CN103199922A - 一种基于可见光通信的煤矿工作面通信系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种基于可见光通信的煤矿工作面通信系统及其方法，属于煤矿通信系统及方法。它利用工作面已有的照明电缆作为传输介质，在工作面中增设基于LED照明灯的可见光基站，矿工佩戴具有收发信功能的LED矿灯，作为移动节点，就近接入信号最强的可见光基站。通过构建由工作面移动节点与照明灯基站之间的无线链路，照明灯基站与综保、井下骨干网络的有线链路，实现工作面的有线与无线的混合覆盖。工作面现场的通信数据通过可见光信道和照明电缆传输到井下骨干环网交换机或者分支交换机，通过骨干环网将数据发送到地面通信服务器。优点：LED光源能耗低，传输速率高，因此系统的能耗低，安全性高，成本低廉，抗干扰能力强，煤矿井下无自然光的干扰，适合在煤矿井下使用。

Description

一种基于可见光通信的煤矿工作面通信系统及其方法

 

技术领域

本发明涉及一种煤矿通信系统及方法，特别是一种基于可见光通信的煤矿工作面通信方法。

背景技术

    矿井通信联络系统又称矿井通信系统，是煤矿安全生产、紧急避险和应急救援的重要工具，是《国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知（国发[2010]23号）》中要求煤矿必须安装的系统之一。《国家安全生产监督管理总局国家煤矿安全监察局关于建设完善煤矿井下安全避险“六大系统”的通知（安监总煤装[2010]146号）》也要求：煤矿要按照在灾变期间能够通知人员撤离和实现与避险人员通话的要求，进一步建设完善矿井通信联络系统。由于工作面是煤矿生产的最前端，是最容易出现事故的地方，因此，研制可靠的工作面通信系统是非常必要的。

当前，用于煤矿的通讯系统主要有有线和无线两大方式。有线矿井通信包括矿用调度电话、漏泄通信系统、井下小/大灵通、矿井广播通信系统等。矿用调度电话技术已经十分成熟，是各个矿山必备的系统之一，但是它的覆盖范围有限。漏泄通信系统以漏泄电缆作为无线通信系统中的天线，实际上是一种有线与无线结合的方式，在巷道分叉的地方安装功率分配器，通话质量较好，但是电缆成本高，噪声容易累计。井下小/大灵通系统是根据电线运营商的技术移植而来，系统复杂，成本较高，后续支持和维护也较差。矿井广播通信系统一般安装在巷道、候车室、猴车沿线、皮带沿线、采煤/掘进工作面等位置，为井下工作人员疏散撤离提供必要的声讯信息，也可将指挥命令进行全线广播，但是一般只能用于井上到井下的单向通信。

上述有线通信方式在正常情况下工作可靠、容量大，但是煤矿井下的环境复杂、富含各种有毒有害气体，容易发生冒顶、透水、瓦斯爆炸等事故，通信过程因为有线通信线段被砸断而中断。因此，应该积极借鉴无线通信的最新研究成果，在矿井中部署无线通信联络手段，作为有线通信方式的扩展和补充。用于煤矿井下的短距离无线通信技术主要包括红外、超宽带和无线传感器网络、WiFi等。红外技术虽然成本低，但是红外光会对人眼造成伤害，因此必须限定其功率，这就造成通信距离短；同时发送端和接收端必须严格对准才能实现通信，这在工作面环境很难实现。超宽带技术可以实现低功耗的高速短距离信息传输，可以充分利用频谱带宽，但是建设和维护成本大，暂时不能大规模推广。无线传感器技术虽然功耗和成本较低，但是无法实现信号的高速率传输，它的传输效率低，井下和地面之间的通信时延较大。WiFi技术所需要的能耗较大，考虑到井下防爆要求，也不适合大规模推广使用。  

    目前，尽管已有不少成熟或者新兴的有线与无线通信技术被用于煤矿井下，但是在工作面这种特殊场合下，却存在严重的通信手段单一的问题，目前可用的仅仅是前述的矿井广播通信系统，以及扩音电话系统，它们的扩展性较差。目前虽然有可见光通信、电力载波通信或者可见光通信与电力载波通信结合的方法，但是，如何将它们有效的运用到煤矿工作面这种大型设备多、干扰大、环境恶劣的条件下，还没有切实可行的方法见诸报道。

发明内容

本发明的目的是要提供一种基于可见光通信的煤矿工作面通信系统及其方法，解决目前在工作面以广播通信系统、扩音电话系统等通信手段的扩展性差的问题。

本发明的目的是这样实现的：煤矿工作面通信包括系统和方法；

所述的系统包括：电力电缆、照明灯基站、移动节点和综保电力载波。

照明灯基站、和综保电力载波均连接在电力电缆上，移动节点与照明灯基站实现无线通讯，综保电力载波与井下环网交换机或分支交换机连接。

所述的电力电缆为工作面原有的127V低压照明电缆。

所述的照明灯基站为LED支架灯的基础上外加光信息发射器和光信息接收器构成，构成信息基站，接受移动节点即智能通信矿灯无线接入；照明灯基站与照明用电缆连接，以电力载波的方式将工作面采集到的信息传输到井下骨干环网；照明灯基站的光发射器由光/电转换电路、LED调制驱动电路和LED光源构成并顺序连接，用于信息的发送；照明灯基站的光接收器由光信号检测电路、放大电路、滤波电路、均衡电路、解调判决电路等构成并顺序连接，用于信号的接收。

所述的移动节点为煤矿工作面矿工所携带的智能通信矿灯，移动节点是一个小型的智能LED终端具有照明功能，包括：光信息发射器、光信息接收器、电源模块、控制模块和液晶显示模块，电源模块和液晶显示均与模块控制模块连接，构成移动控制器，光信息发射器、光信息接收器与移动控制器连接。

所述的综保电力载波包括：综保、隔离保险器、变压控制调节器、继电大保护装置、相相耦合器、电力线载波耦合器、编码调制解调器、电力载波通信管理服务器和RJ45接口，在照明电缆上连接有隔离保险器、变压控制调节器、继电大保护装置和相相耦合器，综保与照明电缆连接，同时分别与变压控制器和继电器保护装置连接，相相耦合器和继电器保护装置均与电力线载波耦合器连接，电力线载波耦合器、编码调制解调器、电力载波通信管理服务器和RJ45接口顺序连接。

所述的方法为：采用电力载波和可见光通信的方式实现煤矿工作面与地面的通信，具体方法是：

（1）设备安装：将照明灯基站按照每隔5-8个支架吊装在液压支架的顶梁上，具有通信和基站管理功能的综保安装在上顺槽中，照明灯基站之间、照明灯与综保之间利用照明电缆连接，综保通过RJ45电缆与工业以太网交换机或者分支交换机相连；

（2）移动节点接入照明灯基站：在工作面内，如果在移动节点的周围有照明灯基站的信号覆盖，移动节点通过光的码分多址接入基站，实现矿工与基站的信息互通；在移动节点的周围没有照明灯基站信号的覆盖，通过限制泛洪的方式寻找邻近移动节点，通讯成功，通过RTS-CTS握手的方式与其建立无线连接；通过邻居节点实现与照明灯基站的互通；

（3）照明灯基站与综保电力载波之间的连接：通过工作面127V电力照明线将各照明灯基站连接在一起，并最终与综保电力载波相连，组成可见光双向通信链路；一个工作面组成一个可见光通信局域网，每个局域网内由综保电力载波充当控制模块和数据转发模块；

（4）上行数据传输：移动节点采集到工作面的现场数据之后，通过光载波通信传输给照明灯基站，接着通过电力载波的方式传输给综保电力载波，由综保电力载波以IP数据包的方式通过工业以太网传输到地面；据此，可以实现煤矿工作面的视频监控、重要数据的采集、数据上传，及时发现故障隐患，采取措施避免设备损坏，提高设备正常率和开机率；同时对相关数据进行存储、显示和分析，实现数据共享与远程管理，并通过计算机网络实现共享，达到生产管理的信息化；

（5）下行数据传输：地面产生查询或者控制指令等数据，经由工业以太网传输到综保电力载波，随后通过综保电力载波的方式交付给照明灯基站，基站以光载波的方式传输给移动节点；据此，可以实现数据查询、远程指挥、诊断预警功能，为实现煤矿工作面的生产过程自动化提供通信基础。

有益效果，由于采用了上述主案，煤矿工作面内的人员与人员、人员与照明等基站之间实现了光无线通信功能，它们通过光/电和电/光转换，实现了信息的光编/解码和载波传输。在照明灯基站与综保电力载波之间采用照明电缆实现信号的传输，可以保证稳定可靠。综保电力载波的输出端之后就可以采用普通的IP数据传输模式，实现工作面通信与井下环网的无缝融合，进而实现与地面的通信。整个系统中，所需改进的设备仅仅需要：将人员的矿灯中增设光通信所需的收发信模块，成为本系统的移动节点；在现有的照明灯中增设光通信所需的收发信模块和电力载波接口、电力线调制编码等模块，成为本系统的照明灯基站；在现有的综保中增设调制编码模块和基站通信管理模块，成为本系统的综保电力载波。本专利所构造的系统实施费用低，方便快捷，扩展能力强。此外，由于LED光源能耗低，不需要很大的发射功率就可以达到较高的传输速率，因此系统的能耗低，安全性高，成本低廉，抗干扰能力强，由于煤矿井下无自然光的干扰，因此本发明适合在煤矿井下使用。

附图说明

图1为本发明的煤矿工作面可见光通信系统结构图。

图2为本发明的通信结构体系图。

图3为本发明的实施方式示意图。

图4 移动节点结构图。

图5 照明灯基站结构图。

图6 综保电力载波结构图。

具体实施方式

下面以附图来说明本发明的实施方式。

实施例1：煤矿工作面通信包括系统和方法；

所述的系统包括：电力电缆、照明灯基站、移动节点和综保电力载波。

照明灯基站、和综保电力载波均连接在电力电缆上，移动节点与照明灯基站实现无线通讯，综保电力载波与井下环网交换机或分支交换机连接。

所述的电力电缆为工作面原有的127V低压照明电缆，不需要单独为本系统单独进行通信线缆敷设工作。

所述的照明灯基站为LED支架灯的基础上外加光信息发射器和光信息接收器构成，构成信息基站，接受移动节点即智能通信矿灯无线接入；照明灯基站与照明用电缆连接，以电力载波的方式将工作面采集到的信息传输到井下骨干环网；照明灯基站的光发射器由光/电转换电路、LED调制驱动电路和LED光源构成并顺序连接，用于信息的发送；照明灯基站的光接收器由光信号检测电路、放大电路、滤波电路、均衡电路、解调判决电路等构成并顺序连接，用于信号的接收。

所述的移动节点为煤矿工作面矿工所携带的智能通信矿灯，移动节点是一个小型的智能LED终端具有照明功能，包括：光信息发射器、光信息接收器、电源模块、控制模块和液晶显示模块，电源模块和液晶显示均与模块控制模块连接，构成移动控制器，光信息发射器、光信息接收器与移动控制器连接。

移动节点除了传统的照明功能外，还用于信息的接收和发送。

所述的综保电力载波包括：综保、隔离保险器、变压控制调节器、继电大保护装置、相相耦合器、电力线载波耦合器、编码调制解调器、电力载波通信管理服务器和RJ45接口，在照明电缆上连接有隔离保险器、变压控制调节器、继电大保护装置和相相耦合器，综保与照明电缆连接，同时分别与变压控制器和继电器保护装置连接，相相耦合器和继电器保护装置均与电力线载波耦合器连接，电力线载波耦合器、编码调制解调器、电力载波通信管理服务器和RJ45接口顺序连接。工作面中的所有照明灯基站的信息和地面/井下工业以太网的信息，以便实现对综保所在工作面的照明灯基站的接入管理和信息收发控制，实现照明灯基站之间的协同工作，进而实现对工作面的全覆盖。综保原有的漏电保护、短路保护、快速断电、电缆绝缘监视等功能依然保留。

每个工作面组成一个可见光通信局域网，由综保充当控制模块，实现基站的接入管理、数据转发和收发控制，它具有系统各个照明灯基站的全部信息和地面/井下工业以太网的信息。

所述的方法为：采用电力载波和可见光通信的方式实现煤矿工作面与地面的通信，具体方法是：

（1）设备安装：将照明灯基站按照每隔5-8个支架吊装在液压支架的顶梁上，具有通信和基站管理功能的综保安装在上顺槽中，照明灯基站之间、照明灯与综保之间利用照明电缆连接，综保通过RJ45电缆与工业以太网交换机或者分支交换机相连；

（2）移动节点接入照明灯基站：在工作面内，如果在移动节点的周围有照明灯基站的信号覆盖，移动节点通过光的码分多址接入基站，实现矿工与基站的信息互通；在移动节点的周围没有照明灯基站信号的覆盖，通过限制泛洪的方式寻找邻近移动节点，通讯成功，通过RTS-CTS握手的方式与其建立无线连接；通过邻居节点实现与照明灯基站的互通；

（3）照明灯基站与综保电力载波之间的连接：通过工作面127V电力照明线将各照明灯基站连接在一起，并最终与综保电力载波相连，组成可见光双向通信链路；一个工作面组成一个可见光通信局域网，每个局域网内由综保电力载波充当控制模块和数据转发模块；

（4）上行数据传输：移动节点采集到工作面的现场数据之后，通过光载波通信传输给照明灯基站，接着通过电力载波的方式传输给综保电力载波，由综保电力载波以IP数据包的方式通过工业以太网传输到地面；据此，可以实现煤矿工作面的视频监控、重要数据的采集、数据上传，及时发现故障隐患，采取措施避免设备损坏，提高设备正常率和开机率；同时对相关数据进行存储、显示和分析，实现数据共享与远程管理，并通过计算机网络实现共享，达到生产管理的信息化；

（5）下行数据传输：地面产生查询或者控制指令等数据，经由工业以太网传输到综保电力载波，随后通过综保电力载波的方式交付给照明灯基站，基站以光载波的方式传输给移动节点；据此，可以实现数据查询、远程指挥、诊断预警功能，为实现煤矿工作面的生产过程自动化提供通信基础。

具体的方法为：将照明灯基站吊挂安装在液压支架顶梁上，一般每隔5-8个支架（10米左右）安装一个基站。按照《煤矿安全规程》规定，综采工作面中的照明灯间距最大为15米，因此这种布置方法完全符合煤安和通信距离要求。与传统的工作面中单纯的照明灯相比，本发明中的照明功能保留不变，但是增加了光载波信息的发送和接收功能，信号采用曼彻斯彻编码。矿工安全帽上的智能通信矿灯具有可见光通信能力，构成通信系统中的移动节点，它通过无线链路与基站连接，实现矿工和矿工的有基础设施的通信，或者在基站不可用的情况下实现矿工与矿工之间的直接利用Ad Hoc方式通信。同时，移动节点可以通过与照明灯基站实现矿工与地面的双向信息传递。移动节点与照明灯基站、移动节点与移动节点之间的Ad Hoc传输是通过光载波的方式实现的。

照明灯基站通过照明电缆连接到综保，经由综保连接到井下骨干环网或者骨干环网的分支交换机，不同的照明灯基站到达综保时的时延特性和脉冲序列不同。在每个照明灯基站下，可能存在多个移动节点，为了对不同的节点进行区分，利用光的码分多址技术对各个移动台终端进行编码，各层的传输协议将它按照各自的语法添加首部，上层通过解析相关的协议和信息格式来识别不同的用户信息。在移动节点发送数据给地面（上行链路）的时候，移动节点的数据通过光载波通信的方式到达照明灯基站，随后通过照明电缆传输到综保，经由综保送往最近的环网交换机或者分支交换机。照明灯基站与综保之间的数据传输采用电力载波的方式。

数据进入工业以太网以后，就通过标准的IP数据通信方式发送到地面通信服务器中。

数据下行传输过程与上行传输过程相反。

在本系统中，光载波和电力载波构成系统的物理层，进行数据的物理传输。在数据链路层，照明灯基站利用光/电转换将光信号转换成电信号，并将信息封装成电力载波帧格式，组装成数据包发送到照明电缆上。在整个通信过程中，由于各层的数据格式不同，因此需要在各层设计相应的通信协议：物理层对数据进行编码，数据链路层需要光载波的点对点协议和移动节点的接入控制协议，网络层则需要特定的路由协议，在网络层之上则实现电力载波通信与IP通信的网关协议，以便与煤矿现有的工业以太网络无缝对接。

Claims (2)

1.一种基于可见光通信的煤矿工作面通信方法，其特征是：采用电力载波和可见光通信的方式实现煤矿工作面与地面的通信，具体方法是：

（1）设备安装：将照明灯基站按照每隔5-8个支架吊装在液压支架的顶梁上，具有通信和基站管理功能的综保安装在上顺槽中，照明灯基站之间、照明灯与综保之间利用照明电缆连接，综保通过RJ45电缆与工业以太网交换机或者分支交换机相连；

（2）移动节点接入照明灯基站：在工作面内，如果在移动节点的周围有照明灯基站的信号覆盖，移动节点通过光的码分多址接入基站，实现矿工与基站的信息互通；在移动节点的周围没有照明灯基站信号的覆盖，通过限制泛洪的方式寻找邻近移动节点，通讯成功，通过RTS-CTS握手的方式与其建立无线连接；通过邻居节点实现与照明灯基站的互通；

（3）照明灯基站与综保电力载波之间的连接：通过工作面127V电力照明线将各照明灯基站连接在一起，并最终与综保电力载波相连，组成可见光双向通信链路；一个工作面组成一个可见光通信局域网，每个局域网内由综保电力载波充当控制模块和数据转发模块；

（4）上行数据传输：移动节点采集到工作面的现场数据之后，通过光载波通信传输给照明灯基站，接着通过电力载波的方式传输给综保电力载波，由综保电力载波以IP数据包的方式通过工业以太网传输到地面；据此，可以实现煤矿工作面的视频监控、重要数据的采集、数据上传，及时发现故障隐患，采取措施避免设备损坏，提高设备正常率和开机率；同时对相关数据进行存储、显示和分析，实现数据共享与远程管理，并通过计算机网络实现共享，达到生产管理的信息化；

（5）下行数据传输：地面产生查询或者控制指令等数据，经由工业以太网传输到综保电力载波，随后通过综保电力载波的方式交付给照明灯基站，基站以光载波的方式传输给移动节点；据此，可以实现数据查询、远程指挥、诊断预警功能，为实现煤矿工作面的生产过程自动化提供通信基础。

2.一种基于可见光通信的煤矿工作面通信系统，其特征是：所述的系统包括：电力电缆、照明灯基站、移动节点和综保电力载波；

照明灯基站、和综保电力载波均连接在电力电缆上，移动节点与照明灯基站实现无线通讯，综保电力载波与井下环网交换机或分支交换机连接；

所述的电力电缆为工作面原有的127V低压照明电缆；

所述的照明灯基站为LED支架灯的基础上外加光信息发射器和光信息接收器构成，构成信息基站，接受移动节点即智能通信矿灯无线接入；照明灯基站与照明用电缆连接，以电力载波的方式将工作面采集到的信息传输到井下骨干环网；照明灯基站的光发射器由光/电转换电路、LED调制驱动电路和LED光源构成并顺序连接，用于信息的发送；照明灯基站的光接收器由光信号检测电路、放大电路、滤波电路、均衡电路、解调判决电路等构成并顺序连接，用于信号的接收；

所述的移动节点为煤矿工作面矿工所携带的智能通信矿灯，移动节点是一个小型的智能LED终端具有照明功能，包括：光信息发射器、光信息接收器、电源模块、控制模块和液晶显示模块，电源模块和液晶显示均与模块控制模块连接，构成移动控制器，光信息发射器、光信息接收器与移动控制器连接；

所述的综保电力载波包括：综保、隔离保险器、变压控制调节器、继电大保护装置、相相耦合器、电力线载波耦合器、编码调制解调器、电力载波通信管理服务器和RJ45接口，在照明电缆上连接有隔离保险器、变压控制调节器、继电大保护装置和相相耦合器，综保与照明电缆连接，同时分别与变压控制器和继电器保护装置连接，相相耦合器和继电器保护装置均与电力线载波耦合器连接，电力线载波耦合器、编码调制解调器、电力载波通信管理服务器和RJ45接口顺序连接。

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