Prata och jobba samtidigt med Spirocom

Skriven av

Utanför det brinnande huset är det ganska spännande. Flammorna kastar sig upp mot höjderna, brandbilar tjuter, brandslangarna ringlar som mätta anakondor, blåjus snurrar och folk tittar intresserat på. Inne bland flammorna är det mindre kul. Där ska rökdykarna försöka arbeta i den 1000-gradiga hettan. Inte nog med det: de ska försöka prata med varandra också!

Hur kan man rädda liv, eller ens försöka samordna en aktion, när man inte kan prata med varandra? Telepati ligger en bit in i framtiden, så för närvarande är det radiokommunikation som gäller. Men när flammorna dånar, kapskivorna ylar och hoprasande byggnadsmaterial dundrar blir det inte mycket till kommunikation om man bara har en vanlig handradio att prata i. Ska man samtidigt spruta vatten på elden har man inte ens en hand över att hålla radion i.

De här killarna har annat för sig än att lattja med kommunikationsradio.

Tala högre!

Interspiro är ett svenskt företag som utvecklar andningshjälpmedel för brandmän, dykare och för arbete i farliga miljöer. Men kommunikationselektronik sysslar de inte med. Vid utvecklingen av rökdykarutrustning hade de kört in i samma kommunikationsproblem som alla andra tillverkare stod inför. Den mänskliga rösten räcker helt enkelt inte till. Det lilla som är kvar av den när den passerat ut genom rökdykarmaskens talmembran (3 cm diameter silikonmaterial) är inte mycket att hänga i julgranen.

Rökdykarna arbetar alltid som ett team och alla har radio, vilket räddar liv. Rökdykarnas, alltså. När de faktiskt kan prata i radion, vill säga. I USA är det vanligt att bara en av dykarna har radio och de andra får arbeta på känn, främst på grund av kostnaderna, fast det kostar många liv årligen. Det som behövs är dels lokal radiokommunikation mellan dykarna, dels en brygga till det yttre radionätet för kommunikation med en insatsledare och med andra grupper. Utöver detta behöver man talförstärkning och en yttre PA-högtalare som hörs utanför rökdykarmasken för samtal med eventuella skadade. Det här är ingen nyhet, utan detta har funnits tidigare, dock inte kombinerat i en enhet. Och inte har det varit billigt heller, men nu är det, så man kan eliminera problemen i USA.

Lösningen som elektronikutvecklaren Prevas kom fram med heter bandbreddsbegränsad, frekvenskompenserad, mikrodatorstyrd talöverföring inbyggd i en temperaturtålig enhet som kan monteras utanpå en befintlig rökdykarmask.

Den svarta, böjda enheten är Prevas tillsats, medan den gråaktiga rökdykarmasken lämnats i originalskick.

Så bekämpades bullret

Egentligen handlar det mesta om, och är det som kräver mest datakraft i Prevas tillämpning, att bli av med bullret i talljudet och slippa Darth-Vader-väsningarna. Buller finns det gott om i en brandmans omgivning, både utanför och innanför talområdets 300–3000 hertz. Undertecknads första reaktion hade varit att man borde ha hängt på den populära trenden med mot-ljud, alltså att ha en yttre mikrofon som hör på bullret och sedan subtraherar detta från ljudet i den inre mikrofonen.

En sådan mikrofon finns med i konstruktionen men den visade sig inte vara nödvändig. Åtminstone i den här konstruktionen och i nuläget. I ännu tuffare miljöer kan den kanske tänkas komma till nytta.

Programvaran försöker efter bästa förmåga känna igen vad som faktiskt är talljud och skilja det från väsningar i andningen. Det är svårt eftersom s-ljudet också är en väsning. Det går till så att man samplar ljudet från mikrofonen upp till 16 kilohertz och sedan klipper man av spektrum på mitten, vid 8 kHz, och jämför den övre och under halvan. Rösten måste dels totalt komma upp över en viss nivå och energin i den lågfrekventa delen måste vara större än i den högfrekventa innan man öppnar talkanalen. Skillnaden mellan den höga och låga delen får dock inte vara för stor, för då rör det sig inte om röst, utan snarare om enskilda frekvenser (en såg exempelvis). Algoritmen är dock inte kapabel att plocka bort delar, såsom vissa frekvensband, av ljudet och släppa fram andra.

Algoritmen i DSP:n har tränats på att känna igen talljud, men man använder i övrigt ingen adaptiv träning eftersom enheten ska vara generell.

Anledningen till att den mänskliga rösten hörs så dåligt utanför masken är att den måste ut genom ett talmembran, en tunn silikonplatta som är 3 centimeter i diameter och sitter framför munnen. Membranet är trots allt gummiaktigt och dessutom har det en resonanstopp vid 700 hertz som förvränger rösten. Men det är enda sättet att få ut ljud från en i övrigt gastät ansiktsmask. Algoritmen kompenserar därför för resonanstoppen. Det är för närvarande inga problem med akustisk återkoppling genom PA-högtalaren, men extra filter finns tillgängliga om det skulle behövas.

Hur som helst provade undertecknad utrustningen (se bild längst ned) och det var svårt att få igenom Darth-Vader-väsningar, men tal gick förvånansvärt bra.

Standardmask enklast

Varför har man skapat en lustigt formad tillsats att sätta utanpå en befintlig mask, och dra på sig problemen med talmembranet och ytterligare buller utifrån? Varför tar man inte bara hål i masken och stoppar in en mikrofon inuti?

Andningsmasker är livsuppehållande utrustning och som sådana noggrant specificerade, provade och certifierade. Det rör sig om flera normer som ska uppfyllas, som EN 136 klass 3, EN 137 och NFPA 1981:2002 Edition. Skulle man ha tagit upp hål i masken hade man varit tvungen att certifiera om den och utföra nya, dyrbara prov. Då var det billigare att bygga en extern utrustning och kompensera för alla felaktigheter som tillkommer genom talmembranet.

Det här projektet blev extra komplicerat eftersom det finns många ytterligare regler och krav som måste uppfyllas. Elektroniken måste till exempel uppfylla explosionsklassas för zon 0 (hårdaste kraven), vilket innebär att man knappt kan använda laddningsbärande komponenter som kondensatorer. Det är bekvämt för en elkonstruktör att kunna mellanlagra laddning i en stor kondensator för att ta belastningstoppar, men skulle man råka kortsluta en kondensator kan det bli gnistor, vilket inte är så lyckat i samband med brandfarliga gaser. En utmaning för elektronikkonstruktören. Brandkraven är också mycket strikta. Elektroniken ska till exempel kunna arbeta mellan –40 och +85 grader och enhetens yttersida ska tåla öppen låga med 1100 graders temperatur i tio sekunder, och 210 grader i 10 minuter.

Radiolänken blev special-special

Det fanns ett antal saker att fundera på när man gjorde radiolänken. Alla i teamet ska kunna prata med varandra, eller åtminstone fyra stycken åt gången. Radion måste dessutom vara mycket störtålig. Det duger inte att överföring kan störas av utomstående, varför man fick tillgripa kryptering och frekvenshopp.

Räckvidden var en viktig fråga. Bäst hade det dessutom varit om man kunde husera på det fria bandet kring 2,4 gigahertz, men risken för dämpning i väggar hade blivit för stor, och man tvingades ned till omkring 800–900 megahertz. Räckvidden ute i det fria är säkert flera hundra meter, men specifikationen säger att den ska räcka 2–3 rum och en våning upp och en våning ned. Det är det som är viktigt när man arbetar inuti hus med armerad betong i väggarna.

Kommunikationen mellan rökdykarna är VOX, alltså röstaktiverad. Det duger inte att man ska behöva trycka på en PTT-knapp för att kunna prata när man har händerna fulla med annat. Kommunikation med den externa världen, alltså via den lilla transcievern som är kopplad till en extern kommunikationsradio (Interspiro Radio Adapter) sköts dock med en PTT-knapp på utrustningens sida. Extra-transcievern är i princip samma sak som rökdykarutrustningen, fast baklänges. Radion har valts med så branta HF-filter att den kan ta emot rökdykarnas sändning samtidigt som kommunikationsradion sänder ut samma sak på en annan frekvens, 2 centimeter därifrån.

En TDMA-förbindelse måste vara synkroniserad och det första som händer när apparaterna slås på är att en utrustning tar på sig att sända synksignaler. De övriga enheterna lyssnar och följer, men skulle den första enheten bli ohörbar, tar någon annan över. När den första radion blir hörbar igen, tar den tillbaka uppgiften. Detta behövs om en grupp dykare till exempel delar upp sig på två grupper som inte hör varandra.

Vad är embedded?

En embedded-dator (lite fånigt kallad ”inbäddad” på svenska) är en mikrodator som är inbyggd i något annat och avsikten med den är att den bara ska fungera och inte skötas, övervakas, ”användas” eller styras på något sätt. Den är bara en del av hela och har en väl definierad, bestämd funktion.

Embedded-datorer finns lite varstans, i tvättmaskiner, CD-spelare, diskmaskiner, symaskiner osv. De har mera sällan en display att meddela sig med och ”tangentbordet” består oftast av ett par tre knappar eller ett vred.

Programvaran måste vara extra motståndskraftig mot det mesta. Det går ju sällan att starta om denna typ av dator, och det skulle vara ytterst tråkigt om en diskmaskin ”kraschade” mitt i tvättprogrammet och aldrig slutade spruta.

Systemet i detalj

Prevas använde en Texas Instruments MSP430F5419 microcontroller (MCU) som projektets huvudprocessor. Det är en i en serie processorer som används i det mesta som ska dra lite ström, cykeldatorer, trådlösa telefoner, digitala blodtrycksmätare, digitala väggklockor med mera. Vill man bara hålla innehållet i det statiska RAM:et räcker det med 0,1 mikroampere drivström. Ska realtidsklockan vara igång drar den 1 mikroampere. I övrigt drar den 250 mikroampere per MIPS man vill ha ur den.

I övrigt har den det mesta man behöver, en 16-bitars CPU, mellan 8–256 kB flashminne och 4–16 kB SRAM beroende på modell, A/D-omvandlare, D/A-omvandlare, komparatorer, displaydrivare, timers, watchdog, multiplikator, USB-interface, temperatursensor, UART, ja massor av godis, kort sagt. Några externa komponenter är knappast nödvändiga. Det är en RISC-processor med endast 27 instruktioner, 16 register och prestanda upp till 25 MIPS beroende på klockfrekvens.

De tunga ljudprocessuppgifterna tas om hand av en digital signalprocessor med namnet TLV320AIC3254, även den från Texas Instruments. Den är en Codec (coder-decoder) med inbyggd digital signalprocessor och A/D-omvandlare som kan sampla på två kanaler med 48 kilosample per sekund och D/A-omvandlare som kan mata ut två kanaler med samma samplingfrekvens. Denna typ av DSP är mycket vanlig i MP3-spelare och liknande. Den kan utföra tonkontroll, driva hörlurar direkt och mata ut drivspänning till en elektretmikrofon.

Kommunikationen med insatsledaren tas om hand av en helt vanlig kommunikationsradio (till höger i systemskissen) som Spirocom talar med via en kort radiolänk. Denna manövreras med helt vanlig Push-to-Talk-knapp.

Ett typiskt kopplingsschema är väldigt enkelt.

Du ser hörlursanslutningen längst nere till vänster. Högtalare kräver en yttre drivförstärkare, till höger, och alltihop körs från värdprocessorn via en seriell databuss, överst.

I slutänden av konstruktionen sitter en TDMA-radio med 64 tidluckor som heter CC1101, likaledes från Texas Instruments. Återigen har Prevas valt en mycket vanlig, billig radiokrets som man normalt har i trådlösa larm, industriövervakning, hemlarm, trådlösa elmätare och olika trådlösa periferienheter för datorer. Frekvenssyntesizern finns på kretsen, liksom alla mottagarfilter och antennswitchen mellan sändare och mottagare.

Man använder en frekvenshoppande förbindelse med en bärvågsfrekvens kring ISM-bandets 900 megahertz. Systemet stödjer 16 grupper av brandmän med 4 simultant pratande personer i varje grupp. Antalet brandmän i varje grupp är obegränsat. Frekvenshoppet sker beroende på geografisk region i 32 eller 64 kanaler. Förbindelsen överför cirka 250 kilobit per sekund, vilket ger en ungefärligen lika bred kanal, cirka 250 kHz. Radion och effektförstärkaren drar 35 milliampere i medelström när paket sänds, men den stängs givetvis av helt när inga tal- eller synkpaket skickas. För att klara livet och inte bli störd när den är monterad intill en vanlig kommunikationsradio, har mottagaren tämligen branta SAW-filter på ingången.

Radiokretsen spänner över områdena 300-348, 387-464 och 779-928 MHz så det finns gott om utrymme för landsanpassning. Den kan dessutom pressa igenom 500 kbps maximalt, så det finns gott om utrymme i den dimensionen också, från nuvarande 250 kbps.

Titta bara hur lätt det skulle kunna vara att bygga en asmatörradiotransciever för 432-MHz-bandet med CC 1101. Allt du behöver är 1,8 volt, så är du igång på 70-centimetersbandet och kan ropa “CQ CQ Seventy”!

Kryptering behövs eftersom det handlar om livsviktiga system som inte kan tåla interferens från en intresserad allmänhet.

Kretskortet fick en lite lustig utformning för att det skulle passa i tillgängligt utrymme. Men behövde mera kortyta än vad ett enkelt kort medgav så man var tvungen att göra en sk ”dubbelmacka” och vika ihop kortet på mitten med hjälp av flexibla ledare.

Det är egentligen inte många komponenter för att vara ett så omfattande system, men de flesta funktionerna är naturligtvis utförda i programvara och sitter inuti mikroprocessorerna.
1. Radioantenn.
2. Radiokretsen med effektförstärkare närmast antennen.
3. Huvudprocessorn.
4. DSP:n.
5. Flexkortet, kretskortets gångjärn.
6. Displaydrivare, kraft och LED-display.
7. Hantering av inkommande batterikraft.

Rent praktiskt blev det till en ovanligt utformad enhet som passar precis utanpå masken.

Enheten är mycket flexibel med armar som kan böjas till för att passa bäraren och masken.
1. Hörlur.
2. Mode-knapp.
3. PA-högtalare.
4. Display för kanalval mm.
5. Av/På, volymkontroll och kanalval.
6. Push-to-talk mot yttre radio utanför teamet, exempelvis insatsledare.
7. Mikrofon.
8. Mot-mikrofon (används inte fn).

Kompakt programvara

Systemet styrs alltså av två processorer, med var sin programvara.

Huvudprocessorn exekverar en binärfil på cirka 76 kilobyte, vilket från början var cirka 13.000 rader källkod. DSP-ns källkod är en företagshemlighet, men man använder sig av ungefärligen 300 registerinställningar.

Som vanligt när man studerar sådana här specialbyggda system finner man hur fantastiskt kompakt programmerare kan skriva kod när de måste. Och hur mycket det blir gjort på så lite kod. Ordbehandlaren du sitter och knackar i varenda dag drar kanske 30 megabyte. Om den sen gör så fantastiskt mycket mera nytta ska vi låta vara osagt. Men vi bör ändå alla falla på knä för den programmerare i NASAs Voyager-projekt som hittade 256 byte ledigt i kärnminnet i Voyager-sonderna och implementerade och tankade upp en bildigenkänningsalgoritm som hittade flera nya månar kring planeten Jupiter.

Inbäddad inbäddad

Den inbäddade datorn ska bäddas in i något bra också. Prevas valde flamtålig glasfiberförstärkt Ixef-plast med cirka 50 % glas. Ixef-polyarylamid (PARA) har två viktiga egenskaper, nämligen styvhet och ytjämnhet. Vanliga typer av Ixef innehåller mellan 50–60 % glasfiberarmering vilket ger ovanligt hög styrka och styvhet. Trots detta har materialet bra flödesegenskaper under tillverkningen och fyller lätt upp tunna delar av formverktyget. De färdiga detaljerna uppvisar hög ytfinish utan synliga glasfibrer, vilket konsumenter, som till exempel mobiltelefonanvändare, uppskattar.

Ixef-epoxy har dragstyrka och temperaturutvidgning i stil med många gjutna metallegeringar. Den har dessutom liten krypning och låg absorption av vatten och duger därför bra som ersättning för metall på många ställen. Utöver glasfyllning kan Ixef fås med mineralfyllning, självslocknande, med högre slagstyrka och diverse olika färger.

Sex bra grejor med Spirocom

  • Radiokommunikation mellan rökdykare räddar liv
  • Talkommunikation kan fortgå utan handgrepp
  • Ostörd, krypterad, robust radiokommunikation med omvärlden och gruppen
  • Röstförstärkare och PA-högtalare för kommunikation med skadade
  • Möjlighet till fjärrkommunikation med mottagare långt från olycksplatsen
  • Talenheten passar på en vanlig, omodifierad, redan certifierad standardmask

Läs mer

Prevas: https://prevas.se/
Interspiro Spirocom: http://www.interspiro.com/Firefighting/SpiroCom-Voice-Communication-System.aspx
Läs Interspiros historia, ett svenskt paradföretag: http://www.interspiro.com/Company/History.aspx

Snabbdata SpiroCom

Huvudprocessor: Texas Instruments MSP430F5419, 16 MHz
Signalprocessor: Texas Instruments TLV320AIC3254
Radiolänk: TDMA med 64 tidluckor, ca 900 MHz, 250 kbps
PA-system: Max 1 watt
Batterier: Standard AAA 1,5 volt alkaliska
Batterilivslängd: 30 tim drift, 1,5 år standby
Temperaturområde: –40 … +85 grader C, samt 1100 grader i 10 sekunder och 210 grader i 10 minuter
Miljö: Spolsäker, ATEX zon 0
Kåpa: Flamtålig, glasfiberarmerad Ixef med cirka 50 % glas

Jag kunde inte låta bli

– Vääs-ahhhh. Young Skywalker! Prepare to die!

Har man tillgång till en Vader-lik ansiktsmask måste man bara göra en sån här bild.

Märken på artiklar:

Lämna en kommentar

E-postadressen publiceras inte. Obligatoriska fält är märkta *