一種基於可見光通信的煤礦人員定位系統的製作方法
2023-07-19 10:06:06
一種基於可見光通信的煤礦人員定位系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於可見光通信的煤礦人員定位系統，該系統包括多個移動接收模塊和多個分布式布置的中央控制模塊，且多個中央控制模塊同時連接於礦井巷道的照明供電電纜和礦用通信電纜上，其中：每個中央控制模塊安裝有多個第一探測器和兩盞LED礦燈，這兩盞LED礦燈採用背對背形式安裝，且兩盞LED礦燈的邊緣光呈垂直方向；每個移動接收模塊安裝有一個第二探測器和一個LED頭燈，由煤礦人員攜帶。本發明將礦燈同時連接在礦用通信電纜和照明供電電纜上，通過對LED燈光加載信號的方式，利用時間測量方案推算出人員相對於某個礦燈的距離信息，實現人員位置定位，精度達到1-2米，並具有節能環保、實時通信、最大化無盲區等優點。
【專利說明】一種基於可見光通信的煤礦人員定位系統
【技術領域】
[0001] 本發明涉及可見光通信【技術領域】，特別是涉及一種基於可見光通信的煤礦人員定 位系統。
【背景技術】
[0002] 根據國家安全生產監督管理總局規定，礦井通信系統是煤礦工作環境必備安裝系 統之一，其關乎到煤礦安全生產、緊急避險和應急救援等問題。因此研製一種安全節能、穩 定可靠的通信系統十分必要，能夠實現跟蹤礦井人員地理位置信息功能的通信系統則具有 重要意義。
[0003] 現常用於礦井環境下的無線通信技術主要有射頻識別技術（RFID)、超寬帶技術 (UWB)、無線區域網技術（WLAN)及可見光通信技術。其中RFID和UWB都是通過射頻技術對 信號進行調製實現信息傳輸，是礦井下較常用的技術。RFID最高精度達到2-3m，其缺點是 穩定性差，信號有遺漏，傳輸距離短；UWB的最高精度達到半米，其缺點是複雜程度高、成本 高；WLAN的最高精度達到l-2m，其複雜程度較高。以上三種技術的最大缺點是要在礦井下 重新布局通信線路，可操作性低，整體成本偏高、盲區範圍大。
[0004] 可見光通信利用礦井下現有的礦燈做為傳輸媒介，具有覆蓋範圍廣，安全節能的 優勢。LED可見光具有壽命長、成本低、低功耗、穿透力強等特點，適用於特殊的礦井環境中， 可以同時實現照明及人員定位的功能。
【發明內容】
[0005] (一）要解決的技術問題
[0006] 為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種基於可見光通信的煤礦人員定 位系統。
[0007](二）技術方案
[0008] 為達到上述目的，本發明提供了一種基於可見光通信的煤礦人員定位系統，該系 統包括多個移動接收模塊和多個分布式布置的中央控制模塊，且多個中央控制模塊同時連 接於礦井巷道的照明供電電纜和礦用通信電纜上，其中：
[0009] 每個中央控制模塊安裝有多個第一探測器和兩盞LED礦燈，這兩盞LED礦燈採用 背對背形式安裝，且兩盞LED礦燈的邊緣光呈垂直方向，同時實現最大範圍的照明和通信 功能；
[0010] 每個移動接收模塊安裝有一個第二探測器和一個LED頭燈，由煤礦人員攜帶。
[0011] 上述方案中，所述中央控制模塊包括第一中央處理器、第一驅動電路、第一時間測 量電路、第一放大電路、通信接口和電源，其中：安裝於中央控制模塊的兩盞LED礦燈通過 第一驅動電路連接於第一中央處理器，安裝於中央控制模塊的多個第一探測器依次通過第 一放大電路和第一時間測量電路連接於第一中央處理器，通信接口連接於礦用通信電纜， 電源連接於照明供電電纜。
[0012] 上述方案中，所述移動接收模塊包括第二中央處理器、轉發電路、第二驅動電路、 第二時間測量電路、第二放大電路和電源，其中：安裝於移動接收模塊的LED頭燈依次通過 第二驅動電路和轉發電路連接於第二中央處理器，安裝於移動接收模塊的第二探測器依次 通過第二放大電路和第二時間測量電路連接於第二中央處理器。
[0013] 上述方案中，所述第一時間測量電路或第二時間測量電路均採用CTMU晶片，第一 時間測量電路由第一中央處理器控制，且由第一探測器接收到的信號作為起始計時點或結 束計時點；第二時間測量電路由第二中央處理器控制，且由第二探測器接收到的信號作為 起始計時點或結束計時點。
[0014] 上述方案中，所述第一中央處理器按一定頻率產生脈衝信號，該脈衝信號通過第 一驅動電路傳遞給LED礦燈，LED礦燈發出攜帶有該脈衝信號的光波信號；所述第二探測器 接收到LED礦燈發出的該光波信號，並將其傳輸給第二放大電路，第二放大電路對該光波 信號進行放大處理後輸出給第二時間測量電路和轉發電路，觸發第二時間測量電路開始計 時，並觸發轉發電路通過第二驅動電路將光波信號中攜帶的脈衝信號轉發給LED頭燈，LED 頭燈將該脈衝信號攜帶於頭燈信號中同時傳遞給第二探測器和第一探測器；第二探測器將 接收的攜帶有脈衝信號的頭燈信號通過第二放大電路傳遞給第二時間測量電路，第二時間 測量電路結束計時；第一探測器接收到攜帶有脈衝信號的頭燈信號，由第一放大電路進行 放大處理後傳遞給第一時間測量電路，第一時間測量電路結束計時。
[0015] 上述方案中，所述第二時間測量電路根據起始計時點及結束計時點得到時間差， 第二時間測量電路根據該時間差直接計算出礦燈與頭燈之間的距離，或者第二時間測量電 路將該時間差傳輸給第二中央處理器，由第二中央處理器計算出礦燈與頭燈之間的距離， 實現礦井人員的定位。
[0016] 上述方案中，所述第一時間測量電路根據起始計時點及結束計時點得到時間差， 第一時間測量電路根據該時間差直接計算出礦燈與頭燈之間的距離，或者第一時間測量電 路將該時間差傳輸給第一中央處理器，由第一中央處理器計算出礦燈與頭燈之間的距離， 實現礦井人員的定位。
[0017] (三）有益效果
[0018] 與現有技術相比，本發明的有益效果是：
[0019] 1、本發明提供的基於可見光通信的煤礦人員定位系統，將礦燈同時連接在礦用通 信電纜和照明供電電纜上，通過對LED燈光加載信號的方式，利用時間測量方案推算出人 員相對於某個礦燈的距離信息，實現人員位置定位，精度達到1-2米。
[0020] 2、本發明提供的基於可見光通信的煤礦人員定位系統，利用可見光無線通信技術 實現煤礦環境照明及人員定位的功能，具有節能環保、定位精度高、實時通信、最大化無盲 區的優點。
[0021] 3、本發明提供的基於可見光通信的煤礦人員定位系統，利用可見光通信傳輸速度 快，與RFID、UWB及WLAN通信技術相比，具有覆蓋範圍廣，安全節能的優勢。
[0022] 4、本發明提供的基於可見光通信的煤礦人員定位系統，採用時間測量單元測量人 員與礦燈之間的距離，精度高，系統可靠穩定，便於地上解決煤礦安全生產、緊急避險和應 急救援等問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明提供的基於可見光通信的煤礦人員定位系統的示意圖；
[0024]圖2為本發明提供的基於可見光通信的煤礦人員定位系統中時間測量原理的示 意圖；
[0025]圖3為本發明提供的基於可見光通信的煤礦人員定位系統中時間測量計時的說 明圖；
[0026]圖4為本發明提供的基於可見光通信的煤礦人員定位系統中中央控制模塊的結 構示意圖；
[0027]圖5為本發明提供的基於可見光通信的煤礦人員定位系統中移動接收模塊的結 構示意圖。
【具體實施方式】
[0028] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照 附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0029] 如圖1所示，圖1為本發明提供的基於可見光通信的煤礦人員定位系統的示意圖， 該系統包括多個移動接收模塊（RTU)和多個分布式布置的中央控制模塊（CCU)，且多個中 央控制模塊同時連接於礦井巷道的照明供電電纜和礦用通信電纜上，其中：每個中央控制 模塊安裝有多個第一探測器和兩盞LED礦燈，這兩盞LED礦燈採用背對背形式安裝，且兩盞 LED礦燈的邊緣光呈垂直方向，同時實現最大範圍的照明和通信功能；每個移動接收模塊 安裝有一個第二探測器和一個LED頭燈，由煤礦人員攜帶。頭燈與礦燈之間形成通信網絡， 可由地面控制中心的雲端處理系統獲知信息。
[0030] 如圖4、圖5所示，圖4為本發明提供的基於可見光通信的煤礦人員定位系統中中 央控制模塊的結構示意圖，圖5為本發明提供的基於可見光通信的煤礦人員定位系統中移 動接收模塊的結構示意圖。本實施例中，中央控制模塊與LED礦燈相連，安裝在巷道照明供 電電纜和礦用通信電纜上，移動接收模塊與LED頭燈相連，由煤礦人員攜帶。
[0031] 如圖4所示，中央控制模塊包括第一中央處理器、第一驅動電路、第一時間測量電 路、第一放大電路、通信接口和電源，其中：安裝於中央控制模塊的兩盞LED礦燈通過第一 驅動電路連接於第一中央處理器，安裝於中央控制模塊的多個第一探測器依次通過第一放 大電路和第一時間測量電路連接於第一中央處理器，通信接口連接於礦用通信電纜，電源 連接於照明供電電纜。
[0032] 如圖5所示，移動接收模塊包括第二中央處理器、轉發電路、第二驅動電路、第二 時間測量電路、第二放大電路和電源，其中：安裝於移動接收模塊的LED頭燈依次通過第二 驅動電路和轉發電路連接於第二中央處理器，安裝於移動接收模塊的第二探測器依次通過 第二放大電路和第二時間測量電路連接於第二中央處理器。
[0033] 在圖4和圖5中，第一時間測量電路或第二時間測量電路均採用CTMU晶片，第一 時間測量電路由第一中央處理器控制，且由第一探測器接收到的信號作為起始計時點或結 束計時點。第二時間測量電路由第二中央處理器控制，且由第二探測器接收到的信號作為 起始計時點或結束計時點。
[0034] 如圖2、圖3所示，圖2為本發明提供的基於可見光通信的煤礦人員定位系統中時 間測量原理的示意圖，圖3為本發明提供的基於可見光通信的煤礦人員定位系統中時間測 量計時的說明圖。本實施例中，移動接收模塊側中央處理器按一定頻率傳輸脈衝信號，觸發 時間測量電路開始計時為START1，同時通過連接驅動電路傳遞給LED礦燈；RTU側探測器接 收到光波信號時，經過放大電路處理同時觸發時間測量電路和轉發電路，時間測量電路開 始計時為START2 ;轉發電路通過連接驅動電路將信息轉發給LED頭燈，頭燈信號同時傳遞 給RTU側探測器和CCU側探測器，RTU側探測器接收到的第二次信號傳遞給時間測量電路 結束計時為ST0P2,CCU側探測器接收到LED頭燈的光波，由放大電路處理傳遞給時間測量 電路，結束計時為STOPP。設礦燈傳到RTU側探測器經過的時間和頭燈傳到CCU側探測器 經過的時間均為為h，轉發的時間為t2，礦燈傳到CCU側探測器和頭燈傳到RTU側探測器經 過的時間為t3。時間測量電路能夠計算出計時結束和起始的差值，STOPP和STOPl的差值 為Δ?\，ST0P2和START2的差值為ΔΤ2,STOPl和STARTl的差值為ΔΤ3，符合以下關係式：
[0035]ΔT1=STOPlr-STOPl= 2t!+t2-t3
[0036] ΔT2=ST0P2-START2 = 12_t3
[0037]AT3=STOPI-STARTI=t3
[0038] 經過計算最終得到：
[0039] r=.仝?.+Δ7： 23
[0040] 也就是礦燈到頭燈所經過的時間，從而可以推算出人員相對於礦燈之間的距 離，實現人員的定位。
[0041] 基於上述圖2和圖3示出的時間測量原理及時間測量計時說明，請再次參照圖1、 圖4和圖5,第一中央處理器按一定頻率產生脈衝信號，該脈衝信號通過第一驅動電路傳遞 給LED礦燈，LED礦燈發出攜帶有該脈衝信號的光波信號；所述第二探測器接收到LED礦燈 發出的該光波信號，並將其傳輸給第二放大電路，第二放大電路對該光波信號進行放大處 理後輸出給第二時間測量電路和轉發電路，觸發第二時間測量電路開始計時，並觸發轉發 電路通過第二驅動電路將光波信號中攜帶的脈衝信號轉發給LED頭燈，LED頭燈將該脈衝 信號攜帶於頭燈信號中同時傳遞給第二探測器和第一探測器；第二探測器將接收的攜帶有 脈衝信號的頭燈信號通過第二放大電路傳遞給第二時間測量電路，第二時間測量電路結束 計時；第一探測器接收到攜帶有脈衝信號的頭燈信號，由第一放大電路進行放大處理後傳 遞給第一時間測量電路，第一時間測量電路結束計時。
[0042] 第二時間測量電路根據起始計時點及結束計時點得到時間差，第二時間測量電路 根據該時間差直接計算出礦燈與頭燈之間的距離，或者第二時間測量電路將該時間差傳輸 給第二中央處理器，由第二中央處理器計算出礦燈與頭燈之間的距離，實現礦井人員的定 位。第二中央處理器計算出的礦燈與頭燈之間的距離可以以顯示方式或語音通知方式使煤 礦人員知曉。
[0043] 第一時間測量電路根據起始計時點及結束計時點得到時間差，第一時間測量電路 根據該時間差直接計算出礦燈與頭燈之間的距離，或者第一時間測量電路將該時間差傳輸 給第一中央處理器，由第一中央處理器計算出礦燈與頭燈之間的距離，實現礦井人員的定 位。第一中央處理器計算出的礦燈與頭燈之間的距離可以由地面控制中心的雲端處理系統 獲知。
[0044] 以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡 在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保 護範圍之內。
【權利要求】
1. 一種基於可見光通信的煤礦人員定位系統，其特徵在於，該系統包括多個移動接收 模塊和多個分布式布置的中央控制模塊，且多個中央控制模塊同時連接於礦井巷道的照明 供電電纜和礦用通信電纜上，其中： 每個中央控制模塊安裝有多個第一探測器和兩盞LED礦燈，這兩盞LED礦燈採用背對 背形式安裝，且兩盞LED礦燈的邊緣光呈垂直方向； 每個移動接收模塊安裝有一個第二探測器和一個LED頭燈，由煤礦人員攜帶。
2. 根據權利要求1所述的可見光通信的煤礦人員定位系統，其特徵在於，所述中央控 制模塊包括第一中央處理器、第一驅動電路、第一時間測量電路、第一放大電路、通信接口 和電源，其中：安裝於中央控制模塊的兩盞LED礦燈通過第一驅動電路連接於第一中央處 理器，安裝於中央控制模塊的多個第一探測器依次通過第一放大電路和第一時間測量電路 連接於第一中央處理器，通信接口連接於礦用通信電纜，電源連接於照明供電電纜。
3. 根據權利要求1所述的可見光通信的煤礦人員定位系統，其特徵在於，所述移動接 收模塊包括第二中央處理器、轉發電路、第二驅動電路、第二時間測量電路、第二放大電路 和電源，其中：安裝於移動接收模塊的LED頭燈依次通過第二驅動電路和轉發電路連接於 第二中央處理器，安裝於移動接收模塊的第二探測器依次通過第二放大電路和第二時間測 量電路連接於第二中央處理器。
4. 根據權利要求2或3所述的可見光通信的煤礦人員定位系統，其特徵在於，所述第一 時間測量電路或第二時間測量電路均採用CTMU晶片，第一時間測量電路由第一中央處理 器控制，且由第一探測器接收到的信號作為起始計時點或結束計時點；第二時間測量電路 由第二中央處理器控制，且由第二探測器接收到的信號作為起始計時點或結束計時點。
5. 根據權利要求4所述的可見光通信的煤礦人員定位系統，其特徵在於， 所述第一中央處理器按一定頻率產生脈衝信號，該脈衝信號通過第一驅動電路傳遞給 LED礦燈，LED礦燈發出攜帶有該脈衝信號的光波信號； 所述第二探測器接收到LED礦燈發出的該光波信號，並將其傳輸給第二放大電路，第 二放大電路對該光波信號進行放大處理後輸出給第二時間測量電路和轉發電路，觸發第二 時間測量電路開始計時，並觸發轉發電路通過第二驅動電路將光波信號中攜帶的脈衝信號 轉發給LED頭燈，LED頭燈將該脈衝信號攜帶於頭燈信號中同時傳遞給第二探測器和第一 探測器； 第二探測器將接收的攜帶有脈衝信號的頭燈信號通過第二放大電路傳遞給第二時間 測量電路，第二時間測量電路結束計時；第一探測器接收到攜帶有脈衝信號的頭燈信號，由 第一放大電路進行放大處理後傳遞給第一時間測量電路，第一時間測量電路結束計時。
6. 根據權利要求5所述的可見光通信的煤礦人員定位系統，其特徵在於，所述第二時 間測量電路根據起始計時點及結束計時點得到時間差，第二時間測量電路根據該時間差直 接計算出礦燈與頭燈之間的距離，或者第二時間測量電路將該時間差傳輸給第二中央處理 器，由第二中央處理器計算出礦燈與頭燈之間的距離，實現礦井人員的定位。
7. 根據權利要求5所述的可見光通信的煤礦人員定位系統，其特徵在於，所述第一時 間測量電路根據起始計時點及結束計時點得到時間差，第一時間測量電路根據該時間差直 接計算出礦燈與頭燈之間的距離，或者第一時間測量電路將該時間差傳輸給第一中央處理 器，由第一中央處理器計算出礦燈與頭燈之間的距離，實現礦井人員的定位。
【文檔編號】H05B37/02GK104483659SQ201410608684
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月3日 優先權日:2014年11月3日
【發明者】施安存, 劉大暢, 孫悅, 孫達, 張雪麗, 段靖遠 申請人:中國科學院半導體研究所