吳剛，張劍，仵國鋒，胡鋒

（解放軍信息工程大學(xué) 信息系統(tǒng)工程學(xué)院，河南 鄭州 450000）

煤礦井下可見光通信定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳剛，張劍，仵國鋒，胡鋒

（解放軍信息工程大學(xué) 信息系統(tǒng)工程學(xué)院，河南 鄭州 450000）

煤礦井下照明燈的泛在全覆蓋特性，為可見光通信的應(yīng)用提供了得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，利用這一優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)了一種煤礦井下可見光通信定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)將可見光通信、紅外通信和電力線通信技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了適于煤礦井下應(yīng)用環(huán)境的可見光通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下人員定位、上行報(bào)警和下行廣播預(yù)警等功能。與原有的煤礦井下通信定位系統(tǒng)相比，該通信系統(tǒng)性能穩(wěn)定、抗電磁干擾、定位精度高，凸顯出很好的實(shí)用價(jià)值。

可見光通信；紅外通信；電力線通信；定位

煤炭在國內(nèi)一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中始終占70%左右，預(yù)測(cè)2050年仍將占50%以上，煤炭在長期內(nèi)將依然是我國的主要能源。然而我國的煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)嚴(yán)峻，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國煤礦死亡人數(shù)總量是世界其他產(chǎn)煤國家死亡總數(shù)的3倍。以2007年為例，當(dāng)年我國煤礦事故死亡人數(shù)約占全球的70%，煤礦百萬頓死亡率約為美國的70多倍、印度的7倍左右［1］。建立完善的礦下通信系統(tǒng)，可有效減少礦難人員的死亡率。現(xiàn)有多種礦下通信定位系統(tǒng)，如：WiFi、藍(lán)牙、紅外、ZigBee、超寬帶［2-3］等，但煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，電磁干擾大，系統(tǒng)不穩(wěn)定，定位精度低，人們開始考慮能不能使用其他的通信方式進(jìn)行替代。

近年來LED呈現(xiàn)爆炸式的發(fā)展，它以低功耗、高亮度、壽命長、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)深受人們的喜愛，同時(shí)也推動(dòng)了可見光通信技術(shù)（VLC，Visible Light Communicaton）的快速發(fā)展［4-6］?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)是一種利用LED燈光進(jìn)行通信的技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)，它具有頻譜豐富、無電磁干擾、信息容量大、速率快等無可比擬的優(yōu)勢(shì)，能在實(shí)現(xiàn)照明的同時(shí)實(shí)現(xiàn)通信［7-9］。由于煤礦井下電磁環(huán)境的特殊性、照明燈實(shí)現(xiàn)了泛在全覆蓋、沒有外界自然光的干擾等［10］，這都無疑給可見光通信定位提供了得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

在煤礦井下可見光通信方面，國外已有相關(guān)技術(shù)研究，但偏重理論研究，應(yīng)用程度有限；國內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)搭建了煤礦井下通信系統(tǒng)架構(gòu)，但上下行都是可見光鏈路，在實(shí)際應(yīng)用中存在一些不足。本文在參考前人研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套煤礦井下通信定位系統(tǒng)，將可見光通信、紅外通信和電力線通信技術(shù)相互結(jié)合，在煤礦環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了通信定位功能。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、使用簡單、定位精度高。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

煤礦井下可見光通信定位系統(tǒng)框架如圖1所示。

該系統(tǒng)分為地面和井下兩部分，地面部分的核心部件是一個(gè)服務(wù)器組，包括用于與可見光接入設(shè)備（礦燈）通信的前置通信服務(wù)器和用于與用戶交互的網(wǎng)管服務(wù)器。井下部分主要包括可見光接入設(shè)備（下文簡稱為接入設(shè)備，即礦燈），可見光移動(dòng)設(shè)備（下文簡稱為移動(dòng)設(shè)備，即礦帽）、電力橋集器、PLC耦合器等組成。

圖1 煤礦井下可見光通信定位系統(tǒng)框架圖Fig.1 Structure diagram of VLC positioning system in underground coal mine

在關(guān)鍵技術(shù)方面系統(tǒng)將可見光通信技術(shù)（VLC，Visible Light Communication）、紅外通信技術(shù)（IRC，Infrared Communicaton）、電力線通信技術(shù)（PLC，Power Line Communication）成功結(jié)合在一起，地面上的人員通過服務(wù)器組發(fā)送的信息通過電力線傳給接入設(shè)備，接入設(shè)備與移動(dòng)設(shè)備通過可見光下行通信與紅外上行通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交互：接入設(shè)備通過可見光信道下發(fā)同步信息（信標(biāo)幀）及下行預(yù)警信息至移動(dòng)設(shè)備；移動(dòng)設(shè)備接收到同步信息后，通過紅外信道上傳定位信息與上行告警信息至接入設(shè)備。接入設(shè)備接收并處理移動(dòng)設(shè)備的上行數(shù)據(jù)后，定時(shí)將相關(guān)信息通過電力線通信網(wǎng)絡(luò)［11］傳輸至前置通信服務(wù)器，再由前置通信服務(wù)器將數(shù)據(jù)解析處理后提交給管理服務(wù)器，管理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理將煤礦井下人員位置信息顯示在LED屏幕。

2 系統(tǒng)設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

硬件結(jié)構(gòu)主要包含：移動(dòng)設(shè)備、接入設(shè)備、電力橋集器、PLC耦合器等，本文主要介紹移動(dòng)設(shè)備、接入設(shè)備。

1）移動(dòng)設(shè)備

可見光移動(dòng)設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，核心模塊選用的是意法半導(dǎo)體（ST）公司的STM32F103RC，屬于中低端的32 位ARM微控制器，內(nèi)核為Cortex-M3，能為系統(tǒng)提供強(qiáng)大的性能，例如低功耗、增強(qiáng)的調(diào)制特性和對(duì)高級(jí)功能模塊的集成。

圖2 可見光移動(dòng)設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure diagram of VLC mobile devices

設(shè)備的電源使用3.7 V鎳氫電源供電，用LD1117S33芯片將3.7 V電源穩(wěn)壓到3.3 V，為核心模塊提供工作電源，同時(shí)將3.7 V作為紅外驅(qū)動(dòng)模塊的偏置，這里采用的降壓而不是升壓方式，是因?yàn)殡娫丛诰麻L期放電后電壓會(huì)變低，不能驅(qū)動(dòng)移動(dòng)設(shè)備中的電路，從而導(dǎo)致通信失敗。

2）接入設(shè)備

可見光接入設(shè)備硬件框圖如圖3所示，核心單元選用ATMEL AT91SAM9260工業(yè)處理器，AT91SAM9260具有低功耗、高可靠性、高集成性的特點(diǎn)，完美支持Wince5.0&Linux2.6.22嵌入式操作系統(tǒng)，使得應(yīng)用軟件開發(fā)快捷方便。該設(shè)備采用雙CPU方案設(shè)計(jì)，ARM9的核心板，用于數(shù)據(jù)的解析，處理以及與主機(jī)的通信（通過網(wǎng)絡(luò)或電力線），STM32核心板用于可見光發(fā)送和紅外接收的基帶信號(hào)處理，可見光發(fā)送和紅外接收均采用普通IO口來操作，其發(fā)送和接收時(shí)序由STM32控制。

電源模塊分為兩部分：其中一部分是礦燈電源，是給礦燈供電的恒壓型電源模塊（HFA20-36-W AC/DC），電源輸入范圍85Vac～265Vac，具有體積小和短路保護(hù)等功能，提供36 V電源輸出；另一部分是主板電源，是給主板供電的電源 （PHFA08-3V3S09W1-3AC/DC），電源輸入范圍85Vac～265Vac，具有體積小和短路保護(hù)等功能，提供3.3 V電源輸出。

圖3 可見光接入設(shè)備硬件框圖Fig.3 Hardware schematic diagram of VLC access devices

3 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件部分主要包括4部分：WEB管理服務(wù)器、前置通信服務(wù)器、可見光接入設(shè)備（礦燈）和可見光移動(dòng)設(shè)備（礦帽），其中WEB管理服務(wù)器提供與用戶交互平臺(tái)［12］，前置通信服務(wù)器負(fù)責(zé)礦下信息的搜集、處理。下面主要介紹接入設(shè)備和移動(dòng)設(shè)備的軟件結(jié)構(gòu)。

接入設(shè)備與移動(dòng)設(shè)備之間的通信過程如圖4所示。

對(duì)于接入設(shè)備，首先設(shè)置初始化，配置I/O發(fā)送接收端口PC.0和PC.1，對(duì)定時(shí)器TIM3和TIM4分別配置為20 ms和18 ms，不啟用。然后判斷是否收到預(yù)警幀，若收到，則STM32向下發(fā)送下行預(yù)警幀，否則STM32持續(xù)不斷的發(fā)送信標(biāo)幀。發(fā)送信標(biāo)幀時(shí)，STM32還在不斷檢測(cè)I/O端口PC.1是否接收到上行告警幀，若收到則發(fā)給礦上管理中心處理，否則繼續(xù)檢測(cè)I/O端口。

圖4 接入設(shè)備和移動(dòng)設(shè)備的通信過程Fig.4 Communication process of access devices and mobile devices

對(duì)于移動(dòng)設(shè)備，首先設(shè)置初始化，包含蜂鳴器PA.8的配置、按鍵PC.5的配置、紅外發(fā)送PC.0和LED接收PC.1的配置，然后判斷按鍵PC.5是否按下，若按下，則移動(dòng)設(shè)備向接入設(shè)備發(fā)送了告警，否則判斷蜂鳴器是否鳴響。若蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，按下按鍵使蜂鳴器停止鳴響，否則判斷LED接收PC.1是否收到完整信標(biāo)幀。若收到，則向接入設(shè)備發(fā)送定位幀，否則繼續(xù)判斷按鍵PC.5是否按下。

其中接入設(shè)備和移動(dòng)設(shè)備的工作流程如圖5所示。

圖5 接入設(shè)備和移動(dòng)設(shè)備的工作流程Fig.5 Flow chart of access devices and mobile devices

4 系統(tǒng)測(cè)試

1）系統(tǒng)測(cè)試過程

測(cè)試是在系統(tǒng)搭建完成之后進(jìn)行實(shí)地測(cè)量［13］，所以對(duì)于移動(dòng)設(shè)備（即礦帽）是否接到數(shù)據(jù)只能通過接入設(shè)備（即礦燈）下發(fā)告警幀，移動(dòng)設(shè)備中的蜂鳴器是否鳴響來確定，而接入設(shè)備在每次測(cè)試后會(huì)生成一個(gè)統(tǒng)計(jì)文件statistics_info.txt，統(tǒng)計(jì)文件生成統(tǒng)計(jì)信息的方式為：對(duì)每秒收到的同一移動(dòng)設(shè)備的定位幀或告警幀數(shù)量分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，寫入統(tǒng)計(jì)文件中，每秒收到的定位幀或告警幀數(shù)量用于計(jì)算數(shù)據(jù)幀正確率。其中在接入設(shè)備收到的數(shù)據(jù)幀次數(shù)用于計(jì)算數(shù)據(jù)幀正確率，在管理軟件上收到的數(shù)據(jù)幀次數(shù)用于計(jì)算演示成功的正確率，如圖6（a）（b）所示。

演示成功正確率=每經(jīng)過一盞燈成功的總次數(shù)/經(jīng)過的總等數(shù)；

圖6 系統(tǒng)測(cè)試界面圖Fig.6 Interface chart of the test system

數(shù)據(jù)幀正確率=數(shù)據(jù)幀接收成功率/測(cè)試過程數(shù)據(jù)發(fā)送總量；

測(cè)試主要分為：①單礦燈下，單礦帽定點(diǎn)測(cè)試；

②單礦燈下，單礦帽移動(dòng)測(cè)試；

③單礦燈下，多礦帽定點(diǎn)測(cè)試；

④單礦燈下，多礦帽移動(dòng)測(cè)試；

⑤多礦燈下，單礦帽移動(dòng)測(cè)試；

⑥多礦燈下，多礦帽移動(dòng)測(cè)試；

2）系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

單礦燈下，單礦帽定點(diǎn)測(cè)試結(jié)果如表1～3所示。

表1 礦帽接收礦燈下行預(yù)警幀Tab.1 Mine cap receiving downlink warning frame of lamp

表2 礦燈接收礦帽上行定位幀Tab.2 Mine lamp receiving uplink positioning frame of cap

表3 礦燈接收礦帽上行定位及告警幀Tab.3 Mine lamp receiving uplink position frame and warning frame of cap

5 結(jié)束語

文章介紹了基于可見光的煤礦井下通信定位系統(tǒng)，首先對(duì)通信系統(tǒng)中的框架進(jìn)行了整體描述，介紹了系統(tǒng)中接入設(shè)備和移動(dòng)設(shè)備的軟硬件結(jié)構(gòu)和工作過程，最后對(duì)搭建的通信定位系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該煤礦井下通信定位系統(tǒng)具有抗電磁干擾、系統(tǒng)穩(wěn)定、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，能滿足煤礦井下的實(shí)際應(yīng)用。

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Design of visible light communication positioning system used in underground coal mine

WU Gang，ZHANG Jian，WU Guo-feng，HU Feng
（School of Information System Engineering，PLA Information Engineering University，Zhengzhou 450000，China）

The feature of ubiquity and full-cover of lighting in the coal mine，providing a unique advantage for the application of the visible light communication（VLC），a visible light communication positioning system applied in mine is designed by taking this advantage.VLC technology，being applied in the coal mine，in comibination with infrared communication and power line communication technology，build a communication system suitable for coal mine.Besides，this technology makes personnel positioning，uplink and downlink broadcast warning alarm function in the coal mine being achieved.Compared with original coal mine underground communication positioning system，this system has stable performance，a good resistance to electromagnetic interference and high positioning accuracy，which is high practical valued.

Visible Light Communication（VLC）；infrared communication；power line communication；location

TN29

A

1674－6236（2016）04-0120-05

2015-10-19 稿件編號(hào)：201510116

國家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2013AA013603）；國家自然科學(xué)基金（61271253）

吳 剛（1990—），男，安徽亳州人，碩士。研究方向：可見光通信技術(shù)、嵌入式通信系統(tǒng)。