一种井下无线通信定位一体化系统

本发明属于通信，具体涉及一种井下无线通信定位系统。

背景技术：

1、随着移动终端的日益普及，人们对位置信息需求不断提高，在各种类型的网络服务中，基于位置的服务(location based services,lbs)可以为客户提供准确的定位和导航信息，便捷的场景体验以及其他一些高附加值的应用。室外环境中的lbs应用可以通过不同的技术来实现，较为成熟的解决方案包括全球定位系统(global positioning system,gps)、中国的北斗卫星导航系统(beidou navigation satellite system,bds)等。

2、然而随着各种新业务形态和人们生活水平的不断提升，对于室内环境的lbs应用需求越来越大，尤其是在一些极端环境下，例如水下、矿井及隧道等，精确室内定位的需求在日益增长。但是室内环境与室外环境有很大不同，传统的室外定位技术直接进行移植存在诸多问题。如果没有完善的室内分布系统支持，绝大部分室内区域很难接收到有效的gps或蜂窝移动通信信号，从而无法获得较高的定位精度。

3、可见光通信技术(visible light communication,vlc)是利用可见光波段的光作为信息载体进行无线数据传输,是一种照明通信一体化的无线通信方式。它调制与传输原理是利用了发光二极管的快速开关特征，使led光源发射人眼无法觉察的高速亮灭的可见光，光中便携带着用户信息，在接收端安放的光电探测器可以收集大气中高速亮灭的光信号，并完成光信号到电信号的转换，经过解调后，最终得到用户原始数据。该技术具有丰富的带宽资源、无电磁干扰、传输速率高、部署成本低、高效节能等优点，但是可见光不能穿透墙壁，这一特性也严重限制了vlc通信的应用。

4、通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行调制，使信号具有ghz量级的带宽，这样的信号称为超宽带(ultra wide band,uwb)信号。将其应用于定位系统中，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、能提供厘米级的定位精度等优点，但也因其发射功率低，影响其定位范围，更加适用于极端环境短距离高精度定位。

5、电力线通信(power line communication,plc)技术是利用电力线传输数据和媒体信号的一种通信方式。其主要原理是使用频谱搬移、频带分割等方法，将原始信号多次分割后搬移到特定的频带内，使用户数据可以在电力线上传送，使用该技术可以有效避免井内上行通信时的各种干扰。

6、无线通信技术和定位技术最初是两种独立发展的技术，近几年才交叉融合发展。无线通信定位一体化(integrated localization and wireless communication,ilwc)中无线通信技术和定位技术的研究成果是当前ilwc技术研究的基础，目前研究基本认同的是ilwc核心思想为“硬件集成，软件共享”，所以无线通信一体化的初级阶段即在同一软硬件系统上实现通信和定位功能。

7、lifi(和uwb是物理上不同的信号，在cn113924504a公开了一种电子设备，可以通过相同的电子设备生成和处理两种信号。通过控制器配置为同时进行lifi信号和uwb信号的多路复用、编码/解码和生成数据组，结果是由电子设备生成的调制光，其上面带有uwb信号。

8、基于以上所述技术，提供一种基于一套硬件系统，同时实现井下通信和定位两种功能的解决方案将会备受期待。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于可见光通信和超宽带定位的井下无线通信定位一体化系统，以有效地抵抗各种干扰，同时实现高精度定位和通信功能，并能兼容其他无线系统兼容互用。

2、本发明提供的井下无线通信定位一体化系统，可以通过一套硬件设施实现通信和定位两种功能，其结构参见图1所示，具体由照明设备、带有led灯的安全帽(以下简称矿灯安全帽)、电力线及其耦合装置、地面服务器等设备构成。其中：

3、所述照明设备，其结构参见图1所示，均通过固定架安装在矿洞的侧壁上，照明设备外部集成有用以照明的led灯5及有用于接收光信号的光电接收板2；且照明设备内部涉及一种电子设备(由cn113924504a公开)。该电子设备适于通信定位系统，因为系统的通信的功能主要依赖于lifi信号，仅需uwb信号进行有限量的数据通信和获取位置信息，这种少量数据使得系统有较大的可行性。

4、该电子设备内部安装有超宽带脉冲发射器和超宽带脉冲接收器，其中超宽带接收器能够以纳秒精度检测信号，以便进行精确的信号测量；有用于处理信号的控制器，包含驱动器、多个模数转换器(a/d)和数模转换器(d/a)、微控制单元(mcu)、多个放大器及多个滤波器，适用于对通过所述led灯或所述超宽带脉冲发射器发送的信号进行编码，也适用于对由所述光电接收板或所述超宽带脉冲接收器接接收到的信号进行解码，以及适用于对所述超宽带接收器接收的位置信息的检测；此外，所述led灯用于将所述信号作为lifi(lightfidelity)信号发射，并且所述脉冲发射器用于将信号作为uwb信号发射。

5、取决于通信目的、期望范围和数据速率，所述照明设备能够关闭lifi信号或uwb信号。

6、所述照明设备包括单个或多个led灯，优选地包括无磷光体led，具有更好的视觉外观，实现更真实的照明效果。所述照明设备可以包括红色、蓝色和黄色或红色和蓝色等颜色光源，通过不同光源实现简易的警报功能。

7、所述照明设备作为一个通信基站，数据信息可通过安装在侧壁上电力线进行上行链路与地面服务器通信，也可与矿灯安全帽进行无线通信；此外，所述照明设备作为一个定位基站，执行地面服务器对定位标签uwb脉冲的位置信息测量；最后，可根据照明设备的光照覆盖范围划定通信区域用以决定相关的部署方案。

8、所述矿灯安全帽，参见图2所示，其集成有用以照明的led灯、用于接收光信号的光电接收板、用以通话的耳麦和用以供电的电池组；内部安装有超宽带脉冲发射器和超宽带脉冲接收器；有用于处理信号的控制器，包含驱动器、多个模数转换器(a/d)和数模转换器(d/a)、微控制单元(mcu)、多个放大器及多个滤波器，适用于对通过所述led灯或所述超宽带脉冲发射器发送的信号进行编码，也适用于对由所述光电接收板或所述超宽带脉冲接收器接接收到的信号进行解码，以及适用于对所述超宽带接收器接收的位置信息的检测；此外，所述led灯适用于将所述信号作为lifi信号发射，并且所述脉冲发射器适用于将信号作为uwb信号发射。

9、所述矿灯安全帽涉及的用以语音交流的耳麦，优选的使用一种低功耗、高保真和体积小的wm8960音频编解码器，其集成了麦克风、耳机接口和放大器，因此大大减少了外部电路元器件的数量和电路体积。麦克风输入的模拟音频数据经adc采样后进行音频编码，经控制器解码后的数据经过dac后输出到耳麦。系统中，编解码器通过数字接口传输音频数据，通过控制接口接收控制数据。

10、此外，所述矿灯安全帽作为本系统通信定位的标签，能够接收或发送lifi信号，编码或解码语音信号，实现与照明设备的无线通信；亦可发送或接收uwb脉冲，例如矿灯安全帽周期性的发射包含矿灯安全帽标识的信息的uwb脉冲，其可以被部署网络中的单个或多个照明设备检测距离信息。

11、所述电力线及耦合装置，用以连接安装在矿井通道侧壁上的各个照明设备，用以供电，以及用于作为通信基站与地面服务器的通信链路。所述电力线根据现实需求及现实条件优选低速plc或高速plc，一般以2mbit/s线速为分界线。

12、所述地面服务器，可以通过电力线链接至所述通信基站，实时监测井内动况，也可以进行发送警报、音频信息等指令传输。此外，地面服务器包含各通信基站部署的如位置、光源等属性信息及部署于各矿灯安全帽的人员属性信息。

13、本发明进一步提供上述系统的部署方案。参见图3所示，根据煤矿安全规程，该系统部署方案将照明设备，间隔分布固定在井下巷道，根据不同巷道的净高度及矿灯照度布设不同高度、不同间距的照明设备，此净高度指轨面以上的高度，矿灯照度通过光通量、利用系数、维护系数及光照区域面积等参数估算而出；将照明设备的部署位置信息存储至地面服务器，方便对照明设备发送指令和监控；此外相邻三个照明设备之间形成三角形，方便通过三角定位法来确定矿灯安全帽的位置；另外，设备之间通过电力线连接，用以供电和数据传输；地面服务器经由电力线连接至最近的照明设备，并且借助从照明设备和矿灯安全帽发射的lifi信号和uwb信号来实现交互通信以及确定矿灯安全帽的精确位置。

14、本发明还进一步提供上述系统的通信与定位的流程：

15、系统的通信流程；如图4所示，所述矿灯安全帽作为一个通信终端，照明设备作为一个通信基站，地面服务器作为一个通信终端，可以通过电力线载波通信和可见光通信实现地面服务器和矿灯安全帽的双向交互通信，佩戴矿灯安全帽的工作人员可通过多个照明设备上行通信至地面服务器，同理地面服务器可通过多个照明设备下行通信至矿灯安全帽。以下行链路为例，地面服务器发送相关警报指示、发送音频信息或发送公告等指令信号，信号经过电力线耦合装置调制成高频载波信号，经电力线传送至单个或多个照明设备，经耦合装置解调发送至mcu，然后经过信道编码、电光转换，将信号加载到光源上即led灯进行发射，通过空气传输给井内佩戴带矿灯安全帽的工作人员，所述矿灯安全帽的光电接收板收集lifi信号，信号经过光电转换、信道解码，传输至mcu进行数据处理，mcu根据获取的信息进行相应的动作，如通过扩音器发出声音。值得注意的是，传输的信号中的报头包含此段信息是上行或是下行通信、某个通信基站又或是某个佩戴矿灯安全帽个体。

16、系统的定位流程；如图5所示，所述矿灯安全帽作为一个定位标签，照明设备作为一个定位基站，所述高精度定位通过uwb信号实现。佩戴矿灯安全帽的工作人员进入井内，矿灯安全帽通过uwb脉冲发射器广播带有工作人员信息的数据帧，单个或多个照明设备的超宽带接收器接收uwb脉冲，并高敏度的测量每个定位标签的位置信息，通过测量uwb脉冲的相关参数信息可以用于计算定位标签的位置，照明设备通过电力线与地面服务器通信，地面服务器参考定位标签发送来数据进行校准，然后执行定位算法，终端显示定位标签位置。

17、当矿灯安全帽与至少三个照明设备通信时，测量矿灯安全帽与照明设备之间的uwb信号飞行时间，然后通过三角定位可以精确地定位佩戴该矿灯安全帽人员所在的位置。照明设备与矿灯安全帽之间的距离与照明设备之间的距离较等，通常此距离为几米，这也意味着矿灯安全帽的定位精度可以到厘米级精度。优选的，所述地面服务器可以访问照明设备的确切位置以及矿灯安全帽所部署的人员信息，照明设备的位置数据是三维的，使得可以确定矿灯安全帽的精确位置。当矿灯安全帽与照明设备通信时，可以通过访问照明设备的确切位置去了解佩戴该矿灯安全帽人员所在的大致区域，例如在一些矿井的立井和煤层平巷中，网络可以标识矿灯安全帽处于位于矿井的哪个区域。在单个实施方式中，通过执行测量uwb信号的飞行时间获取定位标签距离至少两个通信基站的距离信息，可以获得所述信号标签的精确位置。

18、本发明提供的井下无线通信定位一体化系统，具有如下技术特点和功能优势：

19、(1)可以实现照明、双向交互通信和高精度定位多种功能，一举多得；

20、(2)井内的每个照明设备或led灯都可以充当用于uwb信号的天线，这使得单独的uwb天线变得不必要，更无需额外设置天线阵列；

21、(3)上行通信时，电力线载波通信具有更高的可靠性和经济性，下行通信时，使用可见光无线通信，不易受来自井下中央变电所配置的矿用变电器、高压电缆等设备电磁干扰，抗干扰能力更强；

22、(4)uwb信号无需承担大量的通信任务，主要用以收集各种定位信息，可以实现更加精准的定位；

23、(5)地面服务器可以通过观察矿灯安全帽与所述通信基站通信时该基站的部署属性信息及人员属性信息实现粗略人员安全定位，并能够将相关下行信息针对井下人员播报，有利于安全性的提高；

24、(6)此外，井下ilwc的特殊性在于井下通信功能和定位功能的资源使用量和优先级具有动态不均衡性，本系统中，通信功能和定位功能资源使用优先级随井下场景需求的变化而变化。