煤矿井下可见光通信定位系统设计

吴刚，张剑，仵国锋，胡锋

（解放军信息工程大学 信息系统工程学院，河南 郑州 450000）

煤矿井下可见光通信定位系统设计

吴刚，张剑，仵国锋，胡锋

（解放军信息工程大学 信息系统工程学院，河南 郑州 450000）

煤矿井下照明灯的泛在全覆盖特性，为可见光通信的应用提供了得天独厚的优势，利用这一优势设计了一种煤矿井下可见光通信定位系统。该系统将可见光通信、红外通信和电力线通信技术相结合，构建了适于煤矿井下应用环境的可见光通信系统，实现了煤矿井下人员定位、上行报警和下行广播预警等功能。与原有的煤矿井下通信定位系统相比，该通信系统性能稳定、抗电磁干扰、定位精度高，凸显出很好的实用价值。

可见光通信；红外通信；电力线通信；定位

煤炭在国内一次能源生产和消费结构中始终占70%左右，预测2050年仍将占50%以上，煤炭在长期内将依然是我国的主要能源。然而我国的煤矿安全生产形势严峻，据不完全统计，我国煤矿死亡人数总量是世界其他产煤国家死亡总数的3倍。以2007年为例，当年我国煤矿事故死亡人数约占全球的70%，煤矿百万顿死亡率约为美国的70多倍、印度的7倍左右［1］。建立完善的矿下通信系统，可有效减少矿难人员的死亡率。现有多种矿下通信定位系统，如：WiFi、蓝牙、红外、ZigBee、超宽带［2-3］等，但煤矿井下环境复杂，电磁干扰大，系统不稳定，定位精度低，人们开始考虑能不能使用其他的通信方式进行替代。

近年来LED呈现爆炸式的发展，它以低功耗、高亮度、寿命长、环保等优点深受人们的喜爱，同时也推动了可见光通信技术（VLC，Visible Light Communicaton）的快速发展［4-6］。可见光通信技术是一种利用LED灯光进行通信的技术，相比于传统的无线通信技术，它具有频谱丰富、无电磁干扰、信息容量大、速率快等无可比拟的优势，能在实现照明的同时实现通信［7-9］。由于煤矿井下电磁环境的特殊性、照明灯实现了泛在全覆盖、没有外界自然光的干扰等［10］，这都无疑给可见光通信定位提供了得天独厚的优势。

在煤矿井下可见光通信方面，国外已有相关技术研究，但偏重理论研究，应用程度有限；国内一些研究机构搭建了煤矿井下通信系统架构，但上下行都是可见光链路，在实际应用中存在一些不足。本文在参考前人研究的基础上设计了一套煤矿井下通信定位系统，将可见光通信、红外通信和电力线通信技术相互结合，在煤矿环境下实现了通信定位功能。实际应用表明，该系统稳定可靠、使用简单、定位精度高。

1 系统结构框架

煤矿井下可见光通信定位系统框架如图1所示。

该系统分为地面和井下两部分，地面部分的核心部件是一个服务器组，包括用于与可见光接入设备（矿灯）通信的前置通信服务器和用于与用户交互的网管服务器。井下部分主要包括可见光接入设备（下文简称为接入设备，即矿灯），可见光移动设备（下文简称为移动设备，即矿帽）、电力桥集器、PLC耦合器等组成。

图1 煤矿井下可见光通信定位系统框架图Fig.1 Structure diagram of VLC positioning system in underground coal mine

在关键技术方面系统将可见光通信技术（VLC，Visible Light Communication）、红外通信技术（IRC，Infrared Communicaton）、电力线通信技术（PLC，Power Line Communication）成功结合在一起，地面上的人员通过服务器组发送的信息通过电力线传给接入设备，接入设备与移动设备通过可见光下行通信与红外上行通信进行数据交互：接入设备通过可见光信道下发同步信息（信标帧）及下行预警信息至移动设备；移动设备接收到同步信息后，通过红外信道上传定位信息与上行告警信息至接入设备。接入设备接收并处理移动设备的上行数据后，定时将相关信息通过电力线通信网络［11］传输至前置通信服务器，再由前置通信服务器将数据解析处理后提交给管理服务器，管理软件对数据进行分析处理将煤矿井下人员位置信息显示在LED屏幕。

2 系统设备硬件设计

硬件结构主要包含：移动设备、接入设备、电力桥集器、PLC耦合器等，本文主要介绍移动设备、接入设备。

1）移动设备

可见光移动设备硬件结构如图2所示，核心模块选用的是意法半导体（ST）公司的STM32F103RC，属于中低端的32 位ARM微控制器，内核为Cortex-M3，能为系统提供强大的性能，例如低功耗、增强的调制特性和对高级功能模块的集成。

图2 可见光移动设备硬件结构图Fig.2 Hardware structure diagram of VLC mobile devices

设备的电源使用3.7 V镍氢电源供电，用LD1117S33芯片将3.7 V电源稳压到3.3 V，为核心模块提供工作电源，同时将3.7 V作为红外驱动模块的偏置，这里采用的降压而不是升压方式，是因为电源在井下长期放电后电压会变低，不能驱动移动设备中的电路，从而导致通信失败。

2）接入设备

可见光接入设备硬件框图如图3所示，核心单元选用ATMEL AT91SAM9260工业处理器，AT91SAM9260具有低功耗、高可靠性、高集成性的特点，完美支持Wince5.0&Linux2.6.22嵌入式操作系统，使得应用软件开发快捷方便。该设备采用双CPU方案设计，ARM9的核心板，用于数据的解析，处理以及与主机的通信（通过网络或电力线），STM32核心板用于可见光发送和红外接收的基带信号处理，可见光发送和红外接收均采用普通IO口来操作，其发送和接收时序由STM32控制。

电源模块分为两部分：其中一部分是矿灯电源，是给矿灯供电的恒压型电源模块（HFA20-36-W AC/DC），电源输入范围85Vac～265Vac，具有体积小和短路保护等功能，提供36 V电源输出；另一部分是主板电源，是给主板供电的电源 （PHFA08-3V3S09W1-3AC/DC），电源输入范围85Vac～265Vac，具有体积小和短路保护等功能，提供3.3 V电源输出。

图3 可见光接入设备硬件框图Fig.3 Hardware schematic diagram of VLC access devices

3 系统软件功能设计

该系统软件部分主要包括4部分：WEB管理服务器、前置通信服务器、可见光接入设备（矿灯）和可见光移动设备（矿帽），其中WEB管理服务器提供与用户交互平台［12］，前置通信服务器负责矿下信息的搜集、处理。下面主要介绍接入设备和移动设备的软件结构。

接入设备与移动设备之间的通信过程如图4所示。

对于接入设备，首先设置初始化，配置I/O发送接收端口PC.0和PC.1，对定时器TIM3和TIM4分别配置为20 ms和18 ms，不启用。然后判断是否收到预警帧，若收到，则STM32向下发送下行预警帧，否则STM32持续不断的发送信标帧。发送信标帧时，STM32还在不断检测I/O端口PC.1是否接收到上行告警帧，若收到则发给矿上管理中心处理，否则继续检测I/O端口。

图4 接入设备和移动设备的通信过程Fig.4 Communication process of access devices and mobile devices

对于移动设备，首先设置初始化，包含蜂鸣器PA.8的配置、按键PC.5的配置、红外发送PC.0和LED接收PC.1的配置，然后判断按键PC.5是否按下，若按下，则移动设备向接入设备发送了告警，否则判断蜂鸣器是否鸣响。若蜂鸣器发出报警，按下按键使蜂鸣器停止鸣响，否则判断LED接收PC.1是否收到完整信标帧。若收到，则向接入设备发送定位帧，否则继续判断按键PC.5是否按下。

其中接入设备和移动设备的工作流程如图5所示。

图5 接入设备和移动设备的工作流程Fig.5 Flow chart of access devices and mobile devices

4 系统测试

1）系统测试过程

测试是在系统搭建完成之后进行实地测量［13］，所以对于移动设备（即矿帽）是否接到数据只能通过接入设备（即矿灯）下发告警帧，移动设备中的蜂鸣器是否鸣响来确定，而接入设备在每次测试后会生成一个统计文件statistics_info.txt，统计文件生成统计信息的方式为：对每秒收到的同一移动设备的定位帧或告警帧数量分别进行统计，写入统计文件中，每秒收到的定位帧或告警帧数量用于计算数据帧正确率。其中在接入设备收到的数据帧次数用于计算数据帧正确率，在管理软件上收到的数据帧次数用于计算演示成功的正确率，如图6（a）（b）所示。

演示成功正确率=每经过一盏灯成功的总次数/经过的总等数；

图6 系统测试界面图Fig.6 Interface chart of the test system

数据帧正确率=数据帧接收成功率/测试过程数据发送总量；

测试主要分为：①单矿灯下，单矿帽定点测试；

②单矿灯下，单矿帽移动测试；

③单矿灯下，多矿帽定点测试；

④单矿灯下，多矿帽移动测试；

⑤多矿灯下，单矿帽移动测试；

⑥多矿灯下，多矿帽移动测试；

2）系统测试结果

单矿灯下，单矿帽定点测试结果如表1～3所示。

表1 矿帽接收矿灯下行预警帧Tab.1 Mine cap receiving downlink warning frame of lamp

表2 矿灯接收矿帽上行定位帧Tab.2 Mine lamp receiving uplink positioning frame of cap

表3 矿灯接收矿帽上行定位及告警帧Tab.3 Mine lamp receiving uplink position frame and warning frame of cap

5 结束语

文章介绍了基于可见光的煤矿井下通信定位系统，首先对通信系统中的框架进行了整体描述，介绍了系统中接入设备和移动设备的软硬件结构和工作过程，最后对搭建的通信定位系统进行了测试。实验结果证明，该煤矿井下通信定位系统具有抗电磁干扰、系统稳定、定位精度高等优点，能满足煤矿井下的实际应用。

［1］于宏毅.可见光通信在中国煤矿安全生产行业应用设想［J］.中国科技产业，2014（10）:44-46.

［2］Qiu X，Wei J，Li J，et al.A novel identification system based on visible light communication［C］//.Wireless and OpticalCommunication Conference（WOCC），2013 22ndIEEE，2013: 649-652.

［3］Iturralde D，Azurdia-Meza C，Krommenacker N，et al.A new location system for an underground mining environment using visible light communications［C］//.Communication Systems，Networks&Digital Signal Processing（CSNDSP），2014 9th International Symposium onIEEE，2014:1165-1169.

［4］李美霞.矩形巷道中可见光传播特性研究［D］.镇江:江苏大学，2013.

［5］Komine T，Nakagawa M.Fundamental analysis for visiblelight communication system using LED lights［J］.IEEE Transactions on Consumer Electronics，2004，50（1）:100-107.

［6］Komine T，Lee J H，Haruyama S，et al.Adaptive equalization system for visible light wireless communication utilizing multiple white LED lighting equipment［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2009，8（6）:2892-2900.

［7］Song J，Ding W，Yang F，et al.Indoor hospital communication systems:An integrated solution based on power line and visible light communication［C］//.Faible Tension Faible Consommation （FTFC），2014 IEEEIEEE，2014:1-6.

［8］Grubor J，Lee S C J，Langer K D，et al.Wireless High-Speed Data Transmission with Phosphorescent White-Light LEDs ［C］//.Optical Communication-Post-Deadline Papers（published 2008），2007 33rd European Conference and Exhibition ofVDE，2007:1-2.

［9］陈明方，孟晓亮，吴应发，等.基于可见光通信的矿灯身份识别系统［J］.电子科技，2014，27（10）:10-13.

［10］高磊.矿井下白光LED可见光语音通信系统研究［D］.镇江:江苏大学，2011.

［11］李先妹.数字化变电站网络通信技术的研究 ［J］.陕西电力，2011（6）：37-40.

［12］王文龙，张少博，陈海峰.一种试验数据处理软件设计［J］.火箭推进，2012（1）：76-80.

［13］李军浩，胡泉伟，吴磊，等.极化/去极化电流测试技术的仿真研究［J］.陕西电力，2011（4）：1-5.

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 稿件编号：201510116

国家863高技术研究发展计划项目（2013AA013603）；国家自然科学基金（61271253）

吴 刚（1990—），男，安徽亳州人，硕士。研究方向：可见光通信技术、嵌入式通信系统。