，手机的触摸屏可以用来完成对对讲机的写频配置，可以使用大屏幕查看离线地图，清楚知道其它队员的位置信息。
图2 智能对讲机系统组成图
2设计与实现
2.1 硬件总体设计
智能数字对讲机主要有三部分组成，其中：数字对讲机需要进行很少的硬件改动，即将对讲机的写频线和耳机线引出，连接智能扩展板的串口和音频IO；智能扩展板作为对讲机智能化的核心，提供对讲机和手机之间通信的通道，同时对相关协议进行处理和转换。
图3 硬件总体组成图
2.2 数字对讲机的硬件改造
本项目中是使用DMR数字对讲机进行改造试验。找到数字对讲机的写频口，如图4所示。然后使用K头线将此处的几根线引出，分别为PTT，UART_TX，UART_RX，GND，Auido_OUT，Audio_In。
图4 对讲机的整体图和K头接线处
2.3 智能扩展板设计
智能扩展板是整个系统的核心组件，其主要模块包括：锂电池组，电源管理模块，单片机主控模块，蓝牙模块，另外包含了GPS定位模块的预留位置，可以提供功能扩展。
如图3虚框中所示，智能扩展板通过单节锂电池供电，提供3.7～4.2V的直流输入，电源管理模块分别为GPS，主控，蓝牙提供所需的供电。
下面分别说明各主要模块的功能。
2.3.1 电源管理部分
对讲机本身具有自己的电池，所以智能扩展板的设计仅需要考虑自身的供电需求，结合其主要组件的功耗要求，选择了3.7V的单节锂离子电池，采用18650封装的松下或LG电池组成，按照并联节数1～4节的不同，电池容量可以支持从3600mAH到14400mAH。
电池管理部分采用TI BQ25895芯片，支持高电压快充和电池的升压管理等，电池保护芯片采用BQ29700。锂电池的输入电压为3.7～4.2伏，经过稳压芯片降压，提供3.3V电压给单片机和蓝牙模块，经过升压后提供5V电压给GPS定位模块。
2.3.2 单片机主控
主控模块使用NXP的K22 ARM单片机实现。其提供了多个串口，使用不同串口分别连接蓝牙模块，数字对讲机设备，预留GPS模块，完成主控模块和各主要模块之间的数据通信。
2.3.3 蓝牙模块
蓝牙模块同时支持BLE低功耗蓝牙和传统蓝牙连接，同时支持数据和语音传输：支持A2DP音频传输模型协定，支持HSP和HFP蓝牙耳机模型协定，支持SPP串口模型协定。依赖这些支持，蓝牙扩展板可以顺利完成对讲机信令和语音信号的接管和控制。蓝牙模块提供通过串口和主控模块进行通信，主控模块通过串口发送AT指令完成蓝牙模块的配置和数据收发。其主要指令包括SPP，A2DP，HFP相关功能的配置，方法实现等。
2.3.4 预留GPS模块
GPS模块可以连接到K22单片机的串口上，在本项目设计中，位置信息數据由手机提供，因此不需要扩展板本身具备GPS模块。如果在扩展中，需要保持设备的独立运行，即不依赖手机也可报告自己的位置信息，则需要将该预留模块加上。
GPS模块一般通过串口或I2C接口提供数据，其数据格式按照NMEA 0183的标准格式输出，在此不赘述。
2.4 嵌入式软件设计
K22单片机中运行蓝牙智能扩展板的所有控制程序。在其中将（0x0000 0000——0x0000 3FFF）16kB划分为第一部分区域，存储BootLoader，将（0x0000 4000——0x0006 FFFF）432kB划分为第二部分区域，存储主程序，将（0x0007 0000——0x0007 FFFF）64kB划分为第三部分区域，存储参数。主要结构见图5。
图5 单片机嵌入式软件存储分区
系统上电，运行BootLoader，检测参数区的升级标志是否具备，如果需要升级，则通过检测连接蓝牙的串口，等待蓝牙通过串口写入主程序；如果不需要升级，则继续运行主程序。 主程序进行一系列的接口初始化，启动实时操作系统MQX自启动任务，自启动任务负责启动各个其它任务模块。各个任务模块读取信息存储区的参数，进行初始化，各个任务在运行过程中，根据具体情况，对参数进行设置或修改，其主程序架构见图6。
图6 单片机嵌入式软件存储分区
模块中的参数列表包含：用户数据，设备参数（各模块基础参数，ID，版本等），数字对讲机射频部分参数，GPS参数（内/外部，控制，信息提取规则），蓝牙模块参数（通信配置，模式配置）。
2.5 手机软件设计
手机软件是在Android 4.0以上版本中运行的APP程序，采用Android Studio进行开发，开发过程中采用模块化的架构设计，其主要框架如图7所示。
图7 智能对讲机手机APP架构
2.6 智能手机软件
智能手机的软件实现了离线地图，设备管理，对讲，聊天，轨迹等基本功能，请参考图8。
图8 APP软件界面图
3实验测试
在初步的测试中，我们采用了典型的无网络架构进行测试，即：队员手机均处于无网络状态，互相之间无法通过手机进行联络。此状态模拟在户外探险或运动中的最严苛条件，标志着所有用户的手机均没有信号，无法通过手机网络进行通话，数据等沟通。
测试基本情况如表1所示。
表1 智能对讲测试说明表
[智能对讲机测试说明表
测试人数：4人。
关键词： 智能对讲机；蓝牙；离线地图；轨迹记录；户外救援
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）03-0225-04
Design and Implementation Method of Smart Two-way Radios
ZHANG Zhi-quan
（Zhengzhou Foreign Language School， Zhengzhou 450001，China）
Abstract：To solve the problem that now available digital two-way radio is only able to support some basic functions ， such as voice call instead of realizing more data services ， an solution has come up that with the help of smartphone and the Bluetooth ， a kind of smart two-way radio can be built up. The technology of smartphones， Bluetooth and embed is used. By managing the output and input of the voice call of the two-way radio and data connection， the task that the smartphone can control the two-way radio and offer other extended services such as sending and receiving location information and recording trails is completed. It makes the two-way radio smart .As it is proved in experiments， using the smart two-way radio is convenient to locate team members and send ‘SOS’ messages when making outdoor exploration and outdoor working. The safety of outdoor sports is greatly increased.
Key words：smart 2-way radio； bluetooth； offline maps； track record； outdoor relief
对讲机可以为现场指挥和集群调度提供最佳的通信体验。数字对讲机除了支持语音业务，还可以承载更多的数据通信业务，但支持数据业务的数字对讲机，价格昂贵，用户体验一般。
为实现传统数字对讲机的智能数据业务，项目结合智能手机、蓝牙无线通信技術，提出了一个传统数字对讲机的改造方案：在不改变现有对讲机硬件前提下，通过添加蓝牙智能硬件，基于智能手机及其中运行的APP软件，实现了基于数字对讲机位置追踪，轨迹记录，短消息收发等业务。
1系统概述
一般的应用场景下，多个对讲机组成一个对讲机本地网络，互相之间可以发送群呼，个呼等语音信息。其主要架构如图1所示。
在此架构下，每个智能对讲单元可以和有效距离范围内的任意终端通信；因此依赖该数据网络的通信业务，也可以在此本地网络中完成信息交换。
图1 智能对讲机网络系统组成
每一个智能对讲机单元由智能扩展板，数字对讲机，智能手机组成，其组成关系如图2所示。
数字对讲机提供网络通信的基础。其中，写频串口用来接收来自手机的指令，对讲机根据指令完成相应动作；音频输入输出接口用于实现声音信号的接管。这两种信号最终均通过蓝牙模块传输到手机。
智能扩展板是连接数字对讲机和手机之间的桥梁。智能扩展板通过内置的蓝牙模块收取手机的协议指令，经过单片机处理转换后通过串口发送给对讲机；同时，如果按下PTT按键，则扩展板将从蓝牙输入音频发送到对讲机的麦克接口；而如果对讲机收到语音信息，也会通过蓝牙传输给智能手机，手机实现接收音频的播放。
智能手机则为对讲机的业务扩展提供了丰富的硬件外设和软件执行环境。手机的GPS，陀螺仪，气压计等硬件提供的信息，可以通过对讲机网络进行传输；运行智能对讲机专用的配套软件后，手机的触摸屏可以用来完成对对讲机的写频配置，可以使用大屏幕查看离线地图，清楚知道其它队员的位置信息。
图2 智能对讲机系统组成图
2设计与实现
2.1 硬件总体设计
智能数字对讲机主要有三部分组成，其中：数字对讲机需要进行很少的硬件改动，即将对讲机的写频线和耳机线引出，连接智能扩展板的串口和音频IO；智能扩展板作为对讲机智能化的核心，提供对讲机和手机之间通信的通道，同时对相关协议进行处理和转换。
图3 硬件总体组成图
2.2 数字对讲机的硬件改造
本项目中是使用DMR数字对讲机进行改造试验。找到数字对讲机的写频口，如图4所示。然后使用K头线将此处的几根线引出，分别为PTT，UART_TX，UART_RX，GND，Auido_OUT，Audio_In。
图4 对讲机的整体图和K头接线处
2.3 智能扩展板设计
智能扩展板是整个系统的核心组件，其主要模块包括：锂电池组，电源管理模块，单片机主控模块，蓝牙模块，另外包含了GPS定位模块的预留位置，可以提供功能扩展。
如图3虚框中所示，智能扩展板通过单节锂电池供电，提供3.7～4.2V的直流输入，电源管理模块分别为GPS，主控，蓝牙提供所需的供电。
下面分别说明各主要模块的功能。
2.3.1 电源管理部分
对讲机本身具有自己的电池，所以智能扩展板的设计仅需要考虑自身的供电需求，结合其主要组件的功耗要求，选择了3.7V的单节锂离子电池，采用18650封装的松下或LG电池组成，按照并联节数1～4节的不同，电池容量可以支持从3600mAH到14400mAH。
电池管理部分采用TI BQ25895芯片，支持高电压快充和电池的升压管理等，电池保护芯片采用BQ29700。锂电池的输入电压为3.7～4.2伏，经过稳压芯片降压，提供3.3V电压给单片机和蓝牙模块，经过升压后提供5V电压给GPS定位模块。
2.3.2 单片机主控
主控模块使用NXP的K22 ARM单片机实现。其提供了多个串口，使用不同串口分别连接蓝牙模块，数字对讲机设备，预留GPS模块，完成主控模块和各主要模块之间的数据通信。
2.3.3 蓝牙模块
蓝牙模块同时支持BLE低功耗蓝牙和传统蓝牙连接，同时支持数据和语音传输：支持A2DP音频传输模型协定，支持HSP和HFP蓝牙耳机模型协定，支持SPP串口模型协定。依赖这些支持，蓝牙扩展板可以顺利完成对讲机信令和语音信号的接管和控制。蓝牙模块提供通过串口和主控模块进行通信，主控模块通过串口发送AT指令完成蓝牙模块的配置和数据收发。其主要指令包括SPP，A2DP，HFP相关功能的配置，方法实现等。
2.3.4 预留GPS模块
GPS模块可以连接到K22单片机的串口上，在本项目设计中，位置信息數据由手机提供，因此不需要扩展板本身具备GPS模块。如果在扩展中，需要保持设备的独立运行，即不依赖手机也可报告自己的位置信息，则需要将该预留模块加上。
GPS模块一般通过串口或I2C接口提供数据，其数据格式按照NMEA 0183的标准格式输出，在此不赘述。
2.4 嵌入式软件设计
K22单片机中运行蓝牙智能扩展板的所有控制程序。在其中将（0x0000 0000——0x0000 3FFF）16kB划分为第一部分区域，存储BootLoader，将（0x0000 4000——0x0006 FFFF）432kB划分为第二部分区域，存储主程序，将（0x0007 0000——0x0007 FFFF）64kB划分为第三部分区域，存储参数。主要结构见图5。
图5 单片机嵌入式软件存储分区
系统上电，运行BootLoader，检测参数区的升级标志是否具备，如果需要升级，则通过检测连接蓝牙的串口，等待蓝牙通过串口写入主程序；如果不需要升级，则继续运行主程序。 主程序进行一系列的接口初始化，启动实时操作系统MQX自启动任务，自启动任务负责启动各个其它任务模块。各个任务模块读取信息存储区的参数，进行初始化，各个任务在运行过程中，根据具体情况，对参数进行设置或修改，其主程序架构见图6。
图6 单片机嵌入式软件存储分区
模块中的参数列表包含：用户数据，设备参数（各模块基础参数，ID，版本等），数字对讲机射频部分参数，GPS参数（内/外部，控制，信息提取规则），蓝牙模块参数（通信配置，模式配置）。
2.5 手机软件设计
手机软件是在Android 4.0以上版本中运行的APP程序，采用Android Studio进行开发，开发过程中采用模块化的架构设计，其主要框架如图7所示。
图7 智能对讲机手机APP架构
2.6 智能手机软件
智能手机的软件实现了离线地图，设备管理，对讲，聊天，轨迹等基本功能，请参考图8。
图8 APP软件界面图
3实验测试
在初步的测试中，我们采用了典型的无网络架构进行测试，即：队员手机均处于无网络状态，互相之间无法通过手机进行联络。此状态模拟在户外探险或运动中的最严苛条件，标志着所有用户的手机均没有信号，无法通过手机网络进行通话，数据等沟通。
测试基本情况如表1所示。
表1 智能对讲测试说明表
[智能对讲机测试说明表
测试人数：4人。