一种基于可见光通信的煤矿人员定位系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于可见光通信的煤矿人员定位系统，该系统包括多个移动接收模块和多个分布式布置的中央控制模块，且多个中央控制模块同时连接于矿井巷道的照明供电电缆和矿用通信电缆上，其中：每个中央控制模块安装有多个第一探测器和两盏LED矿灯，这两盏LED矿灯采用背对背形式安装，且两盏LED矿灯的边缘光呈垂直方向；每个移动接收模块安装有一个第二探测器和一个LED头灯，由煤矿人员携带。本发明将矿灯同时连接在矿用通信电缆和照明供电电缆上，通过对LED灯光加载信号的方式，利用时间测量方案推算出人员相对于某个矿灯的距离信息，实现人员位置定位，精度达到1-2米，并具有节能环保、实时通信、最大化无盲区等优点。
【专利说明】一种基于可见光通信的煤矿人员定位系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及可见光通信【技术领域】，特别是涉及一种基于可见光通信的煤矿人员定 位系统。
【背景技术】
[0002] 根据国家安全生产监督管理总局规定，矿井通信系统是煤矿工作环境必备安装系 统之一，其关乎到煤矿安全生产、紧急避险和应急救援等问题。因此研制一种安全节能、稳 定可靠的通信系统十分必要，能够实现跟踪矿井人员地理位置信息功能的通信系统则具有 重要意义。
[0003] 现常用于矿井环境下的无线通信技术主要有射频识别技术（RFID)、超宽带技术 (UWB)、无线局域网技术（WLAN)及可见光通信技术。其中RFID和UWB都是通过射频技术对 信号进行调制实现信息传输，是矿井下较常用的技术。RFID最高精度达到2-3m，其缺点是 稳定性差，信号有遗漏，传输距离短；UWB的最高精度达到半米，其缺点是复杂程度高、成本 高；WLAN的最高精度达到l-2m，其复杂程度较高。以上三种技术的最大缺点是要在矿井下 重新布局通信线路，可操作性低，整体成本偏高、盲区范围大。
[0004] 可见光通信利用矿井下现有的矿灯做为传输媒介，具有覆盖范围广，安全节能的 优势。LED可见光具有寿命长、成本低、低功耗、穿透力强等特点，适用于特殊的矿井环境中， 可以同时实现照明及人员定位的功能。
【发明内容】
[0005] (一）要解决的技术问题
[0006] 为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于可见光通信的煤矿人员定 位系统。
[0007](二）技术方案
[0008] 为达到上述目的，本发明提供了一种基于可见光通信的煤矿人员定位系统，该系 统包括多个移动接收模块和多个分布式布置的中央控制模块，且多个中央控制模块同时连 接于矿井巷道的照明供电电缆和矿用通信电缆上，其中：
[0009] 每个中央控制模块安装有多个第一探测器和两盏LED矿灯，这两盏LED矿灯采用 背对背形式安装，且两盏LED矿灯的边缘光呈垂直方向，同时实现最大范围的照明和通信 功能；
[0010] 每个移动接收模块安装有一个第二探测器和一个LED头灯，由煤矿人员携带。
[0011] 上述方案中，所述中央控制模块包括第一中央处理器、第一驱动电路、第一时间测 量电路、第一放大电路、通信接口和电源，其中：安装于中央控制模块的两盏LED矿灯通过 第一驱动电路连接于第一中央处理器，安装于中央控制模块的多个第一探测器依次通过第 一放大电路和第一时间测量电路连接于第一中央处理器，通信接口连接于矿用通信电缆， 电源连接于照明供电电缆。
[0012] 上述方案中，所述移动接收模块包括第二中央处理器、转发电路、第二驱动电路、 第二时间测量电路、第二放大电路和电源，其中：安装于移动接收模块的LED头灯依次通过 第二驱动电路和转发电路连接于第二中央处理器，安装于移动接收模块的第二探测器依次 通过第二放大电路和第二时间测量电路连接于第二中央处理器。
[0013] 上述方案中，所述第一时间测量电路或第二时间测量电路均采用CTMU芯片，第一 时间测量电路由第一中央处理器控制，且由第一探测器接收到的信号作为起始计时点或结 束计时点；第二时间测量电路由第二中央处理器控制，且由第二探测器接收到的信号作为 起始计时点或结束计时点。
[0014] 上述方案中，所述第一中央处理器按一定频率产生脉冲信号，该脉冲信号通过第 一驱动电路传递给LED矿灯，LED矿灯发出携带有该脉冲信号的光波信号；所述第二探测器 接收到LED矿灯发出的该光波信号，并将其传输给第二放大电路，第二放大电路对该光波 信号进行放大处理后输出给第二时间测量电路和转发电路，触发第二时间测量电路开始计 时，并触发转发电路通过第二驱动电路将光波信号中携带的脉冲信号转发给LED头灯，LED 头灯将该脉冲信号携带于头灯信号中同时传递给第二探测器和第一探测器；第二探测器将 接收的携带有脉冲信号的头灯信号通过第二放大电路传递给第二时间测量电路，第二时间 测量电路结束计时；第一探测器接收到携带有脉冲信号的头灯信号，由第一放大电路进行 放大处理后传递给第一时间测量电路，第一时间测量电路结束计时。
[0015] 上述方案中，所述第二时间测量电路根据起始计时点及结束计时点得到时间差， 第二时间测量电路根据该时间差直接计算出矿灯与头灯之间的距离，或者第二时间测量电 路将该时间差传输给第二中央处理器，由第二中央处理器计算出矿灯与头灯之间的距离， 实现矿井人员的定位。
[0016] 上述方案中，所述第一时间测量电路根据起始计时点及结束计时点得到时间差， 第一时间测量电路根据该时间差直接计算出矿灯与头灯之间的距离，或者第一时间测量电 路将该时间差传输给第一中央处理器，由第一中央处理器计算出矿灯与头灯之间的距离， 实现矿井人员的定位。
[0017] (三）有益效果
[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0019] 1、本发明提供的基于可见光通信的煤矿人员定位系统，将矿灯同时连接在矿用通 信电缆和照明供电电缆上，通过对LED灯光加载信号的方式，利用时间测量方案推算出人 员相对于某个矿灯的距离信息，实现人员位置定位，精度达到1-2米。
[0020] 2、本发明提供的基于可见光通信的煤矿人员定位系统，利用可见光无线通信技术 实现煤矿环境照明及人员定位的功能，具有节能环保、定位精度高、实时通信、最大化无盲 区的优点。
[0021] 3、本发明提供的基于可见光通信的煤矿人员定位系统，利用可见光通信传输速度 快，与RFID、UWB及WLAN通信技术相比，具有覆盖范围广，安全节能的优势。
[0022] 4、本发明提供的基于可见光通信的煤矿人员定位系统，采用时间测量单元测量人 员与矿灯之间的距离，精度高，系统可靠稳定，便于地上解决煤矿安全生产、紧急避险和应 急救援等问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本发明提供的基于可见光通信的煤矿人员定位系统的示意图；
[0024]图2为本发明提供的基于可见光通信的煤矿人员定位系统中时间测量原理的示 意图；
[0025]图3为本发明提供的基于可见光通信的煤矿人员定位系统中时间测量计时的说 明图；
[0026]图4为本发明提供的基于可见光通信的煤矿人员定位系统中中央控制模块的结 构示意图；
[0027]图5为本发明提供的基于可见光通信的煤矿人员定位系统中移动接收模块的结 构示意图。
【具体实施方式】
[0028] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
[0029] 如图1所示，图1为本发明提供的基于可见光通信的煤矿人员定位系统的示意图， 该系统包括多个移动接收模块（RTU)和多个分布式布置的中央控制模块（CCU)，且多个中 央控制模块同时连接于矿井巷道的照明供电电缆和矿用通信电缆上，其中：每个中央控制 模块安装有多个第一探测器和两盏LED矿灯，这两盏LED矿灯采用背对背形式安装，且两盏 LED矿灯的边缘光呈垂直方向，同时实现最大范围的照明和通信功能；每个移动接收模块 安装有一个第二探测器和一个LED头灯，由煤矿人员携带。头灯与矿灯之间形成通信网络， 可由地面控制中心的云端处理系统获知信息。
[0030] 如图4、图5所示，图4为本发明提供的基于可见光通信的煤矿人员定位系统中中 央控制模块的结构示意图，图5为本发明提供的基于可见光通信的煤矿人员定位系统中移 动接收模块的结构示意图。本实施例中，中央控制模块与LED矿灯相连，安装在巷道照明供 电电缆和矿用通信电缆上，移动接收模块与LED头灯相连，由煤矿人员携带。
[0031] 如图4所示，中央控制模块包括第一中央处理器、第一驱动电路、第一时间测量电 路、第一放大电路、通信接口和电源，其中：安装于中央控制模块的两盏LED矿灯通过第一 驱动电路连接于第一中央处理器，安装于中央控制模块的多个第一探测器依次通过第一放 大电路和第一时间测量电路连接于第一中央处理器，通信接口连接于矿用通信电缆，电源 连接于照明供电电缆。
[0032] 如图5所示，移动接收模块包括第二中央处理器、转发电路、第二驱动电路、第二 时间测量电路、第二放大电路和电源，其中：安装于移动接收模块的LED头灯依次通过第二 驱动电路和转发电路连接于第二中央处理器，安装于移动接收模块的第二探测器依次通过 第二放大电路和第二时间测量电路连接于第二中央处理器。
[0033] 在图4和图5中，第一时间测量电路或第二时间测量电路均采用CTMU芯片，第一 时间测量电路由第一中央处理器控制，且由第一探测器接收到的信号作为起始计时点或结 束计时点。第二时间测量电路由第二中央处理器控制，且由第二探测器接收到的信号作为 起始计时点或结束计时点。
[0034] 如图2、图3所示，图2为本发明提供的基于可见光通信的煤矿人员定位系统中时 间测量原理的示意图，图3为本发明提供的基于可见光通信的煤矿人员定位系统中时间测 量计时的说明图。本实施例中，移动接收模块侧中央处理器按一定频率传输脉冲信号，触发 时间测量电路开始计时为START1，同时通过连接驱动电路传递给LED矿灯；RTU侧探测器接 收到光波信号时，经过放大电路处理同时触发时间测量电路和转发电路，时间测量电路开 始计时为START2 ;转发电路通过连接驱动电路将信息转发给LED头灯，头灯信号同时传递 给RTU侧探测器和CCU侧探测器，RTU侧探测器接收到的第二次信号传递给时间测量电路 结束计时为ST0P2,CCU侧探测器接收到LED头灯的光波，由放大电路处理传递给时间测量 电路，结束计时为STOPP。设矿灯传到RTU侧探测器经过的时间和头灯传到CCU侧探测器 经过的时间均为为h，转发的时间为t2，矿灯传到CCU侧探测器和头灯传到RTU侧探测器经 过的时间为t3。时间测量电路能够计算出计时结束和起始的差值，STOPP和STOPl的差值 为Δ?\，ST0P2和START2的差值为ΔΤ2,STOPl和STARTl的差值为ΔΤ3，符合以下关系式：
[0035]ΔT1=STOPlr-STOPl= 2t!+t2-t3
[0036] ΔT2=ST0P2-START2 = 12_t3
[0037]AT3=STOPI-STARTI=t3
[0038] 经过计算最终得到：
[0039] r=.仝?.+Δ7： 23
[0040] 也就是矿灯到头灯所经过的时间，从而可以推算出人员相对于矿灯之间的距 离，实现人员的定位。
[0041] 基于上述图2和图3示出的时间测量原理及时间测量计时说明，请再次参照图1、 图4和图5,第一中央处理器按一定频率产生脉冲信号，该脉冲信号通过第一驱动电路传递 给LED矿灯，LED矿灯发出携带有该脉冲信号的光波信号；所述第二探测器接收到LED矿灯 发出的该光波信号，并将其传输给第二放大电路，第二放大电路对该光波信号进行放大处 理后输出给第二时间测量电路和转发电路，触发第二时间测量电路开始计时，并触发转发 电路通过第二驱动电路将光波信号中携带的脉冲信号转发给LED头灯，LED头灯将该脉冲 信号携带于头灯信号中同时传递给第二探测器和第一探测器；第二探测器将接收的携带有 脉冲信号的头灯信号通过第二放大电路传递给第二时间测量电路，第二时间测量电路结束 计时；第一探测器接收到携带有脉冲信号的头灯信号，由第一放大电路进行放大处理后传 递给第一时间测量电路，第一时间测量电路结束计时。
[0042] 第二时间测量电路根据起始计时点及结束计时点得到时间差，第二时间测量电路 根据该时间差直接计算出矿灯与头灯之间的距离，或者第二时间测量电路将该时间差传输 给第二中央处理器，由第二中央处理器计算出矿灯与头灯之间的距离，实现矿井人员的定 位。第二中央处理器计算出的矿灯与头灯之间的距离可以以显示方式或语音通知方式使煤 矿人员知晓。
[0043] 第一时间测量电路根据起始计时点及结束计时点得到时间差，第一时间测量电路 根据该时间差直接计算出矿灯与头灯之间的距离，或者第一时间测量电路将该时间差传输 给第一中央处理器，由第一中央处理器计算出矿灯与头灯之间的距离，实现矿井人员的定 位。第一中央处理器计算出的矿灯与头灯之间的距离可以由地面控制中心的云端处理系统 获知。
[0044] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
【权利要求】
1. 一种基于可见光通信的煤矿人员定位系统，其特征在于，该系统包括多个移动接收 模块和多个分布式布置的中央控制模块，且多个中央控制模块同时连接于矿井巷道的照明 供电电缆和矿用通信电缆上，其中： 每个中央控制模块安装有多个第一探测器和两盏LED矿灯，这两盏LED矿灯采用背对 背形式安装，且两盏LED矿灯的边缘光呈垂直方向； 每个移动接收模块安装有一个第二探测器和一个LED头灯，由煤矿人员携带。
2. 根据权利要求1所述的可见光通信的煤矿人员定位系统，其特征在于，所述中央控 制模块包括第一中央处理器、第一驱动电路、第一时间测量电路、第一放大电路、通信接口 和电源，其中：安装于中央控制模块的两盏LED矿灯通过第一驱动电路连接于第一中央处 理器，安装于中央控制模块的多个第一探测器依次通过第一放大电路和第一时间测量电路 连接于第一中央处理器，通信接口连接于矿用通信电缆，电源连接于照明供电电缆。
3. 根据权利要求1所述的可见光通信的煤矿人员定位系统，其特征在于，所述移动接 收模块包括第二中央处理器、转发电路、第二驱动电路、第二时间测量电路、第二放大电路 和电源，其中：安装于移动接收模块的LED头灯依次通过第二驱动电路和转发电路连接于 第二中央处理器，安装于移动接收模块的第二探测器依次通过第二放大电路和第二时间测 量电路连接于第二中央处理器。
4. 根据权利要求2或3所述的可见光通信的煤矿人员定位系统，其特征在于，所述第一 时间测量电路或第二时间测量电路均采用CTMU芯片，第一时间测量电路由第一中央处理 器控制，且由第一探测器接收到的信号作为起始计时点或结束计时点；第二时间测量电路 由第二中央处理器控制，且由第二探测器接收到的信号作为起始计时点或结束计时点。
5. 根据权利要求4所述的可见光通信的煤矿人员定位系统，其特征在于， 所述第一中央处理器按一定频率产生脉冲信号，该脉冲信号通过第一驱动电路传递给 LED矿灯，LED矿灯发出携带有该脉冲信号的光波信号； 所述第二探测器接收到LED矿灯发出的该光波信号，并将其传输给第二放大电路，第 二放大电路对该光波信号进行放大处理后输出给第二时间测量电路和转发电路，触发第二 时间测量电路开始计时，并触发转发电路通过第二驱动电路将光波信号中携带的脉冲信号 转发给LED头灯，LED头灯将该脉冲信号携带于头灯信号中同时传递给第二探测器和第一 探测器； 第二探测器将接收的携带有脉冲信号的头灯信号通过第二放大电路传递给第二时间 测量电路，第二时间测量电路结束计时；第一探测器接收到携带有脉冲信号的头灯信号，由 第一放大电路进行放大处理后传递给第一时间测量电路，第一时间测量电路结束计时。
6. 根据权利要求5所述的可见光通信的煤矿人员定位系统，其特征在于，所述第二时 间测量电路根据起始计时点及结束计时点得到时间差，第二时间测量电路根据该时间差直 接计算出矿灯与头灯之间的距离，或者第二时间测量电路将该时间差传输给第二中央处理 器，由第二中央处理器计算出矿灯与头灯之间的距离，实现矿井人员的定位。
7. 根据权利要求5所述的可见光通信的煤矿人员定位系统，其特征在于，所述第一时 间测量电路根据起始计时点及结束计时点得到时间差，第一时间测量电路根据该时间差直 接计算出矿灯与头灯之间的距离，或者第一时间测量电路将该时间差传输给第一中央处理 器，由第一中央处理器计算出矿灯与头灯之间的距离，实现矿井人员的定位。
【文档编号】H05B37/02GK104483659SQ201410608684
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月3日 优先权日:2014年11月3日
【发明者】施安存, 刘大畅, 孙悦, 孙达, 张雪丽, 段靖远 申请人:中国科学院半导体研究所