專利名稱：一種礦井使用的led可見光無線通信系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可見光無線通信系統(tǒng)，尤其是ー種礦井使用的LED可見光無線通信系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
由于礦井地形復(fù)雜以及綜采面等監(jiān)控區(qū)域的流動性大，與有線生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)相比，無線安全調(diào)度系統(tǒng)“即鋪即用”，隨時隨地可在礦井構(gòu)建移動通信網(wǎng)絡(luò)，方便流動接入，可實時把監(jiān)控數(shù)據(jù)發(fā)至地面監(jiān)控中心，極大地提高了調(diào)度和監(jiān)控效益；并且在礦難的應(yīng)急通信中，即使現(xiàn)有通信系統(tǒng)遭到破壞，也可利用無線通信設(shè)備快速組網(wǎng)，接收傳輸監(jiān)控數(shù)據(jù)，動態(tài)掌握井下人員的分布及設(shè)備作業(yè)情況，并保證地面指揮中心與井下?lián)岆U工作面的實時通信，提高搶險救災(zāi)、安全救護(hù)效率和搜救效果。礦井監(jiān)控系統(tǒng)的無線通信主要形式有動カ線載波通信、漏泄無線通信、中頻無線通信和感應(yīng)通信等。但上述幾種井下移動通信系統(tǒng)存在的問題較多、抗干擾性能不好、背景噪聲大、對使用環(huán)境的適應(yīng)性很差。LED可見光頻率帶寬高達(dá)430THz 750THz，只要在有可見光的地方就可以實現(xiàn)通信，覆蓋范圍廣，其超寬帶、高頻率的特性具有抗多徑、低功耗、強穿透カ等特點，更適合礦井特殊條件下的通信。但是，由于井下條件復(fù)雜，LED可見光通信的波長與井內(nèi)大氣中的塵灰、氣體分子的尺寸相近甚至更小，很容易產(chǎn)生光的散射及吸收造成信號的嚴(yán)重衰減，不同位置的LED燈光及其他設(shè)備等背景光也會對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響，導(dǎo)致礦井內(nèi)使用時可靠性大大降低。UWBCUltra-wide Band)無線通信技術(shù)通過發(fā)送納秒級脈沖來傳輸數(shù)據(jù)信號，具有高速率、高性能、低功耗、低成本、抗多徑衰落、易數(shù)字化等諸多優(yōu)點，而且不需要常規(guī)系統(tǒng)所需的變頻器、頻率合成器、濾波器等模擬器件，同時在接收端不需要過濾器、RF/IF轉(zhuǎn)換器及本地振蕩器等復(fù)雜元件，非常便于芯片集成，減少成本。但是，傳統(tǒng)的無載波脈沖UWB技術(shù)傳輸距離短，傳輸速度為IOOMbps時,其有效范圍只有IOm左右,在礦井內(nèi)使用傳輸距離十分有限。因此，研究一種適用范圍廣、具有高可靠性、本質(zhì)安全的井下無線通信系統(tǒng)具有重要意義
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種礦井使用的LED可見光無線通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多頻帶正交頻分復(fù)用(MB-OFDM)UWB無線通信技術(shù)與LED可見光通信技術(shù)相結(jié)合的通信方式，通過可編程超大規(guī)模集成芯片及軟件控制技術(shù)，解決目前井下無線通信系統(tǒng)出現(xiàn)的可靠性問題。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種礦井使用的LED可見光無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括信號輸入/輸出(I/O)處理部分，接收端部分，發(fā)射端部分，主控芯片組及軟件控制部分；該系統(tǒng)中的硬件設(shè)備包括LED礦燈及LED頭燈；I/O處理部分包括收發(fā)天線，光探測器、LED光源.及選擇開關(guān)；微型收發(fā)天線由2個直徑Icm的圓形銅箔組成，直接制作在印刷電路板上；光探測器、LED光源安裝在LED礦燈及LED頭燈內(nèi)；所述選擇開關(guān)電路集成在主控芯片組中，通過軟件編程實現(xiàn)LED可見光通信方式與UWB無線通信方式的自動切換；接收端部分包括低噪聲放大器、脈沖接收器、解碼器、和脈沖壓縮器；發(fā)射端部分包括低噪聲放大器、脈沖發(fā)生器、編碼器；接收端和發(fā)射端均與主控芯片組連接，由主控芯片組集中控制；所述主控芯片組為基于FPGA技術(shù)的專用芯片組，包括微控制單元(MCU)，基于MB-OFDM方式的射頻收發(fā)芯片，基帶數(shù)字信號處理芯片(DSP)和電カ線載波(PLC)芯片；射頻收發(fā)芯片和基帶數(shù)字信號處理芯片支持多頻帶OFDM TFI和FFI模式，頻譜從3. IGHz至4. 8GHz，支持3條528MHz寬子頻帶，每條數(shù)據(jù)傳輸速率為480 Mbit/s ;射頻收發(fā)芯片內(nèi)置帶通濾波器，可編程寬帶接收器，壓控振蕩器及超快速跳頻寬帶混頻器，可編程的功率放大器，可支持用2個天線來實現(xiàn)天線分集，不需要外部匹配不平衡變壓器；電カ線載波芯片支持選頻、中繼、擴頻和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)，調(diào)制波形滿足國家電網(wǎng)規(guī)范要求；所述軟件控制部分物理層程序、數(shù)據(jù)鏈路層程序采用VDHL語言編寫；傳輸層程序、應(yīng)用層程序采用C語言編寫，所有程序儲存在主控芯片組中，并可以通過無線通信方式升級；所述LED礦燈和LED頭燈由防爆燈殼、控制電路板，電源模塊及氣體傳感器，溫度傳感器、ID傳感器、LED光源，光探測器組成；LED礦燈固定于礦井頂部，與礦井電纜相連；所述LED頭燈置于井下人員頭盔前端，采用可充電鋰電池供電。本發(fā)明的優(yōu)點在于1.功耗低。該無線通信系統(tǒng)發(fā)射的是占空比很低的窄脈沖信號，脈沖持續(xù)時間很短，脈寬通常在O. 2ns-l. 5ns之間，射頻帶寬可達(dá)IGHz以上，且通信所需平均功率很低，只有其他井下無線通信方式功率的十分之一至百分之一，信號功率譜密度低；2.可靠性高。該無線通信系統(tǒng)調(diào)制的窄脈沖信號通過微型天線和LED光源選擇性發(fā)出和接收。通常在可見光覆蓋范圍內(nèi)，使用LED可見光高速傳輸數(shù)據(jù)；一旦系統(tǒng)檢測到可見光信號弱，誤碼率高，則自動提高頻率，切換到UWB無線傳輸模式，可以繼續(xù)進(jìn)行應(yīng)急通信，可靠性極高。3.多徑分辨能力強。LED可見光通信系統(tǒng)和UWB通信系統(tǒng)發(fā)射的都是持續(xù)時間極短的單周期脈沖，其時間、空間的分辨率都很強，因此系統(tǒng)的多徑分辨率極高，且占空比極低。多徑信號在時間上是可分離的，所以接收機通過分集可以獲得很強的抗衰落能力；
4.傳輸速率高，LED可見光通信可以輕易實現(xiàn)高達(dá)100-500Mbit/s的傳輸速率；5.便于多功能一體化。該無線通信系統(tǒng)高頻脈沖電磁波具有很高的定位精度，通過數(shù)字信號處理，可以很容易將定位和通信合一。與GPS的絕對地理位置不同，超短脈沖定位器可給出相對位置，定位精度達(dá)厘米級；6.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低。該通信系統(tǒng)采用井下現(xiàn)有的電カ線與井上監(jiān)控平臺連接，不需要增設(shè)管線；系統(tǒng)的射頻、模擬以及信號處理部件都相對較簡單，容易實現(xiàn)全數(shù)字化的結(jié)構(gòu)。它只需要以ー種數(shù)學(xué)方式產(chǎn)生脈沖，并對脈沖產(chǎn)生調(diào)制，而這些電路都可以被集成到一個芯片上，設(shè)備的成本低。


圖I為本發(fā)明系統(tǒng)原理 圖2為本發(fā)明通信設(shè)備LED礦燈原理 圖3為本發(fā)明通信設(shè)備LED頭燈原理 圖4為本發(fā)明應(yīng)用示意圖。
具體實施例方式依據(jù)附圖，對本發(fā)明做進(jìn)ー步的描述。如圖I所示，為本發(fā)明礦井使用的LED可見光無線通信系統(tǒng)原理圖。本實施例中，該LED可見光無線通信系統(tǒng)包括包括信號輸入/輸出(I/O)處理部分，接收端部分，發(fā)射端部分，主控芯片組及軟件控制部分；該系統(tǒng)中的硬件設(shè)備包括LED礦燈及LED頭燈。LED頭燈內(nèi)和LED礦燈內(nèi)置光電探測器，并且有微型收發(fā)天線；光探測器進(jìn)行光-電轉(zhuǎn)換，同步檢測可見光強度，若信號太弱，微處理単元(MCU)則通過選擇開關(guān)自動切換至UWB無線通信模式，通過收發(fā)天線完成通信；若設(shè)通過LED可見光調(diào)制脈沖頻率為5(ΚΓ800ΜΗΖ，則自動切換至UWB無線通信模式的調(diào)制脈沖頻率則為3 4GHz，匹配收發(fā)天線阻抗，根據(jù)自動增益控制(AGC)分配功率，保證通信可靠性；當(dāng)光探測器檢測光強達(dá)到使用閾值后，由MCU再將UWB無線通信模式自動切換為LED可見光通信方式。如圖2所示，為本發(fā)明礦井使用的LED可見光無線通信設(shè)備中LED礦燈原理圖。本實施例中，LED礦燈為固定照明裝置和通信裝置，其工作原理是當(dāng)接收脈沖信號吋，LED礦燈通過收發(fā)天線匹配或光探測器轉(zhuǎn)換成電信號、濾波、放大后直接作A/D轉(zhuǎn)換，將復(fù)雜的解調(diào)、匹配濾波、分集接收、信道估計、均衡等基帶處理交給主控芯片處理，處理后的標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)通過電カ線載波傳輸數(shù)據(jù)給監(jiān)控平臺。如圖3所示，為本發(fā)明礦井使用的LED可見光無線通信設(shè)備中LED頭燈原理圖。本實施例中，LED頭燈為移動照明裝置和通信裝置，其工作原理是LED頭燈收集、發(fā)送各種氣體、溫度、定位等監(jiān)控信號數(shù)據(jù)時，由主控芯片組完成復(fù)雜的編碼、交織處理，數(shù)字信號通過D/A轉(zhuǎn)換后調(diào)制、脈沖成形、放大，然后通過微處理單元(MCU)選擇收發(fā)天線或LED光源發(fā)射出去。與LED礦燈不同的是，LED頭燈由于處于移動狀態(tài),使用可充電鋰電池供電,為了更好控制功率，延長照明使用時間，LED頭燈電路加入了電源恒流控制模塊，取消了電カ載波調(diào)制芯片。如圖4所示，為本發(fā)明礦井使用的LED可見光無線通信系統(tǒng)應(yīng)用示意圖。在實際礦井應(yīng)用中，LED礦燈和LED頭燈內(nèi)已包含了通信系統(tǒng)的收發(fā)系統(tǒng)，每個燈具分配了不同的ID地址，LED礦燈I和LED礦燈2之間也能通過監(jiān)控平臺相互通信。當(dāng)LED礦燈2照明電路損壞吋，LED礦燈I能夠應(yīng)急切換至UWB通信模式，對LED礦燈2接收到LED頭燈發(fā)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。由于LED可見光通信頻率與UWB無線通信頻率不同，互不影響，其他工作正常的LED礦燈和LED頭燈可繼續(xù)使用LED可見光通信，系統(tǒng)仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)；同樣，LED 頭燈之間也能通過監(jiān)控平臺相互通信，這樣井下工作人員即使隔著巖壁或者其他障礙，只要能夠有可見光，仍然可以保持通信，使系統(tǒng)靈活性、可靠性進(jìn)ー步提高。上述詳細(xì)說明是針對本發(fā)明可行實施例的具體說明，該實施例并非用以限制本發(fā)明的專利范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實施或變更，均應(yīng)包含于本案的專利范圍中。
權(quán)利要求
1.一種礦井使用的LED可見光無線通信系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括信號I/O處理部分、接收端部分、發(fā)射端部分、主控芯片組及軟件控制部分；所述信號I/o處理部分與接收端部分和發(fā)射端部分相連，同時與主控芯片組相連，并全部安裝在一塊多層印刷電路板上；所述主控芯片組與發(fā)射端部分和接收端部分相連；所述軟件控制部分直接寫入主控芯片組內(nèi)；該系統(tǒng)中的硬件設(shè)備包括LED礦燈及LED頭燈；所述LED礦燈具有照明和通信功能，固定在礦井井道使用；所述LED頭燈具有移動照明和通信功能，置于頭盔前端。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述礦井使用的LED可見光無線通信系統(tǒng)，其特征在于所述I/O處理部分包括收發(fā)天線，光探測器、LED光源及選擇開關(guān)；收天發(fā)線由2個直徑Icm的圓形銅箔組成，直接制作在印刷電路板上；光探測器、LED光源安裝在LED礦燈及LED頭燈內(nèi)；所述選擇開關(guān)電路集成在主控芯片組中，通過軟件編程實現(xiàn)LED可見光通信方式與UWB無線通信方式的自動切換。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述礦井使用的LED可見光無線通信系統(tǒng)，其特征在于接收端部分包括低噪聲放大器、脈沖接收器、解碼器、和脈沖壓縮器；發(fā)射端部分包括低噪聲放大器、 脈沖發(fā)生器、編碼器；接收端和發(fā)射端均與主控芯片組連接，由主控芯片組集中控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述礦井使用的LED可見光無線通信系統(tǒng)，其特征在于所述主控芯片組為基于FPGA技術(shù)的超大規(guī)模集成電路專用芯片組，包括微控制単元(MCU)，基于MB-OFDM方式的射頻收發(fā)芯片，基帶數(shù)字信號處理芯片(DSP)和電カ線載波(PLC)芯片；所述射頻收發(fā)芯片和基帶數(shù)字信號處理芯片支持多頻帶OFDM TFI和FFI模式，頻譜從3. IGHz至4. 8GHz，支持3條528MHz寬子頻帶，每條數(shù)據(jù)傳輸速率為480 Mbit/s ;所述射頻收發(fā)芯片內(nèi)置帶通濾波器，可編程寬帶接收器，壓控振蕩器及超快速跳頻寬帶混頻器，可編程的功率放大器，可支持用2個收發(fā)天線來實現(xiàn)天線分集，不需要外部匹配不平衡變壓器，所述電カ線載波芯片支持選頻、中繼、擴頻和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)，調(diào)制波形滿足國家電網(wǎng)規(guī)范要求。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述礦井使用的LED可見光無線通信系統(tǒng)，其特征在于所述軟件控制部分物理層程序、數(shù)據(jù)鏈路層程序采用VDHL語言編寫，傳輸層程序、應(yīng)用層程序采用C語言編寫，所有程序儲存在主控芯片組中，并可以通過無線通信方式升級。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述礦井使用的LED可見光無線通信系統(tǒng)，其特征在于所述LED礦燈和LED頭燈由防爆燈殼、控制電路板，電源模塊及氣體傳感器，溫度傳感器、ID傳感器、LED光源，光探測器組成；所述LED礦燈固定于礦井頂部，與礦井內(nèi)電纜相連；所述LED頭燈置于井下人員頭盔前端，采用可充電鋰電池供電。
全文摘要
本發(fā)明公開一種礦井使用的LED可見光無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括信號I/O處理部分，接收端部分，發(fā)射端部分，主控芯片組及軟件控制部分；該系統(tǒng)中的硬件設(shè)備包括LED礦燈及LED頭燈。在本發(fā)明中，通信系統(tǒng)基于可編程超大規(guī)模集成電路芯片設(shè)計方案，采用UWB(Ultra-wideBand)無線通信技術(shù)與LED可見光通信技術(shù)相結(jié)合的通信方式，既可以避免現(xiàn)有LED可見光通信技術(shù)由于礦井內(nèi)灰塵大，光探測器易受污染而影響通訊可靠性，而且可以充分利用LED可見光綠色照明、覆蓋面廣、傳輸容量大、調(diào)制速率高的優(yōu)勢。該系統(tǒng)功耗極低，在高速通信時系統(tǒng)的耗電量僅為幾百μW～幾十mW，消耗電量僅為現(xiàn)有電臺的1/10～1/100，更易于實現(xiàn)適合礦井下的本質(zhì)安全設(shè)計。
文檔編號H04L27/26GK102624455SQ20121012253
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月25日
發(fā)明者康娟, 張明, 郝浩, 陳莉 申請人:武漢華炬光電有限公司