CN102185651B - 一种基于led矿工帽照明灯的无线对讲通信系统 - Google Patents

Abstract

一种基于LED矿工帽照明灯的无线对讲通信系统，包括矿工帽体和设置在帽体上的光无线发射端、接收端、控制单元和LED矿工灯，以及充电电池；所述控制单元连接发射端和接收端，构成收发系统，所述控制单元包括单片机和单片机外围的时钟模块和指示灯模块；单片机控制收、发两端，完成对发射信号和接收信号的处理；将从发送端采集的音频信号经过AGC放大后进行A/D转换，然后对数字信号进行编码，再将编码后的信号加载到LED调制照明电路上；控制接收端将接收的光信号转换成电信号并再生还原为数字信号，然后将接收端输出的数字信号进行曼彻斯特解码、D/A转换，还原为语音信号，再发送至接收端的喇叭。

Description

一种基于LED矿工帽照明灯的无线对讲通信系统

技术领域

本发明属于矿井下短距离照明通信领域，具体涉及一种通过矿工帽照明灯实现无线语音通信的系统。

背景技术

随着我国经济的快速发展，人们对能源的需求量日益增加。与此同时，煤矿安全生产也越来越受到重视。传统井下照明设备(白炽灯、荧光灯、高压钠灯等)由于功率问题容易产生电火花，这易引起瓦斯爆炸和燃烧。而被称为21世纪照明技术的新生第四代光源——白光LED具有的最突出优点是低功耗，此特点可以有效地减少电火花。因此具有安全高效、绿色环保、低发热、长寿命等优点的白光LED必然会成为未来井下照明的首选光源。目前配有1W和3W白光LED的照明用矿工帽已经商用。

由于井下抽风设备和开采设备造成的噪声严重影响井下作业人员相互之间正常通话，而井下无线对讲机价格昂贵，不可能每个矿工都配有一个。并且现有的井下无线对讲设备具有不易携带、信号质量差、半双工工作方式等缺点，所以设计新型经济实用的井下无线对讲设备变得非常必要。

近年来，已经有采用蓝牙技术^[1]进行的井下近距离无线语音通信，但是蓝牙设备具有功耗高、通信距离短、易受干扰等缺点。其它近距离无线通信技术还有UWB(超宽带)技术^[2]、ZigBee(无线传感器)技术^[3]等。这些技术都属于射频无线通信，具有成本较高、不易安装和高功耗等缺点。且井下通信环境恶劣，空气中含有的大量煤矿粉尘、可燃气体和水汽会吸收无线电波，巷道空间狭小无线电波易受岩石和煤层的吸收反射。除此之外，矿井下还放置有开采设备和排风设施并且巷道顶部和四周分布着许多铁丝网，这些金属物体也会吸收和干扰射频信号，影响通信质量和传输距离。而井下这种特殊环境对LED可见光无线通信不会造成太大的影响，特别在工作面上黑暗环境中不存在背景自然光及路灯干扰，较少的反射体减少了多径效应，并实现照明和通信两用。既节能，又减少重复投资，从而降低成本投入。

本发明在采用标准功率1W LED矿工帽照明灯(通过井下用品安全认证)基础上，设计了带小喇叭、麦克风的可见光无线通信对讲机。这样不仅实现了照明又解决了井下噪声带来的语音通信困扰。

发明内容

本发明根据矿井下特殊环境和白光LED可见光通信技术的特点，提供一种兼具照明和语音通信双重功能的系统。该系统安装在矿工灯帽上，矿工可以佩戴这种帽子进行照明和语音通信。当两位矿工需要通信时，通过麦克风说话，麦克风的语音信号调制到矿工帽的LED灯上，信号沿照明光路传输，照射到对方矿工帽顶的光接收机上，接收机将光信号转换为电信号，经过放大均衡、解码还原为语音信号，实现语音通信。在通信时不影响照明，不通信时，通信模块进入休眠状态，不影响LED矿工灯帽照明。该系统具有低功耗、低成本、小尺寸、干扰少、照明和通信共用等优点。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于LED矿工帽照明灯的无线对讲通信系统，包括矿工帽体和设置在帽体上的光无线发射端、接收端、控制单元和LED矿工灯，以及充电电池；所述控制单元连接发射端和接收端，构成收发系统，所述控制单元包括单片机和单片机外围的时钟模块和指示灯模块；

单片机控制收、发两端，完成对发射信号和接收信号的处理；将从发送端采集的音频信号经过AGC放大后进行A/D转换，然后对数字信号进行编码，再将编码后的信号加载到LED调制照明电路上；控制接收端将接收的光信号转换成电信号并再生还原为数字信号，然后将接收端输出的数字信号进行曼彻斯特解码、D/A转换，还原为语音信号，再发送至接收端的喇叭。

作为本发明的进一步改进，所述数字信号编码采用曼彻斯特编码，采用曼彻斯特编码是为了避免信号中出现的长串连‘0’和长串连‘1’，有利于系统时钟提取，提高系统的通信质量。

单片机控制发射和接收两部分，这两部分属于两个不同的线程，各自独立运行互不影响，只有这样才能形成全双工通信。考虑降低系统功耗，所述单片机设有休眠功能，还设有键盘电路，在长时间没有通信信号的情况下，单片机进入休眠状态；当有通信需求时，触键唤醒单片机进行通信。单片机内部自带时钟，该内部时钟为单片机提供时间参照并可以实现单片机休眠；外部时钟采用晶体振荡器，为同步通信提供时钟保证。

所述发射端包括麦克风、白光LED矿灯和调制照明电路；所述麦克风经过一个转换滤波电路和单片机相连。

所述白光LED矿灯，采用经过井下安全认证的标准LED矿灯作为信号源；其额定功率为1W、工作电流为200mA、工作电压范围为3V～5V、发光波长范围为380nm～780nm。

所述调制照明电路包括调制电路和照明电路，当无通信信号时，调制电路断开，照明电路工作，保证LED正常照明；当有通信信号时，照明电路断开，调制电路工作。调制电路输出给LED的电压根据计算的LED亮灭门限电压值V_g设计，当通信信号为‘1’时，LED两端的电压高于V_g达到正常工作电压范围，LED发亮；当通信信号为‘0’时，LED两端的电压低于V_g，LED熄灭。

经实验测得，如果在白光LED调制电路上加载低于200Hz的数字信号时，人眼会感觉到LED的闪烁，所以光脉冲信号的传输速率应选择大于200bps。

所述接收端由集光器、放大均衡判决电路和小喇叭组成；所述集光器用于接收光通信信号并转换成电信号；所述放大均衡判决电路用于将集光器的电信号进行放大、补偿和判决，得到原发送的数字信号。

所述集光器由光学聚焦透镜(又称光集中器)、折射匹配层和光电检测器组成。所述光学聚焦透镜采用半球形光学透镜；所述折射匹配层用于减少光的反射损失，取得最大量的光接收；所述光电检测器作用是把接收到的光信号转换为电流，对光电检测器的要求是高光电转换效率、低附加噪声和快速响应。

光电检测器产生的光电流比较微弱(pA)，要使信号正确判决，需要放大、均衡。如附图6所示，放大均衡判决电路包括放大电路、均衡电路、判决电路，放大电路包括前置放大器、主放大器和AGC电路(自增益控制)；均衡电路由均衡器组成；判决电路由判决再生电路和时钟提取组成。

经过滤波后的电信号首先经过前置放大，前置放大后的信号的输出电压一般较低，无法满足后续均衡和判决电路所需的输入电压要求，需要进一步的信号放大，采用具有AGC(自动增益控制)功能的主放大器来实现信号的中间放大。经过主放大器后信号进行幅度均衡，其目的是对经空气传输、光/电转换和放大后已产生畸变(失真)的电信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决，以消除码间干扰，减小误码率。除此之外，再生原始信号还需要判决再生电路。判决再生电路包括判决电路和时钟提取电路两部分，它的功能是从放大器输出的信号与噪声混合的波形中提取码元时钟，并逐个地对码元波形进行取样判决，以得到原发送的数字信号。再生的编码信号经解码器进行曼彻斯特解码，并进行A/D转换。由于经过这些步骤之后的信号衰减很大，需要功率放大器将模拟信号放大来满足小喇叭的电压要求，如附图2所示。

出于安全考虑，有经验的矿工在井下经常会根据声音判别井下异常情况，矿工在井下不可能一直带着耳机。设计安全帽时采用小喇叭以保证语音通信的畅通。如附图7中的3所示，小喇叭和耳机集成一起。小喇叭具体功能是将模拟信号还原为语音信号，并且当通信建立时会给出提示音。

本发明根据矿井下黑暗和光反射体较少这种特殊环境将可见光通信应用于井下，同时实现照明和通信。本方案与现有的井下近距离通信技术相比具有：节约节能、安全实用和通信干扰少等优点。其在完成普通照明的前提下，解决了井下机器噪声造成的近距离语音通信障碍。本发明还采用单片机休眠来降低系统功耗，并且所设计出的系统具有安全环保、实用经济、节能易用等特点。

附图说明

图1是本发明实施例1的控制单元结构示意图；

图2是本发明实施例1的无线通信系统框图；

图3是本发明实施例1控制单元外围模块电路；

图4是本发明实施例1的调制照明电路；

图5是本发明实施例1集光器结构示意图；

图6是本发明实施例1接收端电路框图；

图7是本发明实施例1的结构示意图；

图8井下LED系统通信示意图。

发射端1、接收端2、麦克风3、矿工帽4、电源线5、电池6、小喇叭8、白光LED矿灯9、光学聚焦透镜21、折射匹配层22、光电检测器23、放大均衡判决电路24。

具体实施方式

下面结合实施例和附图做进一步说明。

实施例1

如图7所示，一种基于矿工帽照明灯的无线通信系统，包括矿工帽4和设置在矿工帽4上的光无线发射端1、接收端2、控制单元，以及电线5和充电电池电源6。控制单元通过程序来实现对发射端和接收端的控制，而且发射端控制代码和接收端控制代码属于两个独立的线程便于系统进行全双工通信。

具体实施方式如下：

1.系统控制

如图1所示，控制单元连接发射端1和接收端2，构成收发系统，控制单元包括单片机和单片机外围的时钟模块、键盘和指示灯模块。

如附图2所示，在控制单元中模块化单元为系统提供时钟、键盘和指示(各部分具体电路如附图3所示)等功能保证的基础上，单片机控制收发端完成信号的发射和接收。由于系统需要对数字信号进行处理，这样对单片机要求就相对较高，所以该单片机可以采用16位处理器。其具有的主要参数为：工作电压(CPU)为2V～5V，具有ADC(模一数转换器)、DAC(数-模转换器)、内置放大器、自动增益控制(AGC)功能，并且还具有DSP(数字信号处理)、时钟休眠和触键唤醒等功能。

单片机控制发、收两端1，2，完成对发射信号和接收信号的处理；将从发送端采集的音频信号经过AGC放大后进行A/D转换，然后对数字信号进行编码，再将编码后的信号加载到LED调制照明电路上；控制接收端将接收的光信号转换成电信号并再生还原为数字信号，然后将接收端输出的数字信号进行曼彻斯特解码、D/A转换，还原为语音信号，再发送至接收端的喇叭。

2.信号发射

发射端1包括麦克风3、白光LED矿灯9和调制照明电路。麦克风3经过一个转换滤波电路和单片机相连。采用经过井下安全认证的标准白光LED矿灯作为信号源。其额定功率为1W、工作电流为200mA、工作电压范围为3V～5V、发光波长范围为380nm～780nm。如附图7所示的矿工需要进行通信时，首先确保系统处于正常通信状态，即保证附图3(c)电路图中红灯亮、绿灯灭。如果红绿灯都亮，则按下附图3(b)电路图中的wake按键。接着将麦克风拉下，调整照明角度使双方灯光都照射在对方帽顶的半球形光集中器上。通信建立之后，语音信号通过麦克风转换为模拟信号，然后传进行AGC(自动增益控制)放大、A/D转换和曼彻斯特编码。其中，AGC(自动增益控制)放大和A/D转换以及通过AGC电路和ADC实现，曼彻斯特编码通过编码器来实现。

将曼彻斯特编码信号加载到LED调制照明电路上，LED调制照明电路具有照明和调制双重功能。本系统采用OOK调制方式。当有信号时，LED实现照明和通信两用；当无信号时，LED尽最大效率照明，具体电路如附图4所示。

3.接收端

接收端如附图6所示，接收端2由光学聚焦透镜21、放大均衡判决电路24和小喇叭8组成；接收机前端用于接收光通信信号并转换成电信号；放大均衡判决电路用于将集光器的电信号进行放大、补偿和判断，得到原发送的数字信号。

集光器模型如附图5所示，光聚焦镜头21采用半球面透镜，直径为45mm，焦距在18mm左右，接收视场近似为180°。折射匹配层22采用折射匹配液，其折射率为1.54。光电探测器23选硅PIN光电二极管，光敏面积为1cm²、接收波长范围为400nm～700nm。

放大均衡判决电路采用输入阻抗较高的场效应管作为前置放大器。完成AGC放大功能采用主放大器和AGC电路，主放大器为多级放大器，用于提供足够的增益，并通过它实现AGC。

接着对信号进行幅度均衡，对已失真的电压信号进行补偿，使输出信号的波形适合于判决。即增加接收信号中‘1’和‘0’之间的幅度差距(增大信号‘1’的幅度，减少信号‘0’的幅度)。

然后被修正过的信号经时钟提取和判决再生恢复出原始数字信号。具体功能：判决电路是为了确定主放大器输出的升余弦波形是‘1’或是‘0’，需要对某时隙的码元作出判决。若判决结果为‘1’，则由再生电路产生一个矩形‘1’脉冲；若判决结果为‘0’，则由再生电路重新输入一个‘0’。时钟提取电路是为了精确地确定“判决时刻”，需要从信号码流中提取准确的时钟信息作为标定，以保证与发送端一致。

随后将再生的数字信号送入解码器进行曼彻斯特解码，并进行D/A转换。然后信号经过音频功率放大器放大传输到小喇叭中实现语音的还原。功率放大器可采用集成芯片来完成，中间要增加一些外围电路来实现与小喇叭的电压匹配。如附图7所示，语音传递装置包括小喇叭和麦克风，麦克风是可以灵活转动的，当不需要通信时可以将麦克风收起，这一部分可以采用现成器件来实现。

4.矿工帽结构

附图7所示矿工帽结构。其中，发射端1中的白光LED灯9可以从帽子上取下来当作手灯用；矿工帽4采用经过井下安全认证的通用矿工帽；电源线5附着在帽顶上；电池6采用锂电池，输出电压为DC(直流)5V，并且锂电池是扣在腰部的，可以灵活取下。

系统自动进入单片机休眠状态(附图3(c)电路图中绿灯亮)，然后LED通过如附图4所示的调制照明电路尽最大效率照明。当需要通信时按下附图3(b)电路图中的wake按键，唤醒单片机进行通信。通信示意图如附图8所示，只要光线照到对方的光集中器上，实现光脉冲接收，然后小喇叭中发出通信建立成功的提示音，通信即可建立。

最后给出该矿工灯帽对讲机系统主要指标：

(1)在最低信噪比13.6dB接收和无障碍情况下，通信传输距离可达到245m；

(2)照明距离为大于25m；

(3)传输速率为8Kbps～48Kbps；

(4)系统通信情况下总功耗为3～5W，休眠情况下总功耗低于2W，LED灯功耗为1W；

(5)DC 5V供电。

Claims (4)

1. 一种基于LED矿工帽照明灯的无线对讲通信系统，其特征是，该无线对讲通信系统包括矿工帽和设置在帽体上的光无线发射端、接收端和控制单元，以及充电电池电源；所述控制单元连接光无线发射端和接收端，构成收发系统，所述控制单元包括单片机和单片机外围的时钟模块和指示灯模块；

单片机控制收、发两端，完成对发射信号和接收信号的处理；将从光无线发射端采集的音频信号经过AGC放大后进行A/D转换，然后对数字信号进行曼彻斯特编码，再将编码后的信号加载到LED调制照明电路上；控制所述接收端将接收的光信号转换成电信号并再生还原为数字信号，然后将所述接收端输出的数字信号进行曼彻斯特解码、D/A转换，还原为语音信号，再发送至接收端的喇叭；

所述光无线发射端包括麦克风、白光LED矿灯和LED调制照明电路；所述麦克风经过一个转换滤波电路和单片机相连；所述白光LED矿灯额定功率为1W、工作电流为200mA、工作电压范围为3V~5V、发光波长范围为380nm~780nm。

2.根据权利要求1所述的无线对讲通信系统，其特征是，所述LED调制照明电路包括调制电路和照明电路，当无通信信号时，调制电路断开，照明电路工作，保证白光LED矿灯正常照明；当有通信信号时，照明电路断开，调制电路工作；调制电路输出给白光LED矿灯的电压根据计算出的白光LED矿灯亮灭门限电压值V _g设计，当通信信号为‘1’时，白光LED矿灯两端的电压高于V _g，达到正常工作电压范围，白光LED矿灯发亮；当通信信号为‘0’时，白光LED矿灯两端的电压低于V _g，白光LED矿灯熄灭。

3. 根据权利要求1所述的无线对讲通信系统，其特征是，所述接收端由集光器、放大均衡判决电路和小喇叭组成；所述集光器用于接收光通信信号并转换成电信号；所述放大均衡判决电路用于将集光器的电信号进行放大、补偿和判决，得到原发送的数字信号。

4. 根据权利要求3所述的无线对讲通信系统，其特征是，所述集光器由光学聚焦透镜、折射匹配层和光电检测器组成，所述折射匹配层设置在光学聚焦透镜和光电检测器之间。