一种新型矿下人员无线定位和语音通信系统、方法与流程

1.本发明属于可见光通信技术领域，尤其涉及一种新型矿下人员无线定位和语音通信系统、方法。


背景技术：

2.目前，可见光通信技术，是利用荧光灯或发光二极管等发出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的，将高速因特网的电线装置连接在照明装置上，插入电源插头即可使用。其具有带宽资源丰富、无电磁辐射、搭建快、成本低且安全性能高的特点，即便在环境恶劣的条件下，也能高效稳定的传输数据。在矿下，有矿灯的存在，且无自然光的干扰，这对可见光通信有极大的优势，可以更加稳定的传输定位及语音信息。
3.矿下工作者的工作环境复杂恶劣，安全性能较低，而且当前应用于定位及通信的方法还比较有限。定位主要有蓝牙技术、无线传感技术等，受无线频谱的限制，不仅成本高，不易安装，且稳定性及精确度并不理想。通信技术主要由无线及有线两种通信方式，其覆盖范围有限，有线通信电缆成本较高，噪声易积累，不易铺设，容易受到损伤和破坏，后续的支持和维护也较差，具有极大的局限性；无线通信容易受到电磁干扰，无法实现信号的高速率传输，传输效率低且通信质量得不到保障，传输距离也有限。可见光通信不受电磁波干扰，且能克服矿下的恶劣环境，能够实现低功耗高速率传输，在实现照明的同时能够传输信息，且成本低，安全性高。
4.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
5.(1)矿下工作者的工作环境复杂恶劣，安全性能较低，而且当前应用于定位及通信的方法还比较有限。
6.(2)定位主要有蓝牙技术、无线传感技术等，受无线频谱的限制，不仅成本高，不易安装，且稳定性及精确度并不理想。
7.(3)通信技术主要由无线及有线两种通信方式，其覆盖范围有限，有线通信电缆成本较高，噪声易积累，不易铺设，容易受到损伤和破坏，后续的支持和维护也较差，具有极大的局限性。
8.(4)无线通信容易受到电磁干扰，无法实现信号的高速率传输，传输效率低且通信质量得不到保障，传输距离也有限。


技术实现要素：

9.针对现有矿下通信系统容易受电磁干扰，抗干扰能力差，安全性低的问题，本发明提供了一种新型矿下人员无线定位和语音通信系统、方法，，尤其涉及一种基于可见光通信技术的新型矿下人员无线定位和语音通信系统、方法，旨在克服现有的矿下定位系统存在的不足。
10.本发明是这样实现的，一种新型矿下人员无线定位和语音通信系统，所述新型矿下人员无线定位和语音通信系统，包括显示与控制模块、照明系统、无线定位系统及语音通
信模块。
11.其中，显示与控制模块，包括中央处理器、a/d转换器、编码器、信号放大器、d/a转换器、解码器及显示器，用于所述接收端接收到led发出的信号后，信号经过解调处理后，将包含定位的信号发送到显示器进行显示；
12.照明系统，包括信号放大电路、led驱动电路、led矿灯和光电探测器，用于将原始信号经过前置放大，通过驱动电路调制到led上，led将电信号转换成光信号进行传输，光信号再经光电探测器转换成电信号，经过后置放大还原出原始信号；
13.无线定位系统，包括发射端、led驱动电路、信号放大器、接收端及显示模块；所述发射端发送信号通过载波模块进行接收，将接收到的信号通过led驱动电路调制到led上，通过光信号传输，接收端将接收到的光信号转换为电信号，经过滤波放大后，计算出位置坐标并通过显示器显示出来；
14.语音通信模块，包括语音采集模块、信号放大模块、单片机信号处理模块、可见光发送电路及接收电路；所述语音采集模块采用高品质话筒将采集到的语音信息发送至信号放大模块，将信号经过前置放大及滤波后输送到单片机信号处理模块进行处理，然后发送至可见光发送电路，经led驱动电路调制后以光信号进行传输，接收电路将光信号转换为电信号，通过模数转换及滤波放大处理，还原出语音信息。
15.进一步，所述中央处理器双向连接各项处理器，将信号进行转换后进行编码，通过信号放大器后，传输到解码器还原信息，通过显示器进行显示。
16.进一步，所述照明设备采用xp
‑
g3 s line led，利用其能够快速闪烁的特点，将信息通过光信号进行传输，在矿下进行照明的同时可以进行数据传输。
17.进一步，所述单片机处理模块采用stm32l431cct6单片机，信号经过预处理后由其内置的数据转换器采样后，通过串口传输。
18.进一步，所述发射端包括载波模块、驱动电路和led，所述接收端包括光电探测器、信号放大模块、单片机信号处理模块与显示模块；
19.所述发射端信号由载波模块在矿下接收，驱动电路将接收到的信号调制到led上，光电探测器将接收端的光信号转换成电信号，经过滤波放大处理后，由单片机信号处理模块计算处位置坐标，并通过显示器进行显示；其中，所述计算位置坐标的方法是一种基于sds
‑
twr测距方法的二维精确定位法。
20.进一步，所述语音通信模块主要由采集电路与接收电路组成；其中，所述采集电路由语音采集模块、信号放大电路、单片机信号处理模块与编码调制部分组成；所述接收电路由解码调制部分、d/a转换器、低通滤波电路、音频功率放大电路组成；
21.采集电路将采集的原始语音信号经信号放大电路进行前置放大及音频滤波后，传输到单片机信号处理模块将其转换成数字信号，由串口传送到编码调制驱动电路调制到led光源上，将其以光信号的形式进行传输；接收电路将收到的光信号转换成电信号，通过解码调制电路调制到d/a转换器进行模数转换；最后由低通滤波电路和音频功率放大电路进行滤波放大后输出语音信号。
22.本发明的另一目的在于提供一种应用所述的新型矿下人员无线定位和语音通信系统的新型矿下人员无线定位和语音通信方法，所述新型矿下人员无线定位和语音通信方法包括以下步骤：
23.步骤一，显示与控制模块的接收端接收到led发出的信号后，信号经过解调处理后，将包含定位的信号发送到显示器进行显示；
24.步骤二，照明系统采用led，利用其能够快速闪烁的特点，将信息通过光信号进行传输，在矿下进行照明的同时可以进行数据传输；
25.步骤三，无线定位系统的发射端发送信号通过载波模块进行接收，将接收到的信号通过led驱动电路调制到led上；
26.步骤四，通过光信号传输，接收端将接收到的光信号转换为电信号，经过滤波放大后，计算出位置坐标并通过显示器进行显示；
27.步骤五，语音通信模块利用语音采集模块采用高品质话筒将采集到的语音信息发送至信号放大模块；
28.步骤六，将信号经过前置放大及滤波后输送到单片机信号处理模块进行处理，然后发送至可见光发送电路；
29.步骤七，经led驱动电路调制后以光信号进行传输，接收电路将光信号转换为电信号，通过模数转换及滤波放大处理，还原出语音信息。
30.进一步，步骤三中，所述无线定位，还包括：
31.(1)发射端发送的信号经串口发送至电力线载波模块，通过电力线传输到矿下的电力载波模块进行接收，将信号由led驱动电路调制到led上，以光信号的形式传到无线信道中；其中电力网采用的是plc嵌入式电力线载波，led驱动电路采用的驱动芯片是buf03；光源选择的是xp
‑
g3 s line型白光led；
32.(2)接收端通过光电探测器将光信号转化为电信号，再经前置放大电路和滤波电路进行滤波放大处理，最后由单片机处理计算位置坐标并通过显示模块显示出来；其中前置放大电路采用跨阻抗放大器，滤波电路采用低噪声运放op37设计，信号处理与显示模块采用stm32l431cct6单片机。
33.进一步，步骤五中，所述语音通信，还包括：
34.(1)在语音采集模块采用高品质话筒对原始语音信号进行采集，将采集到的语音信号传送至信号放大电路进行前置放大与音频滤波处理；其中前置放大电路采用电源电压范围大、集成双运放的ne5532芯片，音频滤波采用max274有源滤波器去除高频噪声；
35.(2)单片机处理模块中经ad采样后由串口发送信号，在此模块中采用的是stm32l431cct6芯片；
36.(3)将信号传输至可见光发送电路，然后在此电路中经led驱动电路调制到led上以光信号传输到矿下的无线信道中；其中编码调制部分采用bch码进行编码，由于bch码具有很强的纠错功能，可以针对存在突发错误的信道，提高矿下语音通信系统的可靠性；
37.(4)接收端由接收电路接收，在此电路中由光电探测接收光信号并将其转换为电信号，经串口接收后解码解调，通过d/a转换器进行模数转换，最后经低通滤波和功率放大后通过麦克风播出原始信号；其中解码、解调部分仍用bch码，d/a转换电路采用dac0832芯片，低通滤波及功率放大电路最后将其滤波放大处理。
38.本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的新型矿下人员无线定位和语音通信系统的功能。
39.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的新
型矿下人员无线定位和语音通信系统，用可见光通信技术解决了抗干扰性差、安全性低、成本较高及传输效率低的问题，为矿下定位与通信提供了新的解决方案。
40.由于矿下是全天的照明环境，且无自然光的影响，可充分发挥本发明可见光通信的优势，既保障了矿下照明问题，又使无线定位和语音通信系统在矿下可以高效稳定的传输数据，在一定程度上保证了矿下工作人员的安全问题。
41.本系统实现了在矿井环境下，利用照明设备进行定位及通信，不仅满足了正常的照明需求，还有效避免了无线电磁波的干扰，安全性高，同时矿灯采用led，能耗低，传输速率高，而且矿井下无自然光的干扰，大大提高了可见光通信的利用率。
附图说明
42.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
43.图1是本发明实施例提供的新型矿下人员无线定位和语音通信系统整体结构图。
44.图2是本发明实施例提供的矿下通信系统结构图。
45.图3是本发明实施例提供的定位系统结构图。
46.图4是本发明实施例提供的二维定位法原理图。
47.图5是本发明实施例提供的定位分站布置示意图。
48.图6是本发明实施例提供的新型矿下人员无线定位和语音通信方法流程图。
具体实施方式
49.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
50.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种新型矿下人员无线定位和语音通信系统、方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
51.如图6所示，本发明实施例提供的新型矿下人员无线定位和语音通信方法包括以下步骤：
52.s101，显示与控制模块的接收端接收到led发出的信号后，信号经过解调处理后，将包含定位的信号发送到显示器进行显示；
53.s102，照明系统采用led，利用其能够快速闪烁的特点，将信息通过光信号进行传输，在矿下进行照明的同时可以进行数据传输；
54.s103，无线定位系统的发射端发送信号通过载波模块进行接收，将接收到的信号通过led驱动电路调制到led上；
55.s104，通过光信号传输，接收端将接收到的光信号转换为电信号，经过滤波放大后，计算出位置坐标并通过显示器进行显示；
56.s105，语音通信模块利用语音采集模块采用高品质话筒将采集到的语音信息发送至信号放大模块；
57.s106，将信号经过前置放大及滤波后输送到单片机信号处理模块进行处理，然后发送至可见光发送电路；
58.s107，经led驱动电路调制后以光信号进行传输，接收电路将光信号转换为电信号，通过模数转换及滤波放大处理，还原出语音信息。
59.下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
60.实施例1
61.本发明实施例提供的基于可见光通信的矿井下人员定位及通信的装置，本系统分为显示与控制模块、照明系统、无线定位系统及语音通信模块。
62.显示与控制模块包括中央处理器、a/d转换器、编码器、信号放大器、d/a转换器、解码器、显示器。中央处理器双向连接各项处理器，将信号进行转换后进行编码，通过信号放大器后，传输到解码器还原信息，通过显示器进行显示。
63.照明系统采用led，利用其能够快速闪烁的特点，将信息通过光信号进行传输，在矿下进行照明的同时可以进行数据传输。
64.无线定位系统包括发射端、led驱动电路、信号放大器、接收端及显示模块。发射端发送信号通过载波模块进行接收，将接收到的信号通过led驱动电路调制到led上，通过光信号传输，接收端将接收到的光信号转换为电信号，经过滤波放大后，计算出位置坐标并通过显示器显示出来。
65.语音通信模块包括语音采集模块、信号放大模块、单片机信号处理模块、可见光发送电路及接收电路。语音采集模块采用高品质话筒将采集到的语音信息发送至信号放大模块，将信号经过前置放大及滤波后输送到单片机信号处理模块进行处理，然后发送至可见光发送电路，经led驱动电路调制后以光信号进行传输，接收电路将光信号转换为电信号，通过模数转换及滤波放大处理，还原出语音信息。
66.计算位置坐标是一种基于sds
‑
twr测距方法的二维精确定位法。具有计算量小、定位速度快、成本低等优点。
67.照明设备采用xp
‑
g3 s line led，其在开关循环和调光循环中具有很高的可靠性，且能够提供很高的光输出和更高的光效。
68.所述单片机处理模块采用stm32l431cct6单片机，信号经过预处理后由其内置的数据转换器采样后，通过串口传输。
69.实施例2
70.1、可见光的无线定位和语音通信系统的整体结构
71.将采集到的信号经过信号放大滤波处理、a/d转换、编码调制后由电力线载波传送到矿下接收，再由驱动电路调制到led上，以光信号的形式传送到光电探测器上，把光信号转换为电信号，经过解码解调处理发送至单片机，通过d/a转换器进行模数转换，然后经滤波放大处理后，实现无线定位和语音通信两大功能。系统的整体结构如图1所示。
72.2、在定位系统中定位技术的实现
73.采用的是二维精确定位法，如图4所示，在矿井下的巷道中的一侧以固定距离安装定位分站a、b、c、d等，定位卡m系在工作人员的腰间。确保定位卡可以与相邻的两定位分站同时进行通信，定位分站与定位卡的距离采用sds
‑
twr测距方法。如图5所示，用此方法可以测出定位卡m与定位分站b的距离d
bm
，与定位分站c的距离d
cm
，已知定位分站b、c之间的距离
d
bc
，根据这三个量可计算出定位卡m到巷道轴向方向的距离d
mn
，到定位分站b、c的水平距离d
bn
、d
cn
，由此可计算出定位卡m的位置。
74.由图2可得：
75.d
2bn
d
2mn
＝d
2bm
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
76.d
2cn
d
2mn
＝d
2cm
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
77.式(1)～式(2)得：
78.d
2bn
‑
d
2cn
＝d
2bm
‑
d
2cm
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
79.∵d
bn
d
cn
＝d
bc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
80.∴d
cn
＝d
bc
‑
d
bn
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
81.将式(5)代入式(3)得：
82.d
2bn
‑
(d
bc
‑
d
bn
)2＝d
2bm
‑
d
2cm
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
83.∴d
2bn
‑
d
2bc
2d
bc
d
bn
‑
d
2bn
＝d
2bm
‑
d
2cm
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
84.整理得：
[0085][0086]
式中，d
mn
为定位卡m距定位分站b巷道轴向距离，m；d
bc
为定位分站b与定位分站c之间距离，m，分站安装时确定；d
bm
为定位分站到定位卡m距离，已测定，m；d
cm
为定位分站c到定位卡m距离，已测定，m。
[0087]
根据式(1)：
[0088][0089]
式中，d
mn
为定位卡m距分站巷道水平径向距离，m。
[0090]
在图2中，将在语音通信阶段中分步骤说明如下：
[0091]
步骤1：在语音采集模块采用高品质话筒对原始语音信号进行采集，将采集到的语音信号传送至信号放大电路进行前置放大与音频滤波处理。其中前置放大电路采用电源电压范围大、集成双运放的ne5532芯片，音频滤波采用max274有源滤波器去除高频噪声。
[0092]
步骤2：单片机处理模块中经ad采样后由串口发送信号。在此模块中采用的是stm32l431cct6芯片。
[0093]
步骤3：将信号传输至可见光发送电路，然后在此电路中经led驱动电路调制到led上以光信号传输到矿下的无线信道中。其中编码调制部分采用bch码进行编码，由于bch码具有很强的纠错功能，可以针对存在突发错误的信道，提高矿下语音通信系统的可靠性。
[0094]
步骤4：接收端由接收电路接收，在此电路中由光电探测接收光信号并将其转换为电信号，经串口接收后解码解调，通过d/a转换器进行模数转换，最后经低通滤波和功率放大后通过麦克风播出原始信号。其中解码、解调部分仍用bch码，d/a转换电路采用dac0832芯片，低通滤波及功率放大电路最后将其滤波放大处理。
[0095]
在图3中，将在无线定位阶段中步骤说明如下：
[0096]
步骤1：发射端发送的信号经串口发送至电力线载波模块，通过电力线传输到矿下的电力载波模块进行接收，将信号由led驱动电路调制到led上，以光信号的形式传到无线信道中。其中电力网采用的是plc嵌入式电力线载波，led驱动电路采用的驱动芯片是
buf03。光源选择的是xp
‑
g3 s line型白光led。
[0097]
步骤2：接收端通过光电探测器将光信号转化为电信号，再经前置放大电路和滤波电路进行滤波放大处理，最后由单片机处理计算位置坐标并通过显示模块显示出来。其中前置放大电路采用跨阻抗放大器，滤波电路采用低噪声运放op37设计，信号处理与显示模块采用stm32l431cct6单片机。
[0098]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solid state disk(ssd))等。
[0099]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。