Heulruf-Anrufbeantworter, oder: Auf wiederpiepsen

Zusammenfassung und Inhaltsverzeichnis

Hier wird kurz die Funktion eines Heulruf-Anrufbeantworters erklärt und Beispielschaltungen gezeigt

Allgemeines

Zur Kommunikation innerhalb eines bereits zu Forschungzwecken ausgebauten Höhlensystems werden gerne sogenannte Heulruftelefone eingesetzt. Hierbei handelt es sich um eine Art versorgungsunabhängiges Feldtelefonsystem. Die Teilnehmergeräte sind meist ähnlich klassischer Telefonhörer gestaltet, die Tonübertragung erfolgt mittels zweier dynamischer Kapseln (also quasi dem was landläufig als Lautsprecher verwendet wird). Die einzelnen Geräte werden über eine Zweidrahtleitung, meist aus dem militärischen Feldtelefonsystem, mit einander verbunden. Die Sprechkapsel wird mittels einer Schallführung recht stark mit den Schallwellen des Teilnehmers angeregt, die dadurch induzierten Ströme treiben dann die Kapseln in allen Teilnehmerapperaten an. Durch einen Kurbelinduktor kann ein Wechselstromsignal mit, verglichen mit dem Sprechsignal, großer Amplitude in das System eingebracht werden. Dies wird als "Heulruf" bezeichnet und ist durch den relativ hohen Schalldruck in einiger Umgebung der Apperate sehr gut hörbar..

Da gerade bei größeren Höhlensystemen Befahrungen viele Stunden dauern, ist eine Kommunikation mit der Außenwelt sehr hilfreich, gerade wenn es um die Sicherheit geht. Da alle Telefone auf der Strecke parallel geschaltet sind, kann man natürlich auch zwischen einzelnen Höhlenabschnitten kommunizieren. Es wird in der Regel eine Ausfahr-, eine Nachschau und eine Alarmzeit definiert. Innerhalb dieses Zeitfensters sollte eine Befahrungsgruppe die Höhle verlassen, anderenfalls werden verschiedene Eskalationsstufen bis hin zur Höhlenrettung durchlaufen. Also ist es auch praktisch, eine permanente Aufzeichnung von Anrufen zu haben, gerade wenn nur noch eine Gruppe unterwegs ist. So kann man Standortangaben abgeben, welche von den Höhlenforschern ausserhalb des Systems abgerufen werden können. So ist eine schnelle Information oder Alarmierung gegeben.

Funktionsbeschreibung

Blockschaltbild des Signalwegs bis zum Webserver

Mittels eines 600 Ω:600 Ω Audioübertragers, wie er in alten Telefonen verwendet wurde, wird eine USB-Soundkarte an einen Kleincomputer gekoppelt. Dabei wirken zwei antiparallele Germanium-Dioden als Begrenzer für die Heulrufspannung (~26Vpp, 9.5Vrms siehe Quelle [1]) auf ca. 2Vpp. Bei dem Eingang des USB-Soundmoduls handelt es sich lt. Aufschrift um einen Microphon-Eingang, dieser wird beim Heulruf selbst mit Begrenzer leider übersteuert, macht aber nix, da die . Ebenso wird die zweite Wicklung des Übertragers zur Einspeisung der Antwort-Tüne genutzt.

Auf dem Microrechner (Raspberry PI B+) läuft ein, der Entwicklungszeit geschuldet, in Python implementiertes Programm (heulruf_ab.py), welches permanent den Eingang der Soundkarte aufnimmt und aus dem aktuellen Sample einen Spitze-Spitze-Wert ermittelt. Bei signifikanter Überschreitung des bisherigen Mittelwerts der während des Programmlaufs aufgetretenen Spitze-Spitze Werte (also dem vermuteten Hitergrundrauschen), wird eine Aufzeichnung gestartet und läuft so lange, bis die eine gewisse Zeit lang nicht mehr als das Hintergrundrauschen beobachtet wurde. Zu Beginn und Ende der Aufzeichnung wird jeweils ein Tonsignal ausgegeben, welches dem Benutzer in der Höhle signalisieren soll, dass die Aufzeichnung begonnen hat, bzw beendet wurde.

Sobald die Aufzeichnung beendet wurde, wird diese als .wav-datei abgeleget und mittels des Tools sox (SoundeXchange) in MP3 gewandelt. Diese wird per rsync über SSH auf einen Webserver übertragen, welcher für die Mitglieder des Vereins per Login authentisiert und per TLS besichert die Aufzeichnungen zur Verfügung stellt.

Schaltplan des Audio-Adapters

Schaltplan der Koppelschaltung

Die oben gezeigte Schalung adaptiert die Heulruf-Anlage an eine USB-Soundkarte (es wurde an einer LogiLink UA0078 getestet). Die Eingangsschaltung aus sechs Suppressor-Dioden mit 33 Volt Durchbruchspannung soll vor Überspannungen schützen.

Leider geht durch die Beschaltung des Übertragers Tr1 die Gabelschaltungsfunktion verloren, da dieser hier die galvanische Trennung im Vordergrund steht.

Die Polarität der Kondensatoren C1 und C2 ergibt sich aus der Erkenntnis, dass das günstige USB-Interface sowohl Eingang als auch Ausgang mit ca. +2,5V vorspannt.

Code für den Microrechner

Der Code, welcher auf dem Raspberry PI läuft, ist unter https://github.com/ptwz/heulruf_ab abrufbar. Das Programm besteht grundsätzlich aus drei Threads, einem Hauptthread, welcher die Ausgabe der Wave-Dateien, die MP3-Konvertierung und den Upload steuert. Ebenso wird hier der Aufnahme-Timeout im 100ms-Takt aktualisiert. Ist die Aufnahme beendet, wird der beep_off Ton abgespielt.

Schaltregeln der Schwellwerterkennung

Der Aufnahme-Thread implementiert die Schwellwerterkennung, welche dann die Aufnahme des Audiosignals startet. Wie oben beschrieben wird ausserhalb der Aufnahmen, also wenn nur Rauschen zu hören ist, permanent ein gleitender Mittelwert der Spitze-Spitze-Werte ausgerechnet. Wird in einem Sample, dieser Mittelwert um einen gewissen Faktor (hier wird momentan einfach fünf angenommen) überschritten, so beginnt die Aufnahme. Der Einfachheit halber ist dieser Mittelwert (der im Programm mit threshold bezeichnet wird) im Diagramm als Linie dargestellt, dieser ist jedoch i.d.R. zeitabhägig. Jedes mal, dass der Schwellwert so überschritten wird, wird der record_timeout-Zähler wieder auf einem Maximalwert (gegenwärtig 5 Sekunden) gesetzt. Ebenso wird beim Beginn der Aufzeichnung das Tonsignal beep_on gesendet.

Literatur

  1. Handbuch für Fernsprechgerät FG 5220
$Revision: 1.2 $, $Date: 2016/01/08 19:24:32 $